冰瀑表演装置（以下简称：冰瀑屏）是北京冬奥会开幕式演出的重要设备，是用于仪式演出的临时性大型表演装置。冰瀑屏位于国家体育场内正东侧跑道外侧，下部紧邻观众席，上部靠近体育场屋面结构前沿，其主体结构高59.2 m（超出屋面开口1.5 m），宽19.2 m，厚7.6 m，正立面安装LED显示屏，底部中间设置14 m×7 m升降显示屏。常时，可升降显示屏关闭，下部通道与上部固定显示屏形成完整的冰瀑屏；运动员入场时，下部的升降显示屏升起并藏于固定显示屏后，运动员从通道进入场地。冰瀑屏示意图见图1。

图1 冰瀑屏示意图

1.1 温度

根据北京市气象局《气象和冬（残）奥会开闭幕式》报告，历史上开幕式当天，国家体育场附近2003、2004、2005、2013、2015年均出现了超过6级的大风，个别年份出现过10级大风，2004年2月4日18时的极大风速达24.9 m/s。2020年3月18日，场内二层看台的极大风速为9 m/s～10.6 m/s，屋面为23.5 m/s～29 m/s；屋面2分钟平均风速达13 m/s。见图2～图4所示。

图2 开幕式当天各时次极大风速及风向图

冰瀑屏位于场内东侧入口处，二层东侧气象站与冰瀑屏+9.2 m高度相当；正东侧气象站与冰瀑屏+58 m高度相当。冰瀑屏所在区域风环境较场内监测点恶劣，又优于场外风环境。

涉及场地地面条件、施工周期等因素，冰瀑屏所在安装位置无法进行地面基础施工，在距离观众席前沿3.2 m处，已有庆祝中国共产党成立100周年文艺演出《伟大征程》所用LED屏幕结构安装后遗留的混凝土筏板。筏板为直接放置在场地地面上混凝土筏板，尺寸为30 m×14 m，高度0.6 m，筏板上已有钢柱和预埋件位置与冰瀑屏结构柱位不一致，需要对筏板进行适应性改造才能使用。见图5、图6。

图5 体育场平面图与筏板的位置

图6 体育场东侧局部与筏板的位置关系

本项目由于施工周期、场地条件、拆除要求等因素的限制，为冰瀑屏结构的设计带来较大难度。主要的设计难点和要点如下：

（1）冰瀑屏结构及显示屏现场施工、安装周期仅为1个月，开幕式后的拆除作业时间仅4天，安装和拆除的时间限制都十分紧张。

（2）冰瀑屏结构高度59.2 m、厚7.6 m，结构高厚比为7.8，受环境风等水平荷载的影响较大，极易造成结构的整体倾覆。本项目运营周期很短，期间发生地震的概率很小，因此未考虑地震作用的影响。

（3）屋面结构无法提供顶部支撑。冰瀑屏高度较高，顶部基本与屋面平齐，若屋面钢结构能够为冰瀑屏提供侧向支撑，可有效提高抗倾覆能力。

（4）冰瀑屏为放置于场地内的表演装置，无法设置用于抗拔的桩基础，可以利用的仅为布置于场地地面的筏板基础。另外，基于原场地设计单位的要求，地面承载力的标准值限值为100 kPa。因此，在各类工况下，冰瀑屏的柱底既不能有过大的压力作用，否则将导致地面受损；也不能有过大的拔力，否则将造成结构整体的倾覆。

（5）本项目风荷载为主要控制工况，用于结构分析的风荷载需要较为准确合理的计算。依据有关标准，计算数据采用十年一遇的基本风压0.3 kN/m2，地面粗糙度D类。LED屏幕镂空率为40%，考虑龙骨及钢结构迎风面积占比为30%，实际迎风面积占比约为0.3+（1-0.3）×（1-0.4）=0.72，考虑适当放大，风压折减系数取0.8。如图 7所示。

图7 冰瀑屏正面风荷载布置（单位kN/m2）

冰瀑屏主体结构采用桁架梁柱结构，除正面屏幕用钢梁采用刚接节点外，其他钢梁、支撑为铰接节点。钢柱柱脚为刚接，基础为已有厚度600 mm的筏板基础，钢柱底部通过后锚固的转换钢梁与筏板连接。主体结构与原有筏板基础的平面关系如图8所示，其中各轴线交点处为原有的钢柱埋件，其已植的锚栓可以作为新结构的锚固。

图8 冰瀑屏主体结构与筏板俯视图

冰瀑屏主体结构采用桁架梁柱结构体系，如图9所示。东西两侧各设置一组框架柱，框架柱之间通过7道桁架梁连接，形成主要受力结构。每层桁架梁底部吊挂一层结构马道，由桁架梁上弦、下弦、马道层构成层高间隔2.5 m高的检修层，用于LED的安装、检修及保障操作空间。为便于结构的安装和拆卸，主结构构件均采用H型钢，节点采用栓焊混合连接。桁架柱弦杆截面为HW300×300，其他腹杆及桁架梁弦杆截面为HW300×300或HW200×200。

图9 冰瀑屏主体结构轴测及立面图

由于冰瀑屏结构与筏板基础在东西方向上存在部分偏心，因此，竖向荷载的情况下，基础底部的压力分布不均匀，在受水平荷载的情况下，东西两个方向的抗倾覆能力不同。因此，为平衡结构各方向的抗倾覆能力，且减小外侧钢柱风荷载下的拔力，于桁架柱东侧底部增设两道悬挑段，并放置2个各25 t的配重，如图10、图11所示。

图10 配重布置平面图

图11 配重布置立面图

在1 . 0 倍风荷载作用下，冰瀑屏结构的水平位移如图12所示，顶部最大位移 55.2 mm，高度59.2 m，位移角为1/1072，满足小于1/250的设计标准。在 1 . 0 恒荷载+1.0活荷载作用下，结构变形如图13所示，桁架梁最大挠度为3 mm，高度15.4 m，位移角为1/3850，满足小于1/250的设计标准。

根据计算，水平风荷载总值为 4 8 6 k N ，钢结构自重及恒荷载（不含基础）为6 455 kN，筏板基础自重为6 213 kN，风荷载与恒荷载比值为0.04，而基础与地面间摩擦系数大于0.1，满足抗滑移要求。

以下分析为将冰瀑屏结构与筏板基础作为整体模型，基础底部零应力校验结果。如图14所示各标准组合下，基底最小压力为4 kPa，无零应力区域，满足抗倾覆要求。

图14  基底零应力验算结果

图15为0.9恒荷载+1.5正Y向风基底压力计算结果，基底最小压应力3.7 kPa，无零应力区域，满足抗倾覆要求。

图15  0.9恒荷载+1.5正Y向风基底压力验算结果

图16为0.9恒荷载+1.5负Y向风基底压力计算结果，基底最小压应力 0.3 kPa，无零应力区域，满足抗倾覆要求。

图16  0.9恒荷载+1.5负Y向风基底压力验算结果

场地承载力限值为100 kPa。根据地基承载力验算结果，见图17，恒荷载+活荷载标准组合下，基底最大压力为61.2 kPa，小于100 kPa，满足场地的承载力限值要求。

图17  地基承载力验算结果

冰瀑表演装置主体结构为室外结构，受温度和风荷载的作用影响较大，主体建成后对结构变形进行定期监测。从2021年10月5日至2022年1月30日，共监测16次。根据监测测量结果统计，Y方向最大偏移量5 mm，X方向最大偏移量2 mm，均满足设计要求。

冰瀑屏从完成搭建到开幕式结束后拆除，经受了大风、低温、降雪等较恶劣天气的考验，没有因为结构形变导致LED屏幕显示异常或影响提升门的正常运行，主体结构状态非常稳定，保证了冰瀑大型表演装置在世界面前的完美呈现。

选自 《演艺科技》2022年第四期 杨元永，崔建华，高星斗，高新君《复杂风环境下浮搁式超高表演装置的结构设计及分析——以北京冬奥会开幕式演出冰瀑表演装置为例》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。

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