摘要：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。...
【摘要】西安国际足球中心主体屋盖结构采用外围刚性环壳支撑的大开口正交索网结构。 其设计完全符合建筑造型的几何形式。
索网顶由外压环、承重索、上下层稳定索、内拉环和折叠膜组成。 通过找形工作，得到了合理的索网形状。 由于屋顶形状复杂，进行了风致飘雪试验和数值风试验。 隧道试验和物理风洞试验，屋顶电缆全部采用进口全封闭电缆，屋顶膜材料为以玻璃纤维为基布的PTFE涂层固体膜材料。 内环索网结构为自锚固系统，施工张拉阶段与外环网架的连接支撑采用滑动轴承，消除拉力对外环网架的影响。
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，顶板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。 根据索网结构的内力分析结果和构件的重要性，建立了屋面结构的健康监测系统。
1 项目概况
西安国际足球中心位于沣东新城中央商务区，大西安新中心新轴线以东，复兴大道以东，科园一路以西，科通三路以北，足球场位于科通四路以南，总建筑面积约25万平方米，总容量约6万名观众，可容纳国际顶级足球赛事和国内顶级联赛，以及专业青少年足球训练和体育交流、商业演出、大型综艺晚会等，是世界一流的专业体育场馆。 足球场。 项目完成效果图如图1所示。
图1 渲染图
2 结构系统 2.1 结构系统组成
西安国际足球中心由地下混凝土结构、地上钢结构、钢屋盖组成。 混凝土结构采用钢筋混凝土框架结构和防屈曲支撑（BRB）结构体系。 屋顶主体结构采用大开口正交索网结构，周围刚性环壳支撑，其设计完全符合建筑的几何形状。 主体结构纵剖面如图2所示。
图2 主体结构纵剖面示意图
屋顶结构平面上呈圆角矩形，尺寸约为295.6m×250.6m。 屋顶结构分为刚性和柔性两部分。 外刚性屋顶结构的外表面为外低内高的空间不规则曲面。 内环柔性索网屋顶是基于建筑师“马鞍形曲面”的设计理念。 外形尺寸约为203.0m×178.6m，鞍面高差约为23.5m。 柔性索网顶部分内环双向尺寸约为115.0m×92.4m。 屋顶主要几何尺寸如图3所示。
在屋面刚性系统与柔性索网的交汇处设置环形桁架，使其具有足够的刚度和承载能力来支撑内部索网系统。 通过设置索结构压环，使内环结构形成自锚结构（见2.3节），提高结构的整体效率，减少施工误差、温度效应、地震效应对结构的负面影响。大跨度柔性缆网结构。 图4为屋面钢结构三维示意图。
外刚性屋面空间网壳系统支撑在68根钢混凝土柱顶上，柱顶装有成品球铰轴承。 南、北两侧均采用双排柱支撑，东西两侧部分采用单排柱支撑，详见2.5节。
2.2 屋面结构体系选择
结构系统的发展基于建筑师最重要的折叠语言。 折叠语言形成了具有体积和秩序的建筑元素，折叠系统成为结构的一部分，体现了结构所实现的建筑之美。 此外，折面系统在屋面排水方面显示出独特的优势。 传统的马鞍形膜屋顶需要在内环和外环之间额外设置排水管。 排水路径曲折，影响建筑效果。 但在折面系统中，雨水可以通过折面结构直接排至外环，排水路径较短，对屋面效果几乎不产生影响。
屋顶选择流程如图5所示。
图5 屋顶选择流程
步骤1：根据建筑物的几何关系，将折面间距设置为6m，折面材料为PTFE膜结构。
第二步：在折叠面的三个顶点设置南北向拉索（三根拉索均呈向上弯曲姿势，均为稳定拉索），确保折叠面受力。 三根稳定缆和折叠膜形成南北向的三弦桁架。 上稳定索形成膜结构的谷索，下稳定索形成膜结构的脊索，有效提供膜结构的空间刚度。
第三步：将上部承重索垂直设置在上部稳定索之间，形成整体的受力系统。
上、下索网由内拉环相交，上承重索和稳定索由外压环相交，下稳定索通过悬臂梁与外压环连接。 这样，整体结构体系就形成了空间联系有效、受力合理的索网系统，如图6所示。
图6 整体有线网络系统
悬臂梁结构如图7所示。
图7 悬臂梁结构
2.3 内圈索网自锚固系统
本项目中，外压环与索网通过找形形成封闭的自锚固系统，并通过支架与外环网壳连接。 施工张拉过程中，支座释放水平平移自由度，张拉完成后锁定，由滑动支座变为固定铰支座，消除了拉力对外侧刚性结构的影响。施工阶段的环。
针对内外环结构的连接形式，在相同荷载条件下，比较了施工阶段全固定铰支座和滑动支座对支撑屋面系统的框架柱的影响。 如图8所示，对支撑屋顶的68根框架柱进行了编号，并给出了两种支撑方案的柱平面内和柱平面外的弯矩变化值。 与施工阶段的滑动支撑相比，固定铰支撑方案大部分框架柱的面内、面外弯矩增大，少数减小，且弯矩增大明显，高达5000kN左右·米。 可见，内环索网自锚固系统对于改善外环刚性结构受力效果显着。
图8 施工阶段全固定铰支座与滑动支座相比框架柱弯矩变化
2.4 屋顶结构找形
通过整体力学找形确定内环索网的几何形状和结构预应力状态。 找形的主要目的是调整上下索网的预应力分布，使屋面系统自重完成时外环弯矩最大化。 尽可能小； 通过调整内环，最大限度地减少正交电缆网络造成的电缆夹的不平衡力； 通过调整悬臂梁的高度和上下稳定索的预应力分布，形成有效的索桁架形状； 通过调整承载索的预应力分布，平衡上下稳定索的内力。
由于内索网为自锚固系统西安钢结构设计，需要尽可能减小索网外压环的弯矩，使得索网外压环的内力主要为轴向压力，从而提高材料利用效率。 因此，需要通过调整索网的预应力分布和形状来优化外压环的弯矩分布。
图9为优化前后外压环弯矩分布图。 通过索网找形优化，最大弯矩由4379kN·m降低至1094kN·m。
图9 外压环找形优化前后弯矩分布/(kN·m)
本项目屋面结构采用内环开口正交索网系统。 由于内环的开口会对索夹产生较大的不平衡力，因此如何最小化不平衡力成为机械找形的关键。 图10是内环电缆夹的不平衡力示意图。
图10 内环电缆夹不平衡力调整原理
索夹两侧内环索力分别为S1和S2，不平衡力ΔS可由式（1）计算。 对于完成状态下20000kN的内环索力，只需将环索夹角度调整至约1.18°即可将ΔS减小25%。 由于系统本身的特点，这种调整并不能完全消除不平衡力，而只能在一定程度上减弱不平衡力。 这种完全隐形的调节可以直接将不平衡力降低到1300kN左右。
式中：ΔS为不平衡力； S1为内环拉索的力； γ为正交拉索与内环拉索之间的夹角； R是正交缆索的力； α为内环索间夹角。
2.5 屋顶竖向和侧向抗力支撑系统
钢筋混凝土柱是屋盖整体结构的承重系统，同时也是屋盖系统的抗侧力系统。 柱子延续到下部混凝土结构中，将屋顶支撑框架柱与下部看台结构的抗侧力系统结合起来，有效提高了整体屋面抗侧力系统的可靠性和冗余度。 外环屋顶结构东西两侧为单排柱，南北两侧为双排柱。 横截面如图11所示。
图11 屋顶剖面图
由于钢混凝土柱为悬臂柱，作为主要抗侧力构件西安钢结构设计，柱顶应尽可能采用固定铰支座，与屋盖形成整体抗侧力系统，减少由梁传递过来的弯矩。屋顶到框架柱。
3、负载选择
所有结构构件的自重由程序自动计算，结构构件的容重增加5%以考虑节点和连接板的自重。 其他荷载包括径向索头荷载、内索铸钢节点荷载、周向马道荷载、幕墙荷载、马道照明及设备活荷载、不可到达屋面活荷载、雪荷载、温度效应、风荷载和地震效应。
本工程屋盖结构复杂，对雪荷载和风荷载敏感。 为此，专门开展了风致飘雪试验、数值风洞试验和物理风洞试验。 测试模型如图12、图13所示。雪压、风压周期为100年。
图12 风致雪飘试验
图13 风洞测试
风致飘雪试验考虑无风状态下的自然降雪和自然降雪后的风致飘雪两种情况。 结果表明，在0°~180°风向范围内，相对于无风状态，雪荷载分配系数受风荷载影响。 所有情况下气温都有下降，因此无需考虑风雪飘移的影响。
风洞试验采取了36个不同的风向角度，计算了屋盖结构形状系数、风振系数和节点平均风荷载。 测试结果表明，在40°、130°、220°、310°等风向，屋顶迎风区域出现正压，其他区域和其他风向的屋顶主要呈现出特征的风吸力。 其中0°、90°、180°、270°工况下吸风力更大。
由于结构体系为对称结构，因此采用0°、40°、90°、130°、180°5个不利风向角对屋面结构进行风荷载分析。 计算模型的风荷载是根据风洞试验结果确定的。
4 材料及主要组成部分
外刚性网壳材质为Q355C。 屋顶由树形柱支撑在下部钢混凝土柱的顶部，可以最大限度地减少柱位置对屋顶网格划分的限制。 根据受力情况，树形柱采用Φ400×20至Φ600×25的圆钢管。 格壳棒的规格范围为Φ219×6至Φ800×40。
内环索膜系统外压环材质为Q390C。 为便于安装和加工，外径统一为1500mm，壁厚为55~60mm。 某些部分需要内部加强板，见图 14。
图14 压环梁内部加强板
电缆全部采用进口密封钢丝绳。 其电缆夹防滑能力、电缆夹压力能力、防腐能力、抗疲劳强度均优于螺旋电缆。 钢丝抗拉强度标准值不小于1570kN/m²。
上部承重索直径为65~100mm，上部稳定索直径为50~90mm，下部稳定索直径为45~60mm，均为单索。 内拉环为6根95mm电缆。
所有电缆夹均由 Q390C 钢加工而成，详见第 7.1 节。
屋顶膜材料采用以玻璃纤维为基布的PTFE涂层（双面FEP密封）固体膜材料。 23℃时要求的拉伸强度：经向≥8000N/5cm，纬向≥7000N/5cm，75℃和-10℃时拉伸强度测试值不小于23℃时拉伸强度的85% ℃。
图5 屋面弹性计算结果
本项目设计采用SAP2000和SOFISTIK计算软件对内圈索网模型、整体屋顶模型和足球场整体模型进行分析，保证了分析结果的可靠性。 三种模型的三维示意图如图15所示。
图15 分析模型
各模型主要分析结果如表1所示：
表1 三类模型主要分析结果对比
图16为足球场整体模型的前3种振动模态，均为内环索网的竖向振动。 外环结构作为索网支撑时，刚度比内环索网的固定铰支撑小，因此自动振动周期较大，混凝土结构模型的添加对结构影响较小。索网支撑的刚度。 因此，整体屋顶模型和整体足球场模型的自振周期比较接近，这也反映了真实状态下的结构动力特性。
图16 足球场整体模型第一三阶振型图
为了统一表述，表1中结构的竖向位移为张拉完成后恒载状态下索网内环相对于索网外压环的竖向位移。 表1中的索力是各组合工况下的包力。 网络电源。
从表1结果可以看出，三类模型的竖向位移和最大索力非常相似，结构模型可靠，索网竖向位移满足《空间网格技术规程》 《电网规范》（JGJ7-2010）（简称《电网规范》）。 ) 屋顶正常使用极限状态的限制。
整个模型中最大索力分布如图17所示。最大索力出现在短方向的承重索上。 选用最大索径95mm，安全系数2.2>2.0，满足《索结构技术规程》（JGJ257-2012）要求。
图17 正交索网索力分布图/kN
整体模型分析得到的外圈刚性网壳应力比如图18所示，最大分量应力比为0.89。
图18 外环刚性网壳应力比
另外，网壳在1.0恒载+1.0活载条件下的最大竖向位移为-195mm，发生在悬臂尖端，对应挠度为1/410。 整体格壳具有足够的强度和刚度，为内环索网提供足够的支撑。
基于上述比较结论，索网强度分析采用内环索网模型，顶板动力分析采用整体顶板模型。 可以获得更准确的分析结果，并且可以大大降低计算成本。
6 屋盖结构双非线性稳定性分析
结构整体的初始几何缺陷是影响结构非线性行为的因素之一。 在当前的先进结构分析中，往往根据最不利的缺陷分布来考虑它们的影响。
由于该结构由自成体系的空间桁架组成，因此分析中不存在明显的整体失稳模态。 本节将根据电网规定，通过荷载-位移全过程分析方法计算整体结构的稳定性和极限强度。
分析中引入初始缺陷后的结构荷载位移全过程分析依据网格规范4.3.3的规定。 选择结构的最低阶屈曲模态作为初始几何缺陷，选择跨度的1/300作为最大缺陷计算值。
该分析使用屋顶的整体结构模型，考虑几何非线性和材料非线性。 结构的自重、附加恒载、雪荷载逐渐增加。 将达到结构极限临界点时的荷载视为稳定极限承载力，将1.0恒载+1.0雪荷载的标准值组合设定为稳定许用承载力。 从许用承载力到极限承载力，荷载增量的倍数就是安全系数K。
根据电网规定，整个过程基于弹塑性分析，结构安全系数应大于2.0。
图 19所示为顶板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，大于规范极限。 因此，可以认为屋盖结构具有足够的整体稳定性。
图 19 顶板荷载位移曲线
7 关键节点设计 7.1 内环电缆夹节点
本项目内环电缆夹的所有部件均采用机械加工成型，避免了传统铸造电缆夹重量大、脆性高、缺陷多等问题。 同时，使用额外的电缆夹来增加节点对电缆故障的抵抗能力。 平衡力量的能力。 如图20(a)所示，内环电缆夹主要由耳板、电缆槽板、盖板和附加电缆夹等机加工部件焊接而成。 图20(b)所示为节点有限元分析结果。 可以看出，电缆夹仅在局部焊接位置出现应力集中，整体应力状态良好。
图20 内环电缆夹模型及分析结果
7.2 压环支撑
如前所述，内环索网压环通过支架与外环结构连接。 支架在施工、张拉过程中可水平方向滑动，施工完毕后固定。
图21 滑动支座施工阶段示意图
图21显示了支撑的基本形式。 张拉前，通过施工模拟分析，计算出各支撑在初始状态下的偏移量，并通过限位垫对偏移支撑板进行定位。 施工过程中，逐步拆除支架的限位垫，让每个支架在预先设计的位移下有序滑动。 张紧完成后，各支撑件返回中心位置并锁定。 通过这个过程，消除了内环缆网的张力。 拉动过程中支撑件产生的位移。
7.3 压环支撑牛腿
压环支撑和外环刚性结构通过专门设计的牛腿节点连接。 通过在牛腿锥管内、周杆上增加加强筋，增强了牛腿平台板的刚度。 图22所示为牛腿接头位置及有限元分析结果。 从图22可以看出，加固牛腿接头的整体应力水平满足设计要求。
图22 压环支架牛腿接头位置及分析结果
8 屋顶健康监测
由于屋面结构复杂，实践中难免出现偏差，因此对屋面的施工过程和长期工作状态进行监测并进行故障预警。 健康监测工作时间从钢结构安装至工程竣工验收至少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、变形监测和振动监测。 外围钢格壳卸载过程中，实时监测树形柱受力状态、内圈位移变形、支座位移角。 卸载后，数值与设计计算值吻合较好。
索结构达到成型状态后，磁通法测得的索力实测值与设计索力结果差异在5%以内，垂直方向实测值差异在5%以内。位移与设计计算值在30mm以内，施工精度高。 缆索力传感器的位置如图 23 所示。
图23 拉索力传感器点位图
9 结论
（1）西安国际足球中心主体屋盖结构采用外围刚性环壳支撑的大开口正交索网结构。 其结构选择完全符合建筑造型的几何形状。
(2)屋面结构找形过程清晰可靠，达到了预期的设计效果。 通过合理的机械找形，有效降低受力不平衡带来的风险。
（3）内环索网采用自锚固系统，施工张拉阶段与外环格壳的连接支撑采用滑动轴承，有效消除了拉力对外环格壳的影响。
（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，屋盖关键节点设计满足规范要求。
(5)本工程的设计经验表明，体育场馆屋盖采用自锚固结构体系的设计，可以有效减少结构构件中预应力产生的附加内力，降低构件和节点的设计难度，提高结构强度。项目的经济效益。
