索结构典型工程：三亚市体育中心体育场轮辐式索桁架罩棚

三亚市体育中心体育场是亚洲沙滩运动会主会场，位于三亚市吉阳区，定位为甲级大型体育建筑，总建筑面积约8.8万平米，观众坐席数4.5万座。体育场结构由下部混凝土结构和上部钢结构罩棚组成，南北和东西方向的外轮廓最大长度分别为305m和270m。钢结构罩棚外轮廓为不规则的倒角五边形，最小和最大边长分别为162.4m和262.8m；中心开口为四段圆弧组成的四心圆，长轴和短轴尺寸分别为171.8m和134.0m；罩棚最高点标高为46m。

体育场钢结构罩棚支承于外围钢结构，悬挑长度为45m，为满足建筑造型要求，采用轮辐式索桁架，上覆膜结构。屋盖结构与外围钢结构的交界（即索膜结构外边界）为与罩棚中心开口相似的四心圆，长轴和短轴分别为224.0m和261.8m。

图1 三亚市体育中心体育场

三亚市体育中心体育场的钢结构罩棚由屋盖结构和外围钢结构组成，其中屋盖结构包含轮辐式索桁架和膜结构屋面两部分，如图2、3所示。

图2 三亚市体育中心体育场结构组成

图3 结构平面图

轮辐式索桁架结构由52榀索桁架组成，索桁架外端与外围钢结构连接，内端与环索连接，上、下环索之间设有交叉索。图4所示为该项目轮辐式索桁架屋盖结构的组成示意及各主要构件的规格，图5给出了包含下部结构在内的体育场结构典型剖面图。

图4 体育场屋盖结构组成及主要构件规格

图5 体育场结构典型剖面

该项目采用的轮辐式索桁架结构在很多项目中得到过成功应用。对于此类结构，风荷载通常是其设计中的控制因素，而该项目地处强台风频发的热带地区，重现期100年的基本风压达1.05kN/ m ² ，这给体育场屋盖结构设计带来了极大挑战。在该项目设计中采取了一 系列措施，来保证屋盖索结构的安全性、经济性和使用功能的实现，主要包括：

1）结构体型优化

在最初的设计方案中，建筑师拟基于凹型索桁架（图6a）来确定屋盖体型。尽管凹形索桁架在许多项目中得到过成功应用，但在该项目的风荷载作用下，其刚度无法满足设计要求。分析表明，将索桁架的形式由凹形改为凸型（图6b），在同等的构件规格、预应力水平和外荷载下，后者的变形相比前者减小33%，可以满足安全和使用功能的要求。因此，将屋盖体型由凹形改为凸型，在不影响总体建筑造型的前提下，大幅提升了结构刚度。

         

         

a) 凹型索桁架    b) 凸型索桁架

图6 体育场屋盖结构体型优化

2）CFRP碳纤维索的使用

风荷载引起的变形是该项目屋盖结构设计的控制因素。在上、下环索之间设置交叉索，可显著提高屋盖结构刚度，减小风致变形。关于交叉索对屋盖结构受力的影响，分析表明：①很小的交叉索轴向刚度（EA）即可显著提高结构刚度，EA增大对提高结构刚度的作用不明显；②EA越大，风荷载在交叉索内引起的内力越显著，需要采用的索径越大（即更大的EA），导致恶性循环的发生，而较大的交叉索索力会引起可观的环索索夹不平衡力，最终导致索夹体积增大。通过采用CFRP碳纤维索作为交叉索（图7），充分利用其低弹性模量和高强度特征，即以低弹模（E）与高强度带来的小截面积（A）共同实现更小的EA，由此解决了提高整体结构刚度和减小环索索夹不平衡力之间的矛盾。

图7 CFRP碳纤维交叉索

3）新型索夹铸钢材料的使用

索夹节点重量占整个索膜结构自重比例较大，对受力性能和经济性影响显著。常用结构铸钢材料G17Mn5、G20Mn5的屈服强度最大仅为300MPa，且铸件厚度大于100mm的情况缺乏相关力学性能参数，无法满足设计需求。该项目采用G10MnMoV6-3铸钢作为索夹节点材料（图8），其屈服强度较传统材料提高33%，大幅减轻节点重量，获得了更高的承载力。

         

         

图8 G10MnMoV6-3铸钢索夹节点

4）新型膜拱节点

PTFE膜结构由拱支承，拱脚间设置平衡索。大多数工程将支承膜的拱脚设计为与径向索之间可相对滑移，与主体结构相对独立工作。该项目为提高凸型索桁架的稳定性，设计了拱脚与径向索拉结的新型节点，如图9和图10所示。节点的径向索夹带有圆柱凸台，圆柱凸台设中心孔。拱的竖向反力通过拱脚端板传递给凸台。高强螺杆穿过凸台中心孔，通过凸面螺帽固定，实现拱平衡索与上径向索的可靠连接，对上径向索提供平面外支撑，提高凸型索桁架的稳定性。拱脚端板的弧面凸台以及固定螺杆的球面螺帽、球面垫圈可以实现拱脚转动，并能避免结构变形引起的螺杆受弯。该节点传递竖向力和水平力的路径明确、传力可靠、转动能力强，并且方便安装。

图9 膜拱体系示意图

图10 膜拱节点分解图

1）总体施工顺序

该项目索结构总体施工顺序为：

①低空无应力组装：在地面进行拉索的组装；

②空中牵引提升：通过工装索牵引提升径向索，使整个索结构提升至高空；

③高空分级同步张拉：在拉索提升过程中，索头达到锚固点时进行索的锚固。

2）索结构施工详细步骤

①在地面和看台上组装上环索和上径向索；在上径向索和外环梁之间安装上牵引工装索及其牵引千斤顶；

图11 索结构施工第一步

②上径向索和上环索提升约17m高，组装部分撑杆、下径向索和下环索，另外安装下牵引工装索及其牵引千斤顶，连接下径向索和外压环；

图12 索结构施工第二步

③继续牵引上/下径向工装索，协同提升整个索结构，直至将上径向索与外压环锚接；

图13 索结构施工第三步

④继续牵引下径向索，安装次外圈撑杆；

图14 索结构施工第四步

⑤继续牵引下径向索，安装最外圈撑杆；

图15 索结构施工第五步

⑥继续牵引下径向索，将下径向索与外压环锚接。

图16 索结构施工第六步