索结构典型工程：卡特尔教育城体育场索承网格结构罩棚

卡塔尔教育城体育场是卡塔尔2022年第一个获得全球可持续发展评估系统（GSAS）五星级设计和建造评级的比赛场馆。其设计极具伊斯兰建筑风格，内部使用了环境友好型材料和节能的LED照明系统。建筑灵感源自“钻石”，采用了镶嵌细工的几何立面，照射到阳光时颜色会发生改变，被誉为“沙漠中钻石”。体育场内部由三层看台组成，可容纳40000名球迷同时进场观赛。卡塔尔教育城体育场屋盖平面投影为类椭圆形，南北方向约为225m，东西向约为196m，最大悬挑长度为55m。屋盖挑蓬采用了索承网格结构。

图1 卡塔尔教育城体育场

1）结构整体概况

根据建筑造型、空间使用功能和视觉美观要求，结合结构受力特点，体育场屋盖结构的挑蓬采用了轮辐式索承网格结构，体育场结构的整体三维轴测图见图2。

a）上部主要钢构件（径向主梁、撑杆等）	b）上部次要构件（普通檩条）
c）外压环梁	d）索杆体系（径向索+环索）
e）结构柱与柱间交叉撑	f）挑蓬部分结构三维轴测图

图3 结构各部分三维轴测图

卡塔尔教育城体育场的结构组成较清晰简单，可简要分为以下几个部分：结构柱，外压环梁，索杆系，上部主要钢构件，上部次要钢构件。索杆系由径向索、环向索、撑杆构成，其中径向索为一段直线布置，共有56榀；环索成空间曲线，45度角处标高高于短轴和长轴处，平面投影成环形。通过在径向索和环索中施加预应力，平衡上部网格的重量。将原结构拆分显示，各部分的三维轴测示意图如图3 所示。

2）结构设计与施工的主要创新技术

①索网的牵引提升以及工装下拉索的张拉

在索网牵引提升时，结构仅包含钢立柱，外压环梁以及索网。在牵引张拉之前，拉索处于松弛状态，不具备结构刚度，存在超大机构位移和拉索松弛。施工阶段静力平衡态下的索杆系位形与结构成形状态的差异大。另外，由于柔性拉索仅能受拉，不能受压和受弯，因此施工过程中部分或者全部拉索还会处于松弛状态，由于存在超大位移且包含机构位移和拉索松弛，采用针对常规结构的线性静力有限元分析已无法实现。

该工程仿真分析采用确定索杆系静力平衡态的非线性动力有限元法[3]。该方法基于非线性动力有限元，通过虚拟动力过程获得动能峰值点来更新位形，经多次迭代达到静力平衡。通过建立结构整体非线性有限元运动方程，结构整体同时振动，动能峰值具有结构整体性，分析稳定，并通过系列措施可提高其分析效率，最终实现了对索网的牵引提升以及工装下拉索的张拉的精确有限元分析。

②结构的外压环梁零状态安装位形分析

卡塔尔教育城体育场对施工的精度要求很高，为了达到较高的施工精度，需要确定合理的误差控制目标，否则，不仅设计成形的目标难以实现，甚至可能会存在安全隐患。

该工程通过独立误差和耦合误差的影响分析，确定施工误差的控制指标。

结构外压环梁需要建立预压应力，因此，钢结构的安装位形并不等同于设计初始位形，需要进行零状态安装位形分析。分析中，柱间交叉撑的存在会影响结构的变形，进而影响零状态安装位形，工程对比分析了柱间交叉撑和横撑先装、后装两种情况，最终确定正确的安装顺序。

③安装并张拉下拉索时的外压环梁稳定性

屋盖钢构安装前，结构构成只有外压环梁、结构柱，后续提升索网和张拉工装下拉索。另外，结构柱的上下端均为铰接。因此，此时的结构稳定性较弱，在施工中为了保证结构

安全，需要对结构做额外加强，于是，建立四种分析模型，确定了合适的结构加强方式。

最终通过实现了无支架施工，显著改善了工作条件，加快工程进度，节省支架的费用。

该工程结合索承网格结构的受力特点以及卡塔尔教育城体育场的现场施工条件，采取无支架施工方案，这不同于传统胎架施工方法，不仅对结构设计要求高，还要求对应的施工流程，这对施工过程计算分析的要求也高。

施工的总体思路为：首先安装钢立柱以及外压环梁；接着将径向索以及环索在看台上铺展开并安装索夹；然后牵引径向索，将索网提升至高空，并将径向索与外压环梁连接；之后在环索索夹节点上安装工装下拉索，并与地面连接，并将索夹向下拉至设计标高；接着开始原位吊装网格结构分块（含撑杆），同时调整工装下拉索索力，使环索索夹节点保持在设计标高；待屋盖网格结构吊装完成，卸除工装下拉索；最后安装屋面、马道等。

第一步 安装结构柱	第二步 安装柱上环梁
第三步 在看台上铺设索网
第四步 安装牵引索并提升索网
第五步 安装并张拉工装下拉索，使得环索节点处于设计标高（即竖向位移为0）
第六步 安装上部钢结构与屋面，同时调整下拉索，使得环索节点处于设计标高（竖向位移为0）
第七步 卸除下拉索，结构成形

图4 施工步骤示意图