哈尔滨工业大学武岳教授为您解读大连梭鱼湾足球场屋盖结构形态分析与试验研究

大连梭鱼湾足球场是按照FIFA标准设计的专业足球场（图1），屋盖造型取意于波光粼粼的海面，立面设计灵感来源于海螺表面螺旋上升的曲线。屋盖采用双层轮辐式索结构体系，上覆白色PTFE膜材；平面投影为四心圆，边界处设置外环梁，长轴253 m，短轴235 m，中心大开口的长轴133 m，短轴123 m，内环厚度19.5 m（图2）。屋盖上弦索斜交，共56根，索长79~86 m不等；下弦索呈辐射状布置，共56根，索长56~62 m不等；屋盖下部设置支承柱，柱顶和柱底分别与外环梁和混凝土框架铰接，部分柱间设置人字支撑（图3）。外围旋转坡道与墙面采用带斜撑外挑的钢梁结构+直纹曲面索网，外围护材料为蓝色渐变ETFE膜材。

2.1  轮辐式斜交型索结构体系

传统的双层轮辐式索结构的平面外稳定性能差，整体抗扭刚度低。研究团队将弦索错列布置，提出了轮辐式斜交型索结构体系，主要包括单层斜交型和双层斜交型，如图4所示。上、下弦索的投影在内、外环之间相互交叉，产生均匀分布的交点，将结构划分为大小均匀的三角形和四边形网格，能够提升结构的整体抗扭刚度，有利于施工稳定性和使用安全性。

轮辐式斜交型索结构的几何形态与索桁架单元的数量、斜交角度、外环半径、内环半径、起拱高度和下垂深度有关。为进一步促进斜交型轮辐式索结构的推广应用，依托Rhino/Grasshopper平台，建立了轮辐式斜交型索结构的参数化建模方法，演示动画见图5。

（a）改变索结构桁架单 元数 量

2.2 方案对比分析

为对比轮辐式斜交型索结构和传统轮辐式索结构的受力性能，共设计了三种结构方案，方案1为传统的轮辐式索结构（上、下弦均与内环正交布置），方案2为单层斜交型轮辐式索结构（上弦斜交布置，下弦与内环正交布置），方案3为双层斜交型轮辐式索结构（上、下弦均斜交布置）。通过分析获得三种方案的无量纲用索量参数（ I ₁ ）、受力效率参数（ I ₂ ）、环索索力均匀性参数（ I ₃ ）和全跨及半跨荷载下的竖向刚度参数 （ I ₄ 、 I ₅ ） ，结果对比如图6所示，其中各参数越接近1代表性能越好。总体上，单层斜交轮辐式索结构具有受力性能与经济性的综合优势，且实现了建筑造型与结构形式的协调统一，因此成为足球场屋盖结构的最终方案。

研究团队开展了风洞试验，以全面了解大连梭鱼湾屋盖结构的风荷载分布特性。试验模型的缩尺比为1:200，采用光敏树脂和ABS板经3D打印制成，如图7所示。模拟A类地貌，每隔15°测量一次，共进行24 个风向的测量。图8所示为240°风向角下的屋盖上下表面叠加后的净风压平均风压系数分布。根据风洞试验结果进行非线性风振响应分析，得到结构的风振极值响应（图9），据此确定了可供设计参考的风振系数。

考虑到大连市地处东北，冬季降雪较多，且足球场屋盖较为平缓，容易积雪，因此还进行了风雪联合模拟。图10给出了屋盖表面的积雪分布系数。可以看出，屋盖表面主要出现积雪的侵蚀，仅在迎风侧前缘和背风侧斜交索凹陷处出现明显积雪沉积，局部积雪分布系数最大可达1.2。

为指导足球场屋盖索结构的张拉施工，验证屋盖结构的承载性能和抗连续倒塌性能，设计了几何缩尺比为1:20的缩尺模型（图11），分别开展了张拉试验、静力加载试验和断索试验。试验模型的结构布置和尺寸如图12所示，节点构造如图13所示。

4.1 张拉试验

大连梭鱼湾足球场屋盖索结构的张拉施工采用地面拼装、整体提升的施工方法，借助附加索辅助张拉，保证了施工安全。。其中，如何保证撑杆方便、安全的安装是屋盖结构张拉成形的关键。通过调整主动张拉索的张拉量控制撑杆的安装难易，并通过数值模拟确定了试验模型主动张拉索的张拉量，以指导撑杆安装。试验模型在张拉过程中平稳可控，撑杆安装方便，证明张拉施工方案可行，且试验模型采用的主动张拉索的张拉量可为实际施工时撑杆的安装提供参考。

4.2 静力加载试验

静力加载试验采用沙袋加载，共分为三个阶段，如图14所示。第一阶段进行恒荷载加载，质量共计3.4 t。第二阶段进行标准荷载加载，质量共计7.2 t。第三阶段施加两倍的标准荷载，质量共计14.4 t。试验模型在加载过程中未出现异常明显的变形，最大竖向变形为向下38 mm，钢构件未出现屈服，最大压应力为94 MPa，因此屋盖结构的承载性能满足要求。试验模型在加载过程中的荷载-位移曲线如图15所示，可见节点竖向位移与荷载基本呈线性关系，结构的整体刚度较好。

4.3 断索试验

试验模型的连续断索采用远程控制液压剪实现，如视频3所示。断索后，试验模型未发生倒塌破坏，最大竖向节点位移为向下125 mm，下径向索的最大索力放大倍数约为1.66（图16）。上斜索的索力波动明显，最大索力放大倍数约为1.13，说明上斜索为结构提供了有效的传力路径，保证了断索后内力重分布的顺利完成，这也进一步凸显了斜交型索体系的优势。

大连梭鱼湾足球场屋盖索膜结构实现了新颖结构形态与建筑功能要求的和谐统一。哈工大团队通过细致的数值模拟和模型试验，验证了结构方案的可行性，保障了结构施工和服役安全，展现了先进建筑结构技术的发展水平。建筑整体建成效果充分体现了当代体育建筑力与美的结合，实现了建筑与结构的协同创新。