文档介绍：2004 ANSYS 中国用户论文集
ANSYS 在国家体育场设计中的应用
范学伟范重刘先明彭翼
中国建筑设计研究院,北京 100044

[ 摘要] ANSYS 软件是国际知名的大型通用有限元软件,在航空、航天、汽车、机械、土木、电子等
多数工业领域内有较广泛的应用。本文主要介绍了 ANSYS 在国家体育场设计中的应用。结构
的静动力分析和节点有限元分析表明,ANSYS 在大型复杂结构的设计中可以发挥重大作用,用
户可以通过其开放的有限元平台单独开发行业模块,解决工程中的特殊复杂问题。

1 引言
国家体育场位于北京市中轴线东侧,成府路南侧,奥林匹克公园中心区内。国家体育场
是 2008 年第 29 届奥运会的主体育场,承担奥运会开、闭幕式与田径比赛,总建筑面积约为
25 万 m2。建筑的设计使用年限为 100 年,其“鸟巢”结构将成为北京市的重要标志性建筑。
该建筑地面以上平面呈椭圆型,长轴为 ,短轴为。主体结构由钢筋混凝土看
台与带有可开合屋盖的大跨度钢屋盖两部分构成。屋盖的主结构由 48 榀桁架与中间环梁构
成,支承在周边 24 根组合柱之上。屋盖的顶面呈鞍形,最高点高度为 ,最低点高度
为。主桁架围绕屋盖中部的环梁放射形布置,与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟
巢”的特殊建筑造型,主场看台部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,与大跨度钢结
构完全脱开。
2 结构分析
计算程序的选择
在初步设计时,设计人员详细研究了各
种软件的功能及优缺点,最终通过比较决定
采用 ANSYS 软件。因为首先 ANSYS 有丰
富的单元库,土木工程中常用的梁板壳都有
成熟的单元可以选取。其次 ANSYS 具有节图 1 国家体育场 ANSYS 计算模型
点耦合和设置刚域功能,可以模拟计算模型
中一些构件之间的相互关系。ANSYS 还具有单元的生死功能,通过设置单元的生死达到模
拟结构施工过程的目的。最让设计人员欣赏的是,ANSYS 是个开放的有限元平台,提供了
APDL,UIDL 等开发工具,可以让用户自己开发专业模块。计算对比程序采用 Sap2000。
结构分析的主要内容
计算模型及假定
2004 ANSYS 中国用户论文集
1)整体模型中所有构件都采用 ANSYS 中 beam4 单元。
2)曲梁和弧梁用多段直线梁单元模拟。

静力分析
结构的主要荷载包括:恒荷载、活荷载,雪荷载、风荷载、温度作用。其中恒荷载含结
构自重、吊顶、水槽和马道设备等等,活荷载由《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)不
上人屋盖确定,雪荷载由《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)取设计基准期 100 年雪压,
风荷载采用风洞报告数据,温度作用根据北京市近 30 年的气候统计资料确定。建筑物安全
等级为一级,重要性系数取 ,分项系数、组合系数按《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001)
及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)选取,。
抗震分析
结构的设防烈度为 8 度,设计地震分组为第一组。工程场地为 III 类。地