首鋼滑雪大跳臺(tái)隨著谷愛(ài)凌的凌空一躍，再次展現(xiàn)在人們面前。大跳臺(tái)位于北京市首鋼園區(qū)北區(qū)，背靠冷卻塔，北望石景山，東臨群明湖，西鄰永定河，它由清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司設(shè)計(jì)，首鋼建設(shè)集團(tuán)施工建造。據(jù)報(bào)道，這個(gè)大跳臺(tái)是世界上第一個(gè)永久保留的滑雪大跳臺(tái)，并且能夠兼容單板滑雪大跳臺(tái)與自由式滑雪空中技巧兩項(xiàng)不同的比賽。
大跳臺(tái)遠(yuǎn)景
剛剛介紹大跳臺(tái)的時(shí)候?yàn)槭裁匆f(shuō)“再次”？其實(shí)，這個(gè)大跳臺(tái)并不新。它早在2019年11月就已經(jīng)建成了，并且在次月成功舉辦了2019 FIS沸雪世界杯，已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)了國(guó)際賽事的考驗(yàn)。遠(yuǎn)看這個(gè)大跳臺(tái)，絲滑的曲線(xiàn)盡顯大跳臺(tái)輕盈本色。輕盈和結(jié)實(shí)是兩個(gè)略顯矛盾的形容詞，但在這個(gè)大跳臺(tái)上卻完美統(tǒng)一，究竟是如何做到的呢？
FIS 國(guó)際賽事
首鋼滑雪大跳臺(tái)是鋼桁架結(jié)構(gòu)，分上飄帶管桁架、下絲帶管桁架、箱型格構(gòu)柱、斜箱型格構(gòu)柱、變截面V形箱型柱，以及賽道鋼桁架等結(jié)構(gòu)。那什么是桁架結(jié)構(gòu)呢？最著名的就是法國(guó)巴黎的埃菲爾鐵塔了，它由一根根細(xì)長(zhǎng)鋼構(gòu)件拼接而成。鳥(niǎo)巢的那個(gè)看起來(lái)“亂七八糟”的外圍結(jié)構(gòu)，也可以算是桁架結(jié)構(gòu)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，桁架結(jié)構(gòu)比較容易施工安裝，用鋼量較省，視覺(jué)效果也比較輕盈。
埃菲爾鐵塔
力學(xué)上，桁架結(jié)構(gòu)受力形式較為簡(jiǎn)單。通常會(huì)將單根桁架認(rèn)為是一個(gè)二力桿，將自身的重力平均分配到兩端的節(jié)點(diǎn)上，或者直接忽略自身的重力。此時(shí)，桁架本身的受力就是沿著軸線(xiàn)方向，那么在計(jì)算每一根桁架內(nèi)力的時(shí)候就非常的方便了，大二的同學(xué)就可以完成。為什么可以做這樣的處理呢？因?yàn)樵跈C(jī)械行業(yè)，這種桁架結(jié)構(gòu)的受力一般都比較大，重力的影響可以忽略不計(jì)。但是，對(duì)于這個(gè)大跳臺(tái)，單根桁架比較長(zhǎng)，重力的影響顯然不能忽略。
整個(gè)大跳臺(tái)，除了自身的重力之外，最主要的載荷就來(lái)自于賽道上覆蓋的厚厚的雪。下雪的時(shí)候，看起來(lái)輕飄飄的，其實(shí)堆積之后很重。冬季下雪，偶有看到某某東西被雪壓塌的新聞。為了比賽需要，賽道上總雪量7920立方米，約4752t，平均厚度50cm。這些載荷，再加上其他附屬結(jié)構(gòu)的重力，通過(guò)賽道的鋼桁架，最終傳遞給2個(gè)格構(gòu)柱和2個(gè)V形箱型柱。
雪載
普通的建筑很少考慮雪載的，或者就是簡(jiǎn)單地把雪載換算成均布載荷，作用于屋頂。關(guān)于雪載的精細(xì)化計(jì)算并不十分成熟，這也是大跳臺(tái)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。雪載有一定的流動(dòng)性。底層與鋼板接觸，肯定會(huì)有些許融化，降低摩擦力，很有可能整片下滑，造成“雪崩”。大跳臺(tái)通過(guò)網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)固雪，但是輕微的位移仍然存在。表層的雪流動(dòng)性就更大了，運(yùn)動(dòng)員從高處滑下，帶動(dòng)表層雪的重新分布，這是個(gè)載荷動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，計(jì)算起來(lái)較為復(fù)雜。
固雪裝置
有了這些載荷，以及根據(jù)比賽的要求，就可以著手設(shè)計(jì)了。整體上大跳臺(tái)形似“人”字，一撇一捺，互相支撐，除了設(shè)計(jì)的美感之外，也比較符合力學(xué)原理。對(duì)于左邊的那一撇，承受著右邊那一長(zhǎng)捺帶來(lái)的向左擠壓力。斜著支撐能夠盡量讓這個(gè)擠壓力產(chǎn)生的傾覆力矩降低，從而提升斜箱型格構(gòu)柱底座的力學(xué)特性。只不過(guò)，里面的電梯也要斜著上升了，真想去感受一下這個(gè)不一樣的電梯。
人字形
整個(gè)大跳臺(tái)總用鋼量約4100t，可以對(duì)比一下，用鋼量跟雪載差不多，這充分體現(xiàn)了力學(xué)之美。上飄帶、下絲帶的桁架是圓截面，其內(nèi)部是中空的，大大減輕了結(jié)構(gòu)的自重。這不是偷工減料，而是實(shí)實(shí)在在的力學(xué)分析的結(jié)果，學(xué)過(guò)材料力學(xué)的同學(xué)都懂。同樣中空的V形箱型柱，采用了變截面的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了這個(gè)結(jié)構(gòu)每一寸材料的力學(xué)性能，沒(méi)有一點(diǎn)點(diǎn)的浪費(fèi)。賽道主桁架采用框形橫截面，有較好的抗剪能力，防止側(cè)風(fēng)導(dǎo)致的位移過(guò)大。次桁架采用H型鋼，可專(zhuān)心充分承受雪載。根據(jù)不同的受載形式，進(jìn)行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，以及受壓穩(wěn)定性分析，最終完成了大跳臺(tái)的設(shè)計(jì)。
變截面V柱
正是這樣一個(gè)增之一分則余，減之一分則弱的結(jié)構(gòu)，就像宋玉在《登徒子好色賦》中寫(xiě)的那樣，“東家之子，增之一分則太長(zhǎng)，減之一分則太短；著粉則太白，施朱則太赤”。這樣恰到好處的設(shè)計(jì)，才能讓大跳臺(tái)在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，以及振動(dòng)特性的同時(shí)，又充分降低自身的結(jié)構(gòu)自重。再配合上飄帶、下絲帶，“飛天”的造型，弱化了鋼結(jié)構(gòu)的僵硬，大跳臺(tái)變得輕盈起來(lái)了。
屈曲模態(tài)分析
聯(lián)系客服
