西北大学长安校区体育馆屋盖：弦支空间桁架

体育馆位于西北大学长安校区内，由主馆和两侧的副馆组成，总建筑面积为33791.24平方米，座席数为11000席，主馆屋盖跨度为116.8m，矢高6.747m，顶标高33.095m。体育馆下部为框架剪力墙结构，屋盖采用钢结构。屋盖平面投影为直径约105m的圆形，最高点标高32.795m。屋盖主体采用空间弦支辐射布置桁架结构，其上弦由径向倒三角桁架、加强平面次桁架与环桁架，以及顶部单层网壳组成。单榀桁架最大长度约48m，最大重量约24.5t，设内、中、外三道“加强环”。下弦由环向索及径向索组成，上下结构间通过竖向撑杆连接改善了上部空间桁架体系的稳定性，使边缘构件的设计更加简便、经济。 

图1 西北大学长安校区体育馆

体育馆屋盖整体结构三维示意图如图2所示。

图2 体育馆整体结构三维示意图

该工程的结构特点有：

1）该项目由上弦刚性桁架结构、下弦预应力拉索结构和顶部单层网壳结构组成，结合了索穹顶与单层网壳结构的特点，能够充分发挥柔性与刚性结构的长处。上层钢结构和下层拉索之间由撑杆进行连接，构成稳定的空间结构受力体系，可以有效的提高整体结构的稳定承载力。拉索为高强材料，可以有效的减小结构自重，并达到轻巧、通透的建筑效果。

2）通过对弦进行张拉，以及将撑杆与桁架按实际造型需求进行组合，即基于结构的受力特性进行构造。具有使结构受力更合理、刚度更大等特点。相比于单层网壳结构，弦支空间桁架的索杆体系改善了上部桁架结构的稳定性，使材料利用率充分提高，用钢量与单层网壳结构相比大幅度减少，同时具有更强的跨越能力。

3）相比于索穹顶，弦支空间桁架结构刚性上弦层的引入，可以满足不同屋面的矢跨比要求，受力形式更加明确，设计时理论分析的难度也显著降低。

4）在施工建造阶段引入预应力的过程中，上部单层网壳结构与下部索杆体系逐渐形成受力的整体，自平衡效果随之产生，支座水平反力得到大幅降低，使下部支承体系的设计更加灵活，可以满足更加复杂的建筑造型需要。

该屋盖索结构展现出以下两点创新：

1）将传统弦支穹顶结构体系的上部网壳结构优化为由辐射布置倒三角桁架、加强平面次桁架与环桁架组成。该结构具有跨越能力强、承载力高与稳定性好的优点，避免了因场地限制带来的不便且施工效率更高，解决了传统弦支穹顶随跨度增加引起结构性能降低的难题。

2）该屋盖结构的上弦空间桁架体系相当于是一个巨型网格结构，即将传统的弦支穹顶上部网壳结构替代为巨型网格结构，形成巨型网格弦支穹顶结构，具有良好的静动力性能，经济指标较高。向巨型网格化发展，实现了弦支穹顶结构形式的创新和突破，进而可提高大跨建筑结构的整体美观性、经济性和安全性。

屋盖结构索系中拉索均为国产高钒索，规格及数量列于表1。

根据西北大学长安校区体育馆结构特点，索结构张拉成型采用先张拉调整，后胎架卸载成型的方式。其中索结构的张拉施工采用张拉径向索的方式，即在调整好环向索初始长度和撑杆长度、位置后，直接对径向索张拉建立预应力的方法。根据场地条件和中心支撑胎架的位置，采用分级分批张拉的工艺，共分三级张拉，每一级每圈拉索又分为2批，每批张拉10根拉索。第1级（张拉到初张力的10％）由内圈向外圈依次张拉完成，第2级（张拉到初张力的70％）由外圈向内圈依次张拉完成，第3级（张拉到初张力的100％）由内圈向外圈依次张拉完成。

1）屋盖结构施工工艺

屋盖结构施工工艺流程如下：①安装外围格构柱和屋盖钢结构构件；②安装径向斜索；③安装撑杆、安装环索及径向斜索，并对径向斜索进行预紧；④对径向钢斜索进行第2级张拉；⑤拆除支撑胎架；⑥对径向钢斜索进行第3级张拉；⑦安装并张拉V字行稳定索；⑧根据实际监测结果对索力进行局部微调；⑨安装屋面系统及维护构件。示于图3。

图3 屋盖结构施工工艺流程图

其中拉索及相关构件的具体安装流程如图4所示。

2）拉索张拉操作要点

① 张拉时采取双控原则：张拉力控制为主，结构变形控制为辅助；

② 张拉设备安装。由于本工程张拉设备组件较多，因此在进行张拉设备安装时必须小心安放，使张拉设备形心与钢斜索重合，以保证预应力钢斜索在进行张拉时不产生偏心；

图4 拉索及相关构件的具体安装流程图

③ 钢斜索张拉。油泵启动供油正常后，开始加压，当压力达到钢斜索设计拉力时，根据监测结果决定是否超张拉，超张拉不应超过5％，然后停止加压，完成预应力钢索张拉。张拉时，要控制给油速度，给油时间不应低于0.5min。

3）张拉控制措施

在第2级（70%张拉力）和第3级（100%张拉力）的张拉过程中再次细分为若干小级，在每小级中尽量使千斤顶给油速度同步，在张拉完成每小级后，所有千斤顶停止给油，如此通过每一个小级停顿调整的方法来达到整体同步的效果。

根据施工仿真计算得出拉索每级张拉的伸长值，张拉过程中通过控制拉索伸长值来达到整体同步的效果。

图5 斜索位置示意图

4）张拉顺序

第1级（张拉到初张力的10％）由内圈向外圈依次张拉完成，第2级（张拉到初张力的70％）由外圈向内圈依次张拉完成，第3级（张拉到初张力的100％）由内圈向外圈依次张拉完成。上述张拉步骤完成后安装并张V字稳定索。

第二级张拉顺序如图6所示。

a)第一圈第1批	b)第一圈第2批
c)第二圈第1批	d)第二圈第2批
e)第三圈第1批	f)第三圈第2批
g)第四圈第1批	h)第四圈第2批

图6 第二级张拉顺序

第三级张拉顺序如图7所示。

a)第四圈第1批	b)第四圈第2批
c)第三圈第1批	d)第三圈第2批
e)第二圈第1批	f)第二圈第2批
g)第一圈第1批	h)第一圈第2批

图7 第三级张拉顺序