设计单位：上海建筑设计研究院有限公司
结构顾问：sbp施莱希工程设计咨询有限公司
总包单位：陕西建工集团有限公司
钢结构安装单位：陕西建工机械施工集团有限公司
索结构施工单位：南京东大现代预应力工程有限责任公司
索具类型：巨力索具、瑞士法策 · 高钒镀层密封索
竣工时间：2023年
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概 况
西安国际足球中心是 2023 年亚足联中国亚洲杯馆主场馆之一。它位于大西安新中心新轴线核心位置。在西咸新区沣东新城，处于复兴大道以东，科统三路以北。该中心占地约 280 亩，总建筑面积 25 万平方米。其中包含 1 座 6 万座的专业足球场和 2 块国际标准室外训练场。原计划在 2023 年亚洲杯举办前建成并投入使用，能够承接除世界杯开幕式以外的所有国际 A 级足球赛事。
足球场的屋盖结构在平面上呈现出一种形状。这种形状是倒圆角的矩形。其尺寸大约为 295.6×250.6m。屋盖结构被分成了两部分。一部分是外部的刚性网壳结构。另一部分是内部的柔性索网结构。其中，大开孔双层正交索网首次得到了应用。其中，外部的刚性网壳屋盖是在空间不规则曲面里，借助正放四角锥形式而发展出来的空间网壳结构。内部索网屋面呈现出中央开洞的马鞍形曲面。外压环的平面尺寸大约是 203.0×178.6m，高差大概是 23.5m。内拉环的平面尺寸大约是 115.0×92.4m，高差大概是 4.9m。建筑实景图如 图 1 所示。
图1 西安国际足球中心
02/
索结构体系
1）结构整体概况
该足球场的整体屋盖结构体系包含两个部分。一部分是外部刚性屋盖结构，另一部分是内部柔性索膜结构。如图 2、3 所示。
图2 屋盖结构平面示意图
图3 屋盖整体结构轴测图
①外部刚性屋盖结构
外部刚性屋盖结构运用空间网壳体系。整个网壳被支承在 68 根型钢混凝土柱顶。在柱顶设置了成品球铰支座。南侧和北侧都是双排柱进行支承。如图 4 所展示的那样。东侧和西侧局部是单排柱进行支承。如图 5 所呈现的那样。
图4南侧网壳屋盖剖面示意图
图5西侧网壳屋盖剖面示意图
②内部柔性索膜结构
内部柔性索膜结构包含外压环、悬臂梁、内拉环。这三者之间张拉着双层双向的正交索网体系。双层双向的正交索网体系由承重索、上层稳定索、下层稳定索以及连接上下层索网的膜面和提升索构成。
膜面被张拉在上下层稳定索之间，上层稳定索起到了形成膜面脊索的作用，下层稳定索则形成了膜面的谷索，这样做有效地为膜面提供了空间刚度。索网的组成情况如图 6 至 10 所示。
图6内部柔性索膜结构整体示意图
图7上层索网组成示意图
图8下层索网组成示意图
图9 压环处拉索锚固耳板示意图
图10 索网局部示意图
2）材料规格
①钢构件
外压环构成内部索膜屋盖的外边界，且采用 Q390C 钢材。外压环的截面为外径 1.5m 的圆管，壁厚有 55mm 和 60mm 两种。部分 60mm 厚的管段内部设置了两道横向加劲板。悬臂梁采用变截面箱形截面，根部截面大，端部截面小，板厚分为 20mm 和 30mm 两种。具体材料规格详见表 1。
②拉索
该工程的承重索采用进口密封索，其具有良好的横向承压能力；上下层稳定索采用进口密封索，此密封索具备良好的横向承压能力；构成内拉环的环索也采用进口密封索，该密封索同样具有良好的横向承压能力。同时，这些密封索还具备良好的索夹抗滑能力、防锈蚀能力以及抗疲劳能力。该工程的拉索规格较多，具体规格见表 2。
3）工程的重难点
该工程在设计和施工过程中存在以下重难点：
东西侧外圈网壳屋盖的几何形态（图 5）决定了其特点西安钢结构工程公司，同时东西侧仅有单排柱支承屋盖。经过对比分析后可以得出，本工程屋盖内圈索网采用自平衡体系是更为合理、高效和经济的选择。
该工程运用了创新的正交大开孔索网体系。通过这一体系，既满足了造型以及排水等一系列建筑功能的需求，又让正交索网在与内环索的交点处产生了较大的不平衡力。
该工程最终选用的是自锚式内圈结构体系，这种体系对外压环的形态有较高的设计要求。在索张拉力的作用下，外压环由于形态不同，其内力水平也会截然不同。
该工程有一些设计难度较大的关键节点。其中包括用于消除不平衡力的环索索夹，还有用于消除张拉阶段内外圈位移差的外压环支座等。
4）结构设计与施工技术创新
针对该工程的上述关键问题，对结构体系、索夹节点、施工等方面进行系统深入的研究，创新技术如下：形成大开孔正交索网结构设计技术，形成大开孔正交索网施工技术，形成大开孔正交索网结构施工成套应用技术。
找形使得外压环与索网形成闭合的自锚体系，并且通过支座与外圈网壳相连接。在施工张拉过程中，支座释放了水平向平动的自由度，张拉结束后将其锁死，从滑移支座转变为固定铰支座，以此来消除施工阶段张拉力对外圈刚性结构所产生的影响。针对内外圈结构的连接形式，在荷载条件相同的情况下，将完全固定铰支座与施工阶段可滑动支座进行了对比，以了解它们对支撑屋盖体系的框架柱的影响。由此可见，内圈索网自锚体系对改善外圈刚性结构的受力有着显著效果。
a) 平面内弯矩
b) 平面外弯矩
图11完全固定铰支座相较施工阶段可滑动支座框架柱弯矩变化值
内圈索网的压环通过支座与外圈结构相连接。在施工张拉的过程中，这个支座能够沿着水平方向进行滑动。而在施工完成之后，它就会被固定下来。图 12 展示的是支座的基本形式。张拉之前，要进行施工模拟分析。通过此分析，计算出每个支座在初始状态下的偏移量。接着，利用限位垫块来定位偏移后的支座板。在施工过程中，逐步去除支座的限位垫块，这样就能让各支座在预先设计好的位移量下有序滑动。张拉完成后，各支座会回归到居中位置并被锁定。通过这样的一个过程，就可以消除内圈索网在张拉过程中在支座处产生的位移。
图12施工阶段可滑移支座
图13内环索夹不平衡力调整
针对内环所节点出现的较大不平衡力，对正交索网的形态进行了细化与微调。具体过程如下：索夹两侧的内环索力分别是 S1 和 S2，存在不平衡力。
可以通过公式(1)来进行计算。对于内环索力为 20000kN 的完成态，只需将环索索夹处的夹角调整大约 1.18°，就能够实现将其……
降低了 25%。因为体系自身具有特点，此调整无法完全消除不平衡力，只是能在一定程度上使其弱化。这个视觉上完全看不见的调整，能够直接把不平衡力降低至约 1300kN。
（1）
内圈索网是自锚体系，所以要尽量减小索网外压环的弯矩，让索网外压环的内力以轴压力为主，以此提高材料的利用效率。为此，需要通过调节索网的预应力分布以及索网形态，来对外压环弯矩分布进行优化。从图 14 中可以看出优化前后的外压环弯矩分布情况，经过索网找形优化，最大弯矩从 4379kN·m 降低到了 1094kN·m。
a)找形优化前
b)找形优化后
图14 找形优化前后外压环弯矩分布/（kN•m）
03/
索结构施工
1） 索网施工关键问题
外压环整体较为柔软。设计单位在计算时，给外压环施加了初压应力，以此来控制外压环的变形在合理范围之内。因为引入了初压应力，外压环的加工制作长度和拼装形状与设计建模位形相比，会产生不可忽略的差别。而设计单位提供的图纸中，所有坐标均为结构设计建模态坐标，不能直接用作构件的加工及安装坐标。外压环处于安装态时，其几何位形需要通过精细的零状态找形分析来确定。
该工程内部屋盖采用的是创新的大开孔正交索网结构。它既和传统正交索网结构不一样，也和大开口轮辐式索网结构不同。此结构跨度较大，外压环的刚度较为柔软，下层索锚固点偏离外压环中心的距离较大，周边支承的状况较为复杂，拉索的总量也很大。这些情况无疑会给索结构施工带来重大挑战。为确保索网结构能顺利施工，拉索施工方案需合理，全过程分析要精细化，这两者是十分必要的。
该工程的拉索均为定长索，索端未设置调节装置。这给拉索制造以及外压环安装的精度带来了较高要求。需要通过对索长误差和外压环安装误差的影响进行分析，来确定合理的控制标准，从而保证结构施工成形态符合设计要求。
2） 针对拉索施工全过程，拟定以下总体施工步骤
索网施工前需进行以下操作：首先，外围结构卸载完毕；接着，环桁架下胎架进行反顶西安钢结构工程公司，此反顶仅为接触状态；最后，支座进行径向临时固定。
图15 索网施工前序
第一步：地面组网完成，开始牵引提升索网。
图16 索网施工第一步
第二步：提升至环索标高约35m，将下层稳定索锚接就位。
图17索网施工第二步
第三步，给上层未牵引的索端增设牵引索。接着，将所有牵引索收至 0.5m。
图18索网施工第三步
第四步：释放支座的临时径向约束。
第五步：卸除压环桁架下的胎架。
图19 索网施工第四步
图20索网施工第五步
第六步：上层索网锚接就位。
索网施工后续：安装膜面、马道、外围屋面等。
图21 索网施工第六步
图22 索网施工后续
04/
工程照片
图23 拉索铺设现场
a）吊机辅助提升
b）索牵引提升
图24牵引提升现场
图25 拉索张拉成形现场
图26西安国际足球中心全景
撰稿人：
上海建筑设计研究院有限公司：徐晓明、史炜洲
东南大学：罗斌、阮杨捷
END
空间结构分会
