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首钢滑雪大跳台随着谷爱凌的凌空一跃，再次展现在人们面前。大跳台位于北京市首钢园区北区，背靠冷却塔，北望石景山，东临群明湖，西邻永定河，它由清华大学建筑设计研究院有限公司设计，首钢建设集团施工建造。据报道，这个大跳台是世界上第一个永久保留的滑雪大跳台，并且能够兼容单板滑雪大跳台与自由式滑雪空中技巧两项不同的比赛。  大跳台远景 刚刚介绍大跳台的时候为什么要说“再次”？其实，这个大跳台并不新。它早在2019年11月就已经建成了，并且在次月成功举办了2019 FIS沸雪世界杯，已经经历过了国际赛事的考验。远看这个大跳台，丝滑的曲线尽显大跳台轻盈本色。轻盈和结实是两个略显矛盾的形容词，但在这个大跳台上却完美统一，究竟是如何做到的呢？  FIS 国际赛事 首钢滑雪大跳台是钢桁架结构，分上飘带管桁架、下丝带管桁架、箱型格构柱、斜箱型格构柱、变截面V形箱型柱，以及赛道钢桁架等结构。那什么是桁架结构呢？最著名的就是法国巴黎的埃菲尔铁塔了，它由一根根细长钢构件拼接而成。鸟巢的那个看起来“乱七八糟”的外围结构，也可以算是桁架结构。相对来说，桁架结构比较容易施工安装，用钢量较省，视觉效果也比较轻盈。 埃菲尔铁塔 力学上，桁架结构受力形式较为简单。通常会将单根桁架认为是一个二力杆，将自身的重力平均分配到两端的节点上，或者直接忽略自身的重力。此时，桁架本身的受力就是沿着轴线方向，那么在计算每一根桁架内力的时候就非常的方便了，大二的同学就可以完成。为什么可以做这样的处理呢？因为在机械行业，这种桁架结构的受力一般都比较大，重力的影响可以忽略不计。但是，对于这个大跳台，单根桁架比较长，重力的影响显然不能忽略。 整个大跳台，除了自身的重力之外，最主要的载荷就来自于赛道上覆盖的厚厚的雪。下雪的时候，看起来轻飘飘的，其实堆积之后很重。冬季下雪，偶有看到某某东西被雪压塌的新闻。为了比赛需要，赛道上总雪量7920立方米，约4752t，平均厚度50cm。这些载荷，再加上其他附属结构的重力，通过赛道的钢桁架，最终传递给2个格构柱和2个V形箱型柱。  雪载 普通的建筑很少考虑雪载的，或者就是简单地把雪载换算成均布载荷，作用于屋顶。关于雪载的精细化计算并不十分成熟，这也是大跳台设计的难点之一。雪载有一定的流动性。底层与钢板接触，肯定会有些许融化，降低摩擦力，很有可能整片下滑，造成“雪崩”。大跳台通过网结构来实现固雪，但是轻微的位移仍然存在。表层的雪流动性就更大了，运动员从高处滑下，带动表层雪的重新分布，这是个载荷动态变化的过程，计算起来较为复杂。  固雪装置 有了这些载荷，以及根据比赛的要求，就可以着手设计了。整体上大跳台形似“人”字，一撇一捺，互相支撑，除了设计的美感之外，也比较符合力学原理。对于左边的那一撇，承受着右边那一长捺带来的向左挤压力。斜着支撑能够尽量让这个挤压力产生的倾覆力矩降低，从而提升斜箱型格构柱底座的力学特性。只不过，里面的电梯也要斜着上升了，真想去感受一下这个不一样的电梯。  人字形 整个大跳台总用钢量约4100t，可以对比一下，用钢量跟雪载差不多，这充分体现了力学之美。上飘带、下丝带的桁架是圆截面，其内部是中空的，大大减轻了结构的自重。这不是偷工减料，而是实实在在的力学分析的结果，学过材料力学的同学都懂。同样中空的V形箱型柱，采用了变截面的设计，充分发挥了这个结构每一寸材料的力学性能，没有一点点的浪费。赛道主桁架采用框形横截面，有较好的抗剪能力，防止侧风导致的位移过大。次桁架采用H型钢，可专心充分承受雪载。根据不同的受载形式，进行了静力学分析、模态分析，以及受压稳定性分析，最终完成了大跳台的设计。  变截面V柱 正是这样一个增之一分则余，减之一分则弱的结构，就像宋玉在《登徒子好色赋》中写的那样，“东家之子，增之一分则太长，减之一分则太短；著粉则太白，施朱则太赤”。这样恰到好处的设计，才能让大跳台在满足强度、刚度、稳定性，以及振动特性的同时，又充分降低自身的结构自重。再配合上飘带、下丝带，“飞天”的造型，弱化了钢结构的僵硬，大跳台变得轻盈起来了。  屈曲模态分析 |
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