上海八万人体育场罩棚改造：索承网格结构

上海体育场（Shanghai Stadium），又称“上海八万人体育场”，位于上海西南部要脉，是上海地铁4号线和内环高架路交汇处，1997年建成，是1997年中国第八届全国运动会的主会场，同时也是2008年奥运会的足球比赛场地、中国足球协会超级联赛球队上海海港足球俱乐部的主场。改造后的上海体育场采用索承网格结构体系，将从现有56000人的观众席规模扩展为72000人，并大大增加体育、娱乐的互动设施，成为全国建设标准最高的体育场之一。 

图1 上海八万人体育场

1）结构整体概况

体育场既有结构呈直径300m的圆型，最大标高70.8m，钢结构均呈现一个非常规的马鞍形，东西向高，南北向低，钢结构屋盖外轮廓尺寸约为285m×269m，既有建筑如图2a所示。为满足进一步实用需求，屋盖钢结构需在原悬挑65m的基础上，向内场增加16.5m的悬挑以满足看台被屋盖全覆盖的要求，总悬挑跨度达81.5m。

屋盖钢结构的悬挑延展采用增加轮辐式索承体系的方案：利用原结构为了降低径向桁架计算长度而“构造性存在”的中一环，通过增加局部杆件，形成一个闭合的受压环桁架。同时，在原结构内环桁架下方设置一圈环索，环索顶部设置V字形飞柱，V柱的外肢与原结构相连，形成一道道封闭的力流。V柱内肢支承新增的悬挑构件，从而实现新增16.5m的悬挑，如图2b所示。

a）既有结构

b）施工完成后的钢结构屋盖

图2 上海八万人体育场改造工程三维模型

径向索和环向索均采用密封索，其中环索由4根拉索并列构成。索体弹性模量1.60× 10 ⁵ MPa，钢丝抗拉强度等级为1570MPa，防腐形式采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层。索头与环索连接端为热铸锚叉耳式U型连接件，张拉端为冷铸锚通过锚头螺杆的球型螺母连接。索头承载能力应不低于索体承载力。所有销轴采用40Cr，标准参考《合金结构钢》（GB/T 3077-2015）。

2）结构设计技术创新

上海八万人体育场既有结构为钢管悬臂桁架体系，主要包含32榀径向桁架和4圈环 向桁架。屋盖整体成非对称马鞍造型，东西向高南北向低，同时屋盖东、西侧最高点间存在较大高差。为尽可能降低新增悬挑部分对原结构的影响，减少原结构加固量，采用了在原结构上新增轮辐式索承体系的方案，方案的优点在于：a.最大化的利用原结构中受力较小的杆件；b.通过拉索的布置，将新增的16.5m悬挑部分重量降到最低；c.通过径向索将增加的重量向径向桁架根部传递，缩短了传力路径，从而降低对原结构的加固量。

索系的布置方式如下：

① 径向索平面布置：沿着既有结构主桁架方向；

② 环索平面布置：为尽量减少环索长短轴的比值，使环索索力更为均匀，在设计中将环索的找形目标定义为长短轴尽量接近的椭圆（高区的V柱外肢铅直、低区的V柱内肢铅直），这样的调整也更有利于低区新增大屏的布置。

③ 环索标高布置：根据建筑视线和结构受力需求，明确了高点和低点的环索标高，高低点之间的环索标高按余弦曲线确定。

基于上述确定的索杆系空间位形，采用力迭代法获取索杆系预应力分布。

上海八万人体育场作为改造项目，原屋盖使用了20余年，内环桁架和外环桁架处，存在部分的锈蚀（锈蚀量约10%~20%左右），在设计中将上述锈蚀进行数值量化后，引入到了计算模型中进行了截面修正。

改建后既有结构受荷大幅增加，因此需对既有结构进行加固，加固包含构件的加固和节点的加固。最终确定了相关的加固方案：

① 对于承载力不足的杆件，按强度不足和稳定不足分别进行加固，加固均采用了外包套管进行，区别在于稳定加固的外套管不伸入节点区域；

a) 强度不足	b) 稳定不足

图3 杆件承载力不足加固

② 对于相贯节点承载力不足，根据不同的类型和后续承载力需求，选择了碳纤维加固、鞍板加固、外包钢骨骼、外加劲肋加固等多种加固形式。

a) 碳纤维加固	b) 鞍板加固
c) 外包钢骨骼加固	d) 外加劲肋加固

图4 相贯节点加固形式

此类加固方式在现行规范中均未有涉及，经过大量的理论分析和足尺试验进行验证，结果表明，相关的加固措施均能够满足结构改建后的使用安全性要求。

1）施工技术创新

① 为尽可能降低结构带载加固的影响，上海八万人体育场改造施工提出并成功应用了一种“分区同步顶撑卸载”的施工技术，对既有结构加固施工分回顶—加固—落架三大步进行，成功保障了既有结构加固全过程的安全，并为后续新增悬挑体系的施工创造了条件。

② 针对主体结构的改造主要有既有结构的加固、新增索杆系的安装与张拉及新增悬挑梁的安装，三者相互影响，且最终成形的结构形态与三者施工顺序密切相关。施工中量体裁衣的采用了二阶段张拉施工方式，避免了张拉施工中受力繁琐的“拉压胎架”，实现了更优的施工经济性和便捷性。 

③ 既有结构形态不规则，使用历时时间长，刚度状况较为复杂，有限元模型分析计算与实际结构存在一定差异。为合理地进行拉索的张拉，在理论分析的基础上分多阶段进行拉索张拉施工的模拟，同时实时监测既有结构变形、索网线形及索力值，修正分析模型，指导下一阶段的拉索张拉。

2）施工方案的总体思路

① 采用支撑杆和千斤顶对既有结构进行部分卸载；

② 对既有结构的构件和节点进行加固；

③ 对支撑杆进行卸载；

④ 安装径向索、环索及外撑杆，并进行第一阶段张拉（张拉力约为目标索力的30%）；

⑤ 吊装悬挑梁和内撑杆。

⑥ 对索网进行第二阶段张拉（张拉力达到目标索力的100%）。

具体施工步骤如图5所示。

a) 顶撑架布置，采用支撑杆和千斤顶对 既有结构进行部分卸载	b) 加固施工脚手挂架拆除后荷载布置图
c) 对既有结构的构件和节点进行加固	d) 对支撑杆进行卸载
e) 安装径向索、环索及外撑杆，并进行索网第一阶 段张拉（张拉力达到目标索力的30%）	f) 吊装悬挑梁和内撑杆，并进行索网第二阶段 张拉（张拉力达到目标索力的100%）

图5 施工流程示意图