大开孔双层正交索网，西安国际足球中心罩棚

西安国际足球中心罩棚

设计单位 ：上海建筑设计研究院有限公司

结构顾问 ：sbp施莱希工程设计咨询有限公司

总包单位 ：陕西建工集团有限公司

钢结构安装单位 ：陕西建工机械施工集团有限公司

索结构施工单位 ：南京东大现代预应力工程有限责任公司

索具类型 ：巨力索具、瑞士法策 · 高钒镀层密封索

竣工时间 ：2023年

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概况

西安国际足球中心是原拟承办2023年亚足联中国亚洲杯馆主场馆之一，位于大西安新中心新轴线核心位置，西咸新区沣东新城复兴大道以东，科统三路以北，占地约280亩，总建筑面积25万平方米，包含1座6万座的专业足球场、2块国际标准室外训练场，原拟于2023年亚洲杯举办前建成投用，能够承接除世界杯开幕式以外的所有国际A级足球赛事。

足球场的屋盖结构平面上呈现倒圆角的矩形，尺寸约为295.6×250.6m，屋盖结构分为外部刚性网壳结构和内部柔性索网结构两部分，大开孔双层正交索网得到首次应用。其中，外部的刚性网壳屋盖是在空间不规则曲面中通过正放四角锥形式发展出来的空间网壳结构，内部索网屋面呈中央开洞的马鞍形曲面，外压环的平面尺寸约为203.0×178.6m，高差约23.5m，内拉环的平面尺寸约为115.0×92.4m，高差约4.9m，建筑实景图如图1 所示。

图1 西安国际足球中心

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索结构体系

1）结构整体概况

该足球场的整体屋盖结构体系主要由外部刚性屋盖结构和内部柔性索膜结构构成，如图2、3所示。

图2 屋盖结构平面示意图

图3 屋盖整体结构轴测图

①外部刚性屋盖结构

外部刚性屋盖结构采用空间网壳体系，整个网壳支承于68根型钢混凝土柱顶，柱顶设置成品球铰支座，其中南侧和北侧均为双排柱支承，如图4 所示，东侧和西侧局部为单排柱支承，如图5 所示。

图4 南侧网壳屋盖剖面示意图

图5 西侧网壳屋盖剖面示意图

②内部柔性索膜结构

内部柔性索膜结构包括外压环、悬臂梁、内拉环以及其间张拉的双层双向的正交索网体系，其中双层双向的正交索网体系由承重索、上层稳定索、下层稳定索以及连接上下层索网的膜面和提升索构成。

膜面张拉于上下层稳定索之间，上层稳定索形成了膜面的脊索，下层稳定索形成了膜面的谷索，有效提供了膜面的空间刚度。索网组成如图6~10所示。

图6 内部柔性索膜结构整体示意图


图7 上层索网组成示意图	图8 下层索网组成示意图


图9 压环处拉索锚固耳板示意图	图10 索网局部示意图

2）材料规格

①钢构件

外压环和悬臂梁构成内部索膜屋盖的外边界，均采用Q390C钢材。外压环采用外径为1.5m的圆管截面，壁厚为55mm和60mm两种，其中，部分60mm厚管段内部设置两道横向加劲板；悬臂梁采用变截面箱形截面，根部截面大，端部截面小，板厚分为20mm和30mm两种。具体材料规格见表1。

②拉索

该工程承重索、上下层稳定索以及构成内拉环的环索均采用进口密封索，密封索具有非常好的横向承压能力以及索夹的抗滑能力，并且它也具备优秀的防锈蚀能力以及抗疲劳能力。该工程的拉索规格较多，具体规格见表2。

3）工程的重难点

该工程在设计和施工过程中存在以下重难点：

①由于东西侧外圈网壳屋盖的几何形态（图5），且东西侧仅有单排柱支承屋盖，经对比分析，本工程屋盖内圈索网采用自平衡体系更为合理、高效和经济；

②该工程采用创新的正交大开孔索网体系，解决造型、排水等一系列建筑功能需求的同时，也使得正交索网在与内环索交点处产生较大的不平衡力；

③该工程最终选用的自锚式内圈结构体系，对外压环的形态提出较高的设计要求，在索张拉力作用下，不同形态的外压环内力水平将截然不同；

④ 该工程存在一些设计难度较高的关键节点，如用于消除不平衡力的环索索夹、用于消除张拉阶段内外圈位移差的外压环支座等。

4）结构设计与施工技术创新

针对该工程的上述关键问题，系统深入研究结构体系、索夹节点、施工等创新技术，形成大开孔正交索网结构设计与施工成套应用技术如下：

① 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。图11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，少部分表现为减少，并且弯矩增大幅度较大，最高可达约5000kN·m。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。


a) 平面内弯矩	b) 平面外弯矩

图11 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 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12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。

图12 施工阶段可滑移支座

图13 内环索夹不平衡力调整

③ 针对内环所节点的出现的较大的不平衡力，对正交索网的形态进行了细化和微调。过程简述如下：索夹两侧内环索力分别为S1和S2，不平衡力

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

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。

（1）

④ 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14 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4379kN·m降至1094kN·m。


a)找形优化前	b)找形优化后

图14 找形优化前后外压环弯矩分布/（kN?m）

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索结构施工

1）索网施工关键问题

① 由于外压环整体较柔，设计单位在计算时通过给外压环施加初压应力以控制外压环变形在合理范围之内，由于初压应力的引入，外压环的加工制作长度和拼装形状较于设计建模位形将产生不可忽略的差别，而设计单位提供的图纸中所有坐标均为结构设计建模态坐标，不能直接作为构件的加工及安装坐标。因此，外压环安装态的几何位形均需要通过精细的零状态找形分析来确定。

② 该工程内部屋盖采用创新的大开孔正交索网结构，既不同于传统正交索网结构，也不同于大开口轮辐式索网结构，而且结构的跨度大，外压环的刚度柔，下层索锚固点偏离外压环中心的距离大，周边支承的状况复杂，拉索的总量大，这些无疑会给索结构施工带来重大挑战。为了确保索网结构的顺利施工，合理的拉索施工方案和精细化的全过程分析是十分必要的。

③ 该工程拉索均采用定长索，索端不设调节装置，这无疑给拉索制造和外压环安装的精度提出了较高要求，需通过索长误差和外压环安装误差的影响分析确定合理的控制标准，以保证结构施工成形态符合设计要求。

2）针对拉索施工全过程，拟定以下总体施工步骤

索网施工前序：外围结构卸载后，环桁架下胎架反顶（仅接触），支座径向临时固定。