索结构典型工程：天津中医药大学体育馆椭圆抛物面弦支穹顶屋盖

天津中医药大学新建体育馆（图1）位于天津市静海县，占地面积11016 m2 ，总建筑面积17420 m2 ，坐席数5053个，2017年天津市承办的第十三届全国运动会场馆之一。整体建筑为寓意“旋转”和“围绕”的“喜旋”造型，该体育馆主馆地上4层，建筑檐口高度约21.900m。体育馆屋盖平面投影为椭圆形，长轴116m，短轴97m，采用弦支穹顶结构体系，支承在内圈混凝土柱上，无柱部分设置局部加强桁架。外圈柱沿椭圆形布置，长轴105m，短轴86m。该体育馆建筑造型丰富，内部功能复杂，对结构提出较高要求，外装饰墙由三条直线旋转而成，特别是由于训练馆位置需要大空间，相应位置抽掉了6根柱，造成屋盖支承不连续。

图1 天津中医药大学新建体育馆

主馆屋盖跨度长轴105m，短轴86m，采用椭圆抛物面弦支穹顶结构，上层单层网壳网格形式采用凯威特-施威德勒型，矢高6.5m，局部无柱处设置局部桁架，为不连续周边支承大跨度弦支穹顶结构。外部结合建筑造型设置径向桁架和环桁架，并与主体结构及屋盖弦支穹顶结构相连，屋盖弦支穹顶的结构布置见图2，主要构件规格见表1。

a）屋盖平面布置图

b）屋盖立面布置图

c）整体结构立面布置图

图2 体育馆屋盖弦支穹顶结构布置图

1）设计创新技术

①不规则建筑形态大跨度弦支穹顶结构选型

根据主馆建筑造型要求，屋盖初步考虑可采用的结构形式有双层网壳、单层网壳和弦支穹顶等，对三种结构方案在同等条件下进行对比分析，结果如表2所示。

根据上述分析和相关研究可知，弦支穹顶在减小支座水平推力、提高结构刚度等方面具有较显著的优势，故确定了弦支穹顶结构方案，实现了结构体系的优化布置。

②弦支穹顶结构不连续支承问题解决方法分析

基于局部支承不连续的弦支穹顶结构在实际中的情况，提出了两种解决方法：

方法一： 下部结构提供单圈混凝土柱作为支承柱，缺柱部分无法形成辅助支承结构，仅靠调整弦支穹顶杆件来解决局部支承不连续的问题；

方法二： 下部结构除单圈混凝土柱可作为支承柱外，在缺柱部分附近有其他混凝土柱、墙可以提供支承，使用这些位置的混凝土、墙架构局部辅助支承体系，使用局部辅助支承体系协同其他混凝土柱共同支承弦支穹顶。

针对天津中医药大学新建体育馆项目，结合建筑功能需求，通过数据分析对两种方法进行了可行性分析、适用性分析，总结了不连续支承弦支穹顶在不同解决方法下的受力性能的变化规律，最终选用方法二， 解决了工程实际中弦支穹顶支承不连续的技术难题，实现了建筑局部大空间的功能需求。

a）方法一

b）方法二

图3 模型整体示意图

③不连续支承弦支穹顶结构屋盖设计

针对弦支穹顶结构体系，结合建筑平面尺寸、建筑矢高等因素，曲面选用椭圆抛物面，矢高为6.5m，对弦支穹顶上部单层网壳网格划分方式、索杆体系布置等方面进行优化后，确定上部单层网壳网格形式按照凯威特-施威德勒型方式建构，共10环杆件，杆件长度控制在3.5m左右，最长杆件为4.6m，最短为2.1m。下部索杆体系拓扑关系采用联方型索杆体系，布置方式为稀索体系，环向拉索共布置4环，均为间隔一环布置。撑杆高度为4.5m。

2）协同式幕墙支承结构选型

主要考虑以下因素：

① 建筑幕墙造型。整个装饰幕墙由三条直线旋转而成，直线交点旋转形成的环的位置需要有环向杆件作为支承结构；装饰面中有镂空部分，结合镂空位置的边界，需另设置一圈环向杆件进行支承。

② 装饰面龙骨架设需求。装饰面由细长的铝板间隔布置而成，支承铝板的龙骨因为截面大小的限制，跨度不能超过7m。

③ 幕墙支承钢结构对弦支穹顶受力性能的影响。

综合考虑上述因素，提出了两种方案：方案一沿环梁与主体混凝土柱形成平面桁架，径向由系杆连接；方案二沿径向与主体混凝土柱形成平面桁架，环向作为系杆形成空间体系。两种方案示意图见图4。

a）方案一 

b）方案二

图4 外装饰部分钢结构方案示意图 

对两种方案进行对比分析，结果表明，两种方案均可以满足结构受力及建筑要求，用钢量相差很小，均为可行方案。但方案二对弦支穹顶结构受力性能有明显的改善，增加了弦支穹顶的刚度。

为深入分析方案二对弦支穹顶产生的有利影响，将方案二中的径向桁架去掉，只留下弦支穹顶部分，形成方案三。对两种方案的弦支穹顶部分进行分析，结果如表3所示。由表可以看出，方案二有效改善了弦支穹顶部分的受力性能，对弦支穹顶外圈径向杆件效果尤其明显，且同时满足建筑及结构要求，最终确定外檐支承钢结构的结构体系为由沿径向与主体混凝土柱形成的平面桁架和环向杆件作为系杆共同形成的空间外桁架体系。

对于椭圆形弦支穹顶结构，张拉施工方法可归结为三种：撑杆顶升法、环向索张拉法和径向索（拉杆）张拉法。根据天津中医药大学新建体育馆的结构特点且综合比较三种施工张拉方法的优缺点，最后确定了张拉径向拉杆的方案，由于该方案最后张拉最外圈径向拉杆，所以能够最大程度的保证最外圈环索的预应力达到设计要求，而最外圈环索对整个结构预应力体系的建立起着至关重要的作用。

天津中医药大学体育馆弦支穹顶总体施工过程如下：在满堂脚手架搭设后，进行外部桁架和单层网壳钢构件的高空拼装，然后吊装撑杆、径向拉杆和环向索，最后通过张拉径向钢拉杆进行预应力施加，张拉前，应检查在脚手架支撑作用下所形成的结构是否达到放样态要求。该工程施加预应力的方法为张拉径向拉杆，分步分级张拉，总体上分为20%、70%和100%三级，且对于每级每圈径向拉杆又细分为1-8步不等，最后根据监测结果局部调整径向拉杆拉力。

图5 预应力张拉过程

该施工过程的特点为采用了施工全过程模拟及健康监测，由于弦支穹顶结构在张拉完成前结构体系尚未完全成形，结构整体刚度较小，因此必须应用施工过程有限元计算分析理论，利用有限元计算软件对弦支穹顶结构的施工过程进行模拟分析。通过施工全过程模拟，确定了合理的张拉顺序；计算出张拉过程中各施工步环索和拉杆的张拉力大小，为实际张拉时的张拉力值的确定提供理论依据；为张拉过程中的起拱值和应力监测提供理论依据，指导了施工建造过程，保证工程顺利建成投入使用。