索结构典型工程：苏州奥体中心游泳馆马鞍形正交单层索网屋盖

苏州奥体中心游泳馆的建筑面积4.7万m2，约3000个座位。游泳馆有两个50×25m的标准游泳池，可容纳3000人。游泳馆采用马鞍形屋面形式，屋盖跨度约107m，马鞍形高差10m，采用马鞍形正交单层索网结构，在满足高强度要求的同时又不失其轻盈的身姿。主体结构由V形结构立柱、马鞍形环梁、承重索和稳定索、刚性屋面及幕墙构成。索网屋面支承于外侧的受压环梁之间，索网结构屋面采用刚性屋面结构，结构的外侧为整个游泳馆的幕墙。施加在屋盖上向下的力由承重索承担，而风吸力等向上的力由稳定索承担，稳定索与承重索构成自平衡的预应力体系。

图1 苏州奥体中心游泳馆

1）索结构体系组成

游泳馆由地上四层看台结构及钢结构屋盖组成，看台的抗侧力体系为混凝土框架-剪力墙结构。钢结构屋盖在三层12.0m标高处设置铰接柱脚，自成平衡体系。混凝土看台高度15.6m，钢结构屋盖高度32.0m。游泳馆剖面如图2所示。

图2 游泳馆剖面图

游泳馆的屋盖是基于马鞍形曲线的设计构思发展起来的正交单层索网结构，屋盖外边缘环梁为正圆形，直径107m，马鞍形的高差为10m，游泳馆屋盖主要几何尺寸如图3 所示。

屋盖结构形状的几何形成过程如下：

①在标高12.0m处均匀布置柱脚支座，在平面上围成一个直径83.9m的圆形平面；

②在标高27.0m高度处，设置一个直径为107m的受压环2；

③将受压环的Z向坐标根据余弦曲线变化形成马鞍形：受压环Z向坐标Z(φ)=5cos(φ)+27m，其中φ为受压环坐标点平面投影与中心点连线和Y轴夹角，0<φ≤2π，如图4 所示。

图3 游泳馆屋盖平、立面图

图4 屋盖结构几何形成过程

游泳馆屋盖结构主要由三个部分组成：直立锁边屋面体系，主体结构V形柱+外环梁+索网，外幕墙格栅体系。

正交单层索网结构体系的设计思路来源于网球拍的受力原理，外压环是网球拍的外框，而索网则是网球拍的网状结构。预应力索网与受压环梁形成自锚体系，索的拉力使受压环梁产生压力，如图5 所示。10m高差的马鞍形进一步提高了屋面结构的刚度，稳定索矢跨比1/38，承重索矢跨比1/15，承重索和稳定索均为双索，各31对，间距3.3m，在双向正交索网层的交汇点处设置索夹具，以连接上下预应力钢索。

图5 屋盖受力原理

承重索和稳定索各31对，共124根索。为了保证和屋面板的连接，以及减少索的直径以方便张拉，所有索均采用双索设计，每根索公称直径为Φ40mm，索的类型为螺旋钢丝束。对钢索进行防腐处理，内层采用热镀锌连同内部填充，外层采用锌-5%-铝混合稀土合金镀层。

2）结构重难点

该工程索网结构为马鞍形空间三维曲面，环梁投影为107m圆形，马鞍形高低点高度差10m；承重索和稳定索均采用双索设计，施工牵引、张拉难度较大；索夹数量多，总重约40t。

该工程在设计和施工过程中存在以下问题：

①高应力状态下密封索防腐蚀性能无法预测，缺少适应高效建造、轻巧可靠的新型索夹节点。

②缺少高精度成型的绿色建造成套技术。大跨空间结构的传统施工方法、控制标准及其过程分析方法不再适用于单层索网。

3）采用的创新技术

针对该工程的上述关键问题，系统深入研究结构体系、索夹节点、施工等创新技术，形成大柔性轻型单层索网结构设计与施工成套应用技术。

①高腐蚀和高应力条件下密封索抗腐蚀试验和寿命预测；

②适于高效建造的施工中依次夹紧双向拉索的索夹节点改进新型索夹在高强螺栓上增设中间螺母，并在中、顶板间设凹槽。先组装底、中板和承重索并拧紧中间螺母，后安装稳定索和顶板并拧紧端头螺母，此时中间螺母自动失效。该索夹是实现正交单层索网在高空组网的重要技术支撑之一；

图6 索夹节点三维模型

③符合施工过程的拉索-索夹组装件抗滑移承载力精细化试验方法；

④适用于正交式单层索网安装的无支架高效施工方法——高空溜索法；

图7 正交式单层索网无支架高空溜索方法

⑤仿真柔性索网施工过程的精细化分析方法。包括：确定索杆系静力平衡状态的非线性动力有限元法：跟踪分析确定各施工步骤的工装索长度、牵引力和位形等重要参数；基于正算法的零状态找形迭代分析方法：在每次位形迭代中都顺施工过程分析，相比反算法具有普遍适用性，对复杂施工能得到正确结果；

⑥确定施工控制标准的耦合随机误差分析方法。索长、张拉力和外联节点坐标耦合随机误差影响分析方法：能同时考虑三种主要误差的非线性耦合效应，特别适用于类似单层索网的具有显著几何非线性的结构。

根据该工程的特点，索网施工部分为了克服传统满堂脚手架施工方案的各种不足，采用高空溜索法安装承重索、分批对称张拉稳定索的方法进行施工。

索网结构预应力施工采用高空溜索方案，步骤如表2。

图8 溜索就位索力图/kN 

图9 阶段1承重索溜索就位索力图

通过分析，在溜索过程中，导索最大索力为112KN，此时拉索中索力为0，选用1860级φ15.2钢绞线可以满足要求，且拉索可以轻松地连接到环梁端板上。承重索溜索就位后端部对称各2根垂跨比较小，索长较短，索力最大为709.6kN，其余承重索索力均较小，最小的为69.9kN。

拉索编号示于图10，牵引索布置示于图11。

图10 拉索编号示意图

图11 牵引索布置示意图

图12 拉索分批示意图

拉索分批示于图12。索网端头分批连接固定：第一批承重索（19根）用蓝色加粗线表示，第二批承重索（12根）用蓝色细线表示；稳定索为第三批（31根），用红色细线表示。索网安装和张拉顺序示于图13。

a) 牵引索CQ提升到位，第一批承重索端部连接固定	b) 第二批承重索端部连接固定
c) 从两侧向中间对称分批张拉稳定索至WD5和WD27	d) 再从中间向两边张拉至WD14和WD18并拆除支撑胎架
e) 继续对称张拉直至稳定索张拉完毕

图13 索网安装和张拉顺序示意图