西安国际足球中心屋盖钢结构设计

　　【摘要】西安国际足球中心屋盖主体结构采用周边刚性环壳承托的大开口正交索网结构，其设计完全贴合建筑造型的几何形态。
　　索网屋面由外压环、承重索、上下层稳定索、内拉环和折面膜构成，通过找形工作得到合理的索网形态，因屋盖形态复杂，进行了风致雪漂移试验、数值风洞试验和物理风洞试验，屋面拉索均采用进口全封闭索，屋面膜材采用以玻璃纤维为基布的PTFE涂层实体膜材。内圈索网结构为自锚体系，与外圈网壳的连接支座采用施工张拉阶段可滑移支座，用以消除张拉力对外圈网壳的影响。
　　屋盖结构的多模型对比分析结果证明了分析模型的可靠性，双非线性整体稳定性分析结果表明屋盖具有良好的整体稳定性，关键节点的设计分析保证了结构连接的可靠性。基于索网结构的内力分析结果和构件重要性程度，设置了屋盖结构的健康监测系统。
　　1工程概况
　　西安国际足球中心位于沣东新城中央商务区内，大西安新中心新轴线东侧，复兴大道以东，科源一路以西，科统三路以北，科统四路以南，总建筑面积约25万m，一共可容纳观众约6万人，足球场满足承接国际顶级足球赛事及国内顶级联赛，以及青少年足球专业化培养及体育交流、商业演出、大型综艺等功能，是一座世界一流的专业足球场。项目建成效果图如图1所示。
　　图1效果图2结构体系2。1结构体系组成
　　西安国际足球中心由地下混凝土结构，地上钢结构及钢屋盖组成。混凝土结构采用钢筋混凝土框架结构屈曲约束支撑（buckingrestrainedbrace，BRB）的结构体系。屋盖主体结构采用周边刚性环壳承托的大开口正交索网结构，其设计完全贴合建筑造型的几何形态。主体结构纵剖面如图2所示。
　　图2主体结构纵剖面示意图
　　屋盖结构平面上呈现倒圆角矩形，尺寸约为295。6m250。6m。屋盖结构分为刚性和柔性两部分，其中外周的刚性屋盖结构部分外表面为外低内高的空间不规则曲面。内圈的柔性索网屋面基于建筑师马鞍形曲面设计构思，外轮廓尺寸约为203。0m178。6m，马鞍面高差约23。5m，柔性索网屋盖部分内环两个方向尺寸约为115。0m92。4m，屋盖主要几何尺寸如图3所示。
　　屋盖刚性体系和柔性索网交接处设置环桁架，使其具有足够刚度和承载力来承托内部的索网体系。通过设置索结构的压环将内圈结构形成自锚结构（见2。3节）来提高结构的整体效率，减少施工误差、温度效应、地震效应对大跨度柔性索网结构的负面影响。图4为屋盖钢结构三维示意图。
　　外圈刚性屋盖空间网壳体系支承于68根型钢混凝土柱柱顶，柱顶设置成品球铰支座。其中南侧和北侧均为双排柱支承，东侧和西侧局部为单排柱支承，具体如2。5节所述。2。2屋盖结构体系选型
　　结构体系的发展是基于建筑师最重要的折面语言。折面语言形成有体量、有秩序的建筑元素，且折面体系成为结构的一部分，以体现结构成就建筑之美。此外，折面体系在屋面排水方面体现出独特的优势，传统马鞍形膜屋面需要在内外环之间设置额外的排水管道，排水路径曲折，建筑效果受到影响，而折面体系中，雨水可经由折面构造直接排至外环，排水路径短，对屋面效果几乎无影响。
　　屋盖选型流程如图5所示。
　　图5屋盖选型流程
　　第一步：按照建筑的几何关系设置折面的间距为6m，折面材料为PTFE膜结构。
　　第二步：在折面的三个顶点设置南北向索（三根索均呈上挠姿态，均为稳定索）以保证折面受力。三根稳定索和折面膜形成南北向三弦索桁架，上层稳定索形成了膜结构的谷索，下层稳定索形成了膜结构的脊索，有效提供了膜结构的空间刚度。
　　第三步：垂直于上层稳定索之间设置上层承重索，形成整体受力体系。
　　上下层索网均交于内拉环，上层承重索和稳定索交于外压环，下层稳定索通过设置的悬挑梁连接到外压环上。这样整体结构体系就形成了空间上连接有效、受力合理的索网体系，如图6所示。
　　图6整体索网体系
　　悬臂梁构造如图7所示。
　　图7悬臂梁构造2。3内圈索网自锚体系
　　本工程通过找形使外压环与索网形成闭合的自锚体系，并通过支座与外圈网壳连接。施工张拉过程中，支座释放水平向平动自由度，张拉结束后锁死，由滑移支座变为固定铰支座，从而消除施工阶段张拉力对外圈刚性结构的影响。
　　针对内外圈结构的连接形式，在荷载条件相同的情况下，对比了完全固定铰支座和施工阶段可滑动支座对支撑屋盖体系的框架柱的影响。如8图所示，将支撑屋盖的68个框架柱进行编号，并给出两种支座方案柱平面内外的弯矩变化值，相比施工阶段可滑动支座，固定铰支座方案下绝大部分框架柱平面内和平面外弯矩表现为增大，少部分表现为减小，并且弯矩增大幅度较大，最高可达约5000kNm。由此可见，内圈索网自锚体系对改善外圈刚性结构的受力具有显著效果。
　　图8完全固定铰支座相较施工阶段可滑动支座框架柱弯矩变化值2。4屋盖结构找形
　　内圈索网几何形体和结构预应力态通过整体力学找形确定，找形的主要目的是：在屋盖体系自重完成态下，通过调整上下层索网的预应力分布使外环的弯矩尽可能地小；通过调整内环，尽量减小由于正交索网所带来的索夹不平衡力；通过调整悬挑梁高度和上下稳定索预应力分布，形成有效的索桁架形体；通过调整承重索的预应力分布来平衡上下稳定索内力。
　　因内圈索网为自锚体系，需尽可能减小索网外压环的弯矩，使得索网外压环内力以轴压力为主，提高材料的利用效率。因此，需通过调节索网的预应力分布及索网形态，对外压环弯矩分布进行优化。
　　图9为优化前后的外压环弯矩分布图，通过索网找形优化，最大弯矩由4379kNm降至1094kNm。
　　图9找形优化前后外压环弯矩分布（kNm）
　　本工程屋盖结构采用内环开孔的正交索网体系。因为内环开孔后会产生较大的索夹不平衡力，所以如何尽量地减小不平衡力也成为力学找形的关键。图10为内环索夹不平衡力受力示意图。
　　图10内环索夹不平衡力调整原则
　　索夹两侧内环索力分别为S1和S2，不平衡力S可由公式（1）计算。对于完成态20000kN的内环索力，只需调整环索索夹处夹角约1。18就可以将S降低25。由于体系自身的特点，此调整并不能完全消除不平衡力，只能一定程度上弱化。这个视觉完全不可见的调整，可以直接将不平衡力降低到约1300kN。
　　式中：S为不平衡力；S1为内环索索力；为正交索与内环索夹角；R为正交索索力；为内环索夹角。2。5屋盖竖向及抗侧力支撑体系
　　钢骨混凝土柱是整体屋盖结构的承重体系，同时也作为屋盖体系的抗侧力体系。柱延续到下部混凝土结构中，将屋盖支承框架柱和下部看台结构的抗侧力体系结合，有效地提高整体屋盖抗侧力体系的可靠性和冗余度。外圈屋盖结构东西侧设置单排柱，南北侧设置双排柱，剖面如图11所示。
　　图11屋盖剖面图
　　由于型钢混凝土柱以悬臂柱的方式作为主要抗侧力构件，故柱顶尽可能采用固定铰支座，从而和屋盖形成整体抗侧体系，并减小屋盖传递至框架柱的弯矩。3荷载选用
　　所有结构构件自重通过程序自动计算，将结构构件容重增加5来考虑节点以及连接板自重。其他荷载还包括径向索头荷载、内环索铸钢节点荷载、环向马道荷载、幕墙荷载、马道灯光及设备活荷载、不上人屋面活荷载、雪荷载、温度作用、风荷载和地震作用。
　　本工程屋盖结构形态复杂，属于对雪荷载和风荷载敏感结构，因此专门进行了风致雪漂移试验、数值风洞试验和物理风洞试验，试验模型如图12、13所示，雪压、风压重现期为100年。
　　图12风致雪漂移试验
　　图13风洞试验
　　风致雪飘移试验考虑无风状态下自然降雪和自然降雪完成后风致雪漂移两种情况，结果表明，在0180风向范围内，相对于无风状态，雪荷载分布系数在风荷载作用下均出现减小，因此无需考虑风致雪飘移的影响。
　　风洞试验取36个不同风向角，计算了屋盖结构体型系数、风振系数和节点平均风荷载。试验结果表明，在40、130、220、310等风向，屋面迎风区域出现正压，其他区域及其他风向屋盖主要呈现风吸的特点，其中0、90、180和270工况下风吸力较大。
　　由于结构体系为对称结构，所以采用0、40、90、130、180五个不利风向角进行屋盖结构的风荷载分析。计算模型风荷载按照风洞试验结果进行取值。4材料和主要构件截面
　　外周刚性网壳材质均为Q355C。屋盖利用树形柱支承在下部型钢混凝土柱柱顶，这样可以最大程度地减小柱位对于屋盖网格划分的制约。依据受力的不同，树形柱采用4002060025的圆钢管。网壳杆件的规格为219680040。
　　内圈索膜体系的外压环材质为Q390C，为方便安装和加工，外径统一为1500mm，壁厚5560mm。局部区段需要采用内加强板，见图14。
　　图14压环梁内加强板
　　拉索均采用进口密闭钢丝绳，其索夹抗滑移能力、索承受索夹压力能力、防腐蚀能力、抗疲劳强度均优于螺旋索，钢丝抗拉强度标准值不小于1570kNm。
　　上层承重索的直径为65100mm，上层稳定索的直径为5090mm，下层稳定索的直径为4560mm，均为单根索。内拉环为6根95mm的索。
　　所有的索夹均采用Q390C钢材机加工而成，具体见7。1节所述。
　　屋面膜材采用以玻璃纤维为基布的PTFE涂层（双面FEP封闭）实体膜材，要求23抗拉强度：经向8000N5cm，纬向7000N5cm，并且在75和10的抗拉强度测试值不低于23抗拉强度的85。5屋盖弹性计算结果
　　本工程设计采用SAP2000和SOFISTIK计算软件进行了内圈索网模型、屋盖整体模型和足球场整体模型的分析，以确保分析结果的可靠性。三类模型的三维示意如图15所示。
　　图15分析模型
　　各模型的主要分析结果如表1所示：
　　表1三类模型主要分析结果对比
　　图16所示为足球场整体模型前三阶振型，均为内圈索网的竖向振动，外圈结构作为索网支座时，刚度比内圈索网的固定铰支座小，因此自振周期更大，混凝土结构模型的加入对索网支座刚度的影响较小，因此屋盖整体模型和足球场整体模型的自振周期较为接近，也反映了真实状态下的结构动力特性。
　　图16足球场整体模型前三阶振型图
　　为统一表述，表1中结构竖向位移均为张拉完成后恒荷载态下，索网内环相对索网外压环的竖向位移，表1中索力为各组合工况下的包络力。
　　由表1结果可知，三类模型竖向位移和最大索力都非常相近，结构模型具有可靠性，索网竖向位移满足《空间网格结构技术规程》（JGJ72010）（简称网格规程）对屋盖的正常使用极限状态的限值。
　　整体模型中的最大索力分布如图17所示，最大索力出现在短方向承重索上，选用的最大索径为95mm，安全系数为2。22。0，满足《索结构技术规程》（JGJ2572012）要求。
　　图17正交索网索力分布图kN
　　整体模型分析所得的外圈刚性网壳应力比如图18所示，最大构件应力比0。89。
　　图18外圈刚性网壳应力比
　　此外，网壳在1。0恒荷载1。0活荷载工况下的最大竖向位移为195mm，出现在悬挑梢部，对应挠度1410。网壳整体具有足够的强度和刚度，可对内圈索网起到足够的支撑作用。
　　根据以上对比结论，索网强度分析采用内圈索网模型，屋盖动力分析采用屋盖整体模型进行分析，可得到较为准确的分析结果，并能大大减少计算成本。6屋盖结构双非线性稳定性分析
　　结构的整体初始几何缺陷是结构产生非线性行为的影响因素之一，在目前的高等结构分析中常按最不利的缺陷分布来考虑其影响。
　　由于本结构由各自成体系的空间桁架构成，分析没有明显的整体失稳模态。本节将根据网格规程，通过荷载位移全过程分析的方法对整体结构的稳定性和极限强度进行计算。
　　分析中引入初始缺陷后的结构荷载位移全过程分析基于网格规程4。3。3条规定，选取结构最低阶的屈曲模态作为初始几何缺陷，选取跨度的1300作为最大缺陷计算值。
　　分析采用屋盖整体结构模型，考虑了几何非线性和材料非线性，结构自重、附加恒荷载、雪荷载逐步增大，将到达结构极限临界点时的荷载作为稳定极限承载力，1。0恒荷载1。0雪荷载的标准值组合设为稳定容许承载力，从容许承载力加载到极限承载力，荷载增加的倍数为安全系数K。
　　根据网格规程，按弹塑性进行全过程分析，结构的安全系数应大于2。0。
　　图19为屋盖双非线性分析得到的荷载位移曲线。分析结果表明，当K增大到3。5时，结构达到承载力极限，大于规范限值，故可以认为，屋盖结构具有足够的整体稳定性。
　　图19屋盖荷载位移曲线7关键节点设计7。1内环索夹节点
　　本工程内环索索夹各部件全部采用机加工成形的方式，避免了传统铸造索夹重量大、脆性高和缺陷多的问题，同时采用了附加索夹的形式，增大了节点抵抗拉索不平衡力的能力。如图20（a）所示，内环索索夹主要由耳板、索槽板、盖板、附加索夹等机加工构件焊接而成。图20（b）为节点有限元分析结果，可知索夹只在局部焊接位置出现应力集中，整体受力状态良好。
　　图20内环索索夹模型及分析结果7。2压环支座
　　如前所述，内圈索网压环通过支座与外圈结构相连，该支座在施工张拉过程中可沿水平方向滑动，施工完成后固定。
　　图21施工阶段可滑动支座示意
　　图21为支座的基本形式，张拉前，通过施工模拟分析，计算每个支座初始状态下的偏移量，并通过限位垫块定位偏移后的支座板，施工过程中通过逐步去除支座的限位垫块，使各支座在预先设计的位移量下有序滑动，张拉完成后各支座回归到居中位置并锁定，通过这一过程消除内圈索网在张拉过程中产生的支座处位移。7。3压环支座牛腿
　　压环支座与外圈刚性结构通过特别设计的牛腿节点进行连接，通过对牛腿锥形管内部和周边杆件增设加劲肋，增强牛腿平台板刚度。图22为牛腿节点的位置及有限元分析结果，由图22可知，加强后的牛腿节点整体应力水平满足设计要求。
　　图22压环支座牛腿节点位置及分析结果8屋盖健康监测
　　由于屋盖结构的复杂性和实际中必然存在的偏差，对屋盖的施工过程和长期工作状态进行了监测和故障预警。健康监测的工作时间为从钢结构进场安装到工程竣工验收后至少36个月。
　　监测内容包括钢构件应力监测、索力监测、风速风向监测、变形监测以及振动监测。在外周钢网壳卸载过程中，对树形柱的应力状态、内环的位移变形和支座位移转角均进行了实时监测，卸载后均与设计计算数值较为吻合。
　　在拉索施工达到成形状态后，通过磁通量法得到的索力实测值与设计索力的结果相差在5以内，竖向位移的实测值和设计计算值差别在30mm以内，施工精度较高。索力传感器点位如图23所示。
　　图23索力传感器点位图9结论
　　（1）西安国际足球中心屋盖主体结构采用周边刚性环壳承托的大开口正交索网结构，其结构选型完全贴合建筑造型的几何形态。
　　（2）屋盖结构的找形过程清晰可靠，达到了设计预想的效果，通过合理的力学找形，有效地降低了不平衡力带来的风险。
　　（3）内圈索网采用自锚体系，与外圈网壳的连接支座采用施工张拉阶段可滑移支座，有效地消除张拉力对外圈网壳的影响。
　　（4）计算分析结果表明，本工程屋盖结构具有良好的动力特性和整体稳定性，屋盖关键节点的设计满足规范要求。
　　（5）本工程设计经验表明，体育场屋盖采用自锚结构体系的设计，可以有效降低结构构件中由预应力产生的附加内力，降低构件和节点的设计难度，提升工程经济效益。
　　本文转自《建筑结构》西安国际足球中心屋盖钢结构设计，作者徐晓明，陈伟；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！