轮辐式单层索网：临沂奥体中心体育场罩棚

临沂奥体中心体育场罩棚

设计单位 ：中建西南建筑设计研究院

总包单位 ：山东省天元建设集团有限公司

钢结构安装单位 ：山东省天元建设集团有限公司

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·高钒镀层密封钢绞线索

竣工时间 ：2022年

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概况

临沂奥体中心体育场是山东省第26届省运会的主场馆，为甲级大型体育场，建筑面积约12万 m ² ，容纳座位约5.7万个。可举办足球、田径等全国性和单项国际比赛，同时可满足演艺、应急方舱等功能要求。体育馆外型主体呈流畅的马鞍型曲线，体量与形象就如一朵盛开的沂州海棠，延续了“蒙山沂水盛世海棠”的理念。体育场顶部平面为近圆形，东西宽286.7m，南北长288.6m，罩棚采用轮辐式单层索网结构，用膜面覆盖，中心开孔东西宽146.2m，南北长171.2m，罩棚悬挑长度约50m，是全国采用单层索网结构跨度最大的体育场。

图1 临沂奥体中心体育场

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索结构体系

1）结构整体概况

临沂奥体中心体育场罩棚结构形式为马鞍型轮辐式单层索网结构，内部的受拉环以及外侧的受压环通过对径向索施加预应力而形成预应力态。结构共有40根径向索，从环索中心呈辐射状布置。径向索平面长度为45m～50m。索网外侧设置外环受压桁架，既作为建筑外圈屋面支承构件，又作为索网的外压环。外环受压桁架为水平平面桁架，东西侧桁架宽度较大，为15m，南北侧桁架宽度较小，为8m。内圈、外圈斜柱共同支承索膜屋盖和外环受压桁架，斜柱下端通过2个铰接支点，连接于混凝土看台顶及7m标高平台。屋面覆盖系统采用拱支承式膜结构，覆盖PTFE不透明膜材。

主要的结构体系包括结构柱、外压环、径向索以及内环索。施加在屋盖上的荷载，通过径向索传递到外压环上。如果径向索的拉力增大，则意味着外压环的压力和内拉环的拉力均会增加。鉴于该工程径向索采用双索形式（图2）,其预应力分布、结构性能也具有明显的特别之处。

图2 屋盖结构剖面示意图

图3 拉索布置示意图

2）结构重难点

① 体育场屋盖采用轮辐式单层索网+拱支承膜结构，结构跨度244.6m，属同类结构世界最大跨度。轮辐式单层索网轻巧飘逸，富有韵律和力学美感，但其竖向刚度较弱、须施加巨大预应力等缺点制约了此类结构的运用发展，世界范围内采用此类结构的建筑屈指可数，加之临沂处于高烈度地震区，且风、雪荷载较大，结构设计困难重重。项目团队经过系统性调研，结合铜仁奥体双层索网、乐山奥体单双层组合索网结构设计经验，循序渐进、充分论证，确定了该工程体育场采用轮辐式单层索网这一超高难度结构体系的可行性，并通过参数化、精细化分析，理清了结构大变形对附属结构及连接构造的影响，保证了极端工况下结构安全性。

图4 结构整体三维模型

② 轮辐式单层索网结构刚度弱，竖向变形已超《钢结构设计标准》规定的位移限值。若将此类结构刚度提高，使变形满足规范要求，不仅拉索、外环受压桁架截面急剧增大，丧失柔性结构轻盈、用钢量省的优点，而且将导致施工张拉困难，结构无法实现。

《钢结构设计标准》对结构变形提出的限制性要求主要基于三点：

a.结构大变形可能影响人的主观感受，使人产生不安全感；

b.结构大变形可能导致附属结构与主体结构连接破坏；

c.结构大变形可能影响屋面排水。

该工程屋盖采用的大跨索膜结构，建筑尺度宏大，屋面高低起伏，外荷载作用下结构的较大变形不易被观众察觉，主体结构变形主要受附属结构连接安全性和屋面排水控制。为保证大变形下屋面安全及正常使用，需要落实：

a.膜结构自身受力满足规范要求；

b.钢弧拉杆拱与径向索、马道梁与内环索预留连接间隙能够满足相对滑动要求；

c.屋面排水顺畅。

分别针对膜结构及其与主结构连接、马道梁与内环索连接，建立了两类精细化结构模型。模型A：索膜整体模型，径向索与钢弧拉杆拱连接按上述滑动连接建模（图5）。模型B：内环索细分模型，为考察内环马道梁相对马道支座变形情况，将内环索按实际股数建模，从而将马道支座引入整体模型（图6），统计相邻马道支座的相对变形量。

通过使用以上两种精细模型分析，验证了索网变形超限情况下，膜结构自身及其与索结构连接的安全性。通过内环马道梁、支座间设置滑动连接，并使预留滑移量大于可能最大滑移量，保证了索网大变形情况下马道的安全性。

图5 含膜面的结构整体三维模型

图6 环索细分模型

③ 鉴于该工程径向索采用双索形式，在双索上的预应力分布容易产生不均匀现象，因此双索均采用一端可调，在制作过程中应严格控制双索长度偏差，并在现场通过调节装置消除两者长度偏差。

④ 结构张拉成形时，径向索力为3023~4504kN，最大索力位于角部的8/34/48/74轴，索力较大。为减少径向索锚固就位时的张拉力，该工程采用无支架整体牵引提升、高空分批锚固的施工方法：径向索分三批锚固，依次顺序为低区→中区→高区。由图2.16.7可见，低区和中区的径向索锚固张拉力远小于最终成形态的索力。

图7 张拉过程中索力变化图

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索结构施工

基于索网结构马鞍型的特点，采用整体提升，分批锚接的施工方案。将索网分为三个片区，分别为低区：轴号2、4、6、8及其对称位置，中区：轴号10、12、14及其对称位置;高区：轴号16、18、20及其对称位置。牵引提升过程中从低区到高区进行锚接，共分为11个工况，相邻分区交界处轴号8、14及其对称位置，不与其所属分区同时锚固，采取过渡处理（详见GK-5和GK-7）。索网施工步骤及相应的位形详见图9。

图8 索网分区示意图


a）GK1：索网结构整体地面拼装，牵引起始

b）GK2：整体牵引索网至脱离地面

c）GK3：牵引索网至半空

d）GK4：整体牵引提升，轴号2,4,6及其对称位置的索锚接

e）GK5：继续牵引，轴号8及其对称位置的索锚接

f）GK6：继续牵引，轴号10,12及其对称位置的索锚接

g）GK7：继续牵引，轴号14及其对称位置的索锚接

h）GK8：继续牵引，至高区牵引索长0.5m

i）GK9：继续牵引，至高区牵引索长0.2m

j）GK10：继续牵引，至高区牵引索长0.1m

k）GK11：继续牵引，轴号16,18,20及其对称位置的索锚接，结构成形

图9 索网施工步骤及位形图

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工程照片

图10 牵引过程

图11 张拉过程

图12 提升索网

图13 张拉成型

撰稿人：

东南大学罗斌、阮杨捷