【摘要】上海浦东足球场是国内外首个采用中置压环索承结构体系的足球场，将一般放置在柱顶的压力环向内移动到V形支撑上，形成空间的曲线的中置压环，解决了外置压环索承结构体系不能适应矩形建筑平面的问题。
通过有效的找形分析，确定了内环和径向索的预应力，使压环在自重下几乎没有弯矩。通过物理风洞试验和数值风洞试验确定了结构的风荷载，并进行了双非线性整体稳定分析，分析结果表明安全系数满足规范要求。
对径向梁进行了局部稳定分析，从考虑截面有效性和最大化利用钢材的角度来选择腹板壁厚。介绍了径向索与径向梁连接节点和索夹节点，以期为其他工程提供数据参考。在屋盖钢结构上布置健康监测系统，对其在施工和长期工作状态进行实时监测，结果表明，各个部位应力监测值与理论值相接近，位形与理论值基本相符，结构安全可靠。
1 工程概况
上海浦东足球场位于上海市浦东新区，是集竞技、健身、商业、娱乐为一体的多功能生态型体育中心。
总建筑面积约14万m²，其中地上建筑面积约6.5万m²，固定座席33765个，拟作为2023年亚洲杯承办赛场之一。
足球场建筑形态简洁大方，造型概念源自于中国传统瓷器，看台背面和屋面包裹光滑的白色金属材料，呈现出白瓷般光滑圆润的独特建筑效果。屋盖靠近足球场内场部分采用透明材料，能增加球场内部阳光透射率，使草皮能够接受更长的日照时间。
本工程的大跨度钢屋盖首次创新地采用中置压环索承结构体系，2021年8月竣工后的实景图如图1所示。
图1 足球场建成后实景图
2 结构体系
2.1结构体系组成
足球场由地下室、地上看台钢结构和屋盖钢结构组成。地下室结构采用框架⁃剪力墙结构体系，地上足球场主体结构采用钢框架＋屈曲约束支撑体系，屋盖采用中置压环索承结构体系。看台钢结构顶标高21.015m，屋盖钢结构顶标高37.900m，足球场的立面示意图如图2所示。
图2 足球场立面图
屋盖钢结构主要尺寸见图3。
图3 屋盖钢结构的主要尺寸
屋盖平面尺寸达211.0m×173.3m，通过立柱支承于下部的看台结构上。根据看台的建筑形态，屋盖形成了轻微的马鞍形，高差2.5m。
屋盖结构主要由屋面板、屋面支撑、上弦钢结构、V形飞柱、下弦索网、柱及抗侧力支撑组成，见图4。通过V形飞柱将上层刚性钢结构和下层柔性索网体系连接成为一个水平及竖向刚度均匀分布、刚度较好的轮辐式结构，并通过下部支撑柱及抗侧力支撑将竖向荷载和水平荷载传递给下部结构。
图4 屋盖结构体系组成
2.2 屋盖轮辐式结构体系选型
屋盖结构体系的受力原理是由自行车车轮受力体系发展而来的高效自锚式预应力钢结构体系。图5为屋盖结构体系演变过程。
图5 屋盖钢结构的方案演变过程
刚度较大的受压外环，通过沿径向布置的拉索连到中心受拉内环索，径向索的张拉力与外环的压力平衡，整个结构属于自平衡受力体系。
对于传统轮辐式结构体系，圆形平面并开中央圆孔时结构效率最高，随着椭圆度加大，结构效率随之降低。
作为专业足球场，在使用功能上要求外轮廓以及内开孔均为矩形的平面，若继续采用传统轮辐式结构体系，角部径向索受力不利。
因此，提出了一种创新的结构体系——中置压环索承结构体系。利用大面积不透光屋面的边界条件，在结构内外轮廓之间设置一个曲率较大的中置压环，同时在径向桁架下弦设置径向索以及与压环几何相似的下拉环，图6为传统轮辐式结构体系和中置压环索承结构体系对比。
图6 结构体系对比
与传统轮辐式结构体系相比，中置压环索承结构体系的优点是拉环和压环平面形状不受外廓直边的约束，形成有效受力的“环”，从而可适应内外轮廓都为矩形的建筑平面，大幅提高了结构的效率和刚度。
中置压环索承结构体系主要结构构件包括：结构柱、中置压环、上径向梁、下径向索和内环索，如图7（a）所示。通过在索网中施加预应力，平衡上部结构的重量。径向索的水平力经径向主梁由中置压环平衡，形成自平衡受力体系。预应力拉索可以提高整个屋盖结构的刚度，减小屋盖结构的位移、振动及非均匀荷载下压力环的弯曲变形，受力原理如图7（b）所示。
图7 中置压环屋盖结构体系及受力原理
2.3 屋盖结构找形
为了得到更好的力学性能，必须对整个屋盖进行找形，形成建筑外形的同时，得到整个屋盖主要结构构件准确的预应力态，实现单纯拉压结构受力体系，尽可能减少杆件弯矩，提高结构效率。
通过结构找形，确定内环索和径向索的预应力，使压环在自重下几乎不产生弯矩。图8是完成态下中置压环的压力及弯矩，对于截面为1500mm×1500mm的主压环而言，通过结构找形，在完成态下其轴力为27054kN，而其弯矩仅仅为74.5kN·m，弯矩占比小于总应力的1/10000，充分地利用了材料的强度，减少了用钢量。
图8 完成态下中置压环的压力及弯矩
2.4 屋盖竖向及抗侧力支撑体系
为有效地减小下部结构的负担并减小柱截面，外圈的立柱采用上下铰接的摇摆柱，可使屋盖体系满足建筑要求的漂浮的效果。但是摇摆柱无法提供抗侧力刚度，因此在角部设置的人字形屈曲约束支撑提供抗侧力刚度。屋盖结构柱及人字形屈曲约束支撑布置如图9所示。
图9 屋盖结构柱及人字形屈曲约束支撑布置
3 荷载选用
钢构件自重由SAP2000程序自动计算，节点以及连接板的自重由钢构件容重增加5％的方法进行考虑，结构上的超重节点用附加节点荷载等效。其他荷载和作用还包括：径向索头荷载、内环索铸钢节点荷载、环向马道荷载、幕墙荷载、南北侧大屏荷载、马道灯光及设备活荷载、不上人屋面活荷载、均布雪荷载、不均布雪荷载、风荷载、温度作用和地震作用。
为了提高屋盖结构设计的安全性和经济性，本项目进行了物理风洞试验及数值风洞试验，对结构风荷载参数以及风荷载效应进行了深入研究。图10和图11分别为物理风洞试验模型（缩尺比为1∶300）和数值风洞试验模型，同时校核了近期和远期的周边场地变化对风荷载的影响。
图10 物理风洞试验模型
图11 数值风洞模型
物理风洞试验结果表明，屋盖结构整体沿Z轴方向上平均气动力和等效静力风荷载随风向角的变化规律有相同的趋势；在45°风向角下结构整体沿Z轴正方向的等效静力风荷载达到最大值，此时风振系数为1.22。
选取数值风洞试验12个风向角和物理风洞试验的24个风向角进行分析，结果表明，物理风洞试验的风吸荷载要大于数值风洞试验的风吸荷载，而数值风洞试验中的风压要大于物理风洞风压。
为了能够更安全地对结构进行包络设计，对风洞试验中的风荷载进行了分析，并选取如下的四个控制风向角用于结构设计：风吸效应最大的0°、45°风向角（物理风洞）；风压效应最大的60°风向角（物理风洞）及90°风向角（数值风洞）。
4 材料和主要构件截面
径向梁、圈梁、中置压环梁和V形飞柱的材料均采用Q390C焊接箱形截面，中置压环梁截面尺寸为1500mm×1500mm×50mm×50mm，V形飞柱是截面尺寸为（600）350mm×350mm×12mm×12mm的箱形变截面。
本工程所有径向索和环索均采用密封钢丝绳，内环索为8根直径为100mm的索，径向索为单根索，直径有120、110、95mm三种规格。内层采用热镀锌连同内部填充，外层采用锌⁃5％铝⁃混合*土稀**合金镀层对钢索进行防腐处理。
5 屋盖弹性计算结果
采用SAP2000分析软件，建立单体模型和包含地下室结构、地上看台钢结构和屋盖钢结构三部分的整体模型，考虑P⁃Δ效应和大位移进行计算分析。根据找形结果，拉索预应力用降温方法来模拟，并作为基础工况参与各工况组合。
采用Ritz向量法进行模态分析，考虑的振型数量为50个，X、Y、Z向累计质量参与系数均超过95％，满足规范要求。单体模型和整体模型的前5阶振型均为屋盖竖向振动，单体模型和整体模型第一阶振型频率分别为0.318Hz和0.317Hz，如图12所示。
图12 屋盖第一阶振型
对比整体模型振型与单体模型振型，整体模型的前多阶振型均以屋盖结构为主，说明下部结构和上部结构的振型分离清晰，可用单体模型进行上部结构地震分析。
屋盖结构位于下部看台结构的上方，在单独分析体育场屋盖结构时，应考虑地震的放大效应。地震的放大效应取决于混凝土结构刚度，在屋盖单体模型的计算中，地震效应放大系数取1.6。
选取人工波AW1.1⁃1，天然波NR1.1⁃4、NR1.1⁃6，对屋盖结构进行7度罕遇地震下的时程分析。结果表明，结构在X、Y向和Z向的最大位移均小于静力活荷载作用下的最大位移，说明地震作用不是屋盖的控制工况。
静力荷载组合下，径向索的最大索力为6326kN，安全系数为2.3（索破断力为14500kN）。环索的最大索力为4223.8kN，安全系数为2.4（索破断力为10100kN）。径向索和环索的最小索力分别为2326kN和3036.1kN，均不会松弛。
屋盖结构在标准组合工况下的最大竖向位移为405mm，按结构短跨161.8m计算所得的挠跨比小于规范限值1/250，满足要求。屋盖单体和整体模型分析的屋盖钢结构各项指标均满足《钢结构设计标准》（GB50017—2017）的要求。
6 屋盖双非线性整体稳定分析
采用SAP2000有限元软件对屋盖结构进行整体稳定分析，同时考虑几何非线性和材料非线性。根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7—2010）第4.3.3条，按结构每一工况的第一阶屈曲模态考虑整体跨度1/300的初始缺陷。同时考虑最不利的下压风和上吸风两种工况。
屋盖结构是自平衡受力体系，其自重影响通过找形来平衡，所以恒载并不是屋盖产生位移和应力的主要因素。因此分析时，各工况下的结构自重保持恒定，附加恒载、活载和风荷载逐步增大，将到达结构稳定极限临界点时的荷载作为稳定极限承载力，各工况下荷载的标准值组合设为稳定容许承载力，从稳定容许承载力到稳定极限承载力，荷载增加的倍数为安全系数K。
分析结果表明，在几何非线性和材料非线性的情况下，安全系数达到2.62时，结构非线性分析不收敛，结构失稳。从计算结果来看依然是内圈梁达到了其稳定极限承载力，而非整体结构丧失稳定性，安全系数大于规范限值2.0。
7 径向梁局部稳定分析
径向梁采用焊接箱形截面，最大跨度达39.5m，作为金属屋面的支撑条件的同时，也将径向索的水平分力有效地传递到中置压环上，受力上为压弯构件。
设计过程中，综合考虑节点构造、抗弯刚度、强度设计值随梁厚度增加的折减和用钢量等因素后，选用高宽比为2左右的箱形截面，截面尺寸为1400mm×700mm，搭配较厚的翼缘和较薄的腹板。为解决腹板局部稳定问题，需要根据设计中执行的《钢结构设计标准》（GB50017—2017）设置腹板加劲肋，并补充局部稳定分析。
本节选取所受压力、平面外弯矩、长度和腹板高厚比均为所有上径向梁中最大的外圈径向梁为对象，梁长为9.6m，如图13所示。
图13 所选分析对象
在预分析后，取此梁受力最大的一段，建立有限元模型，纵向加劲肋板按照规范配置，横向加劲肋板的配置由局部稳定性分析方法确定，如图14所示，腹板和翼缘厚度分别为8、10mm。两端约束取铰接和刚接结果的包络值。
图14 径向梁有限元模型及加劲肋配置
通过对横向加劲肋板的数量进行参数分析可知，以间距1.6m均匀配置5块横向加劲肋板，其第一阶局部屈曲模态的屈曲因子为5.61，杆件的局部稳定性可以满足要求，屈曲形式如图15所示。
图15 杆件第一阶局部屈曲模态
按照上述方法配置，纵向和横向加劲肋用钢量分别为50.24kg/m和11.69kg/m，分别占纯箱形截面用钢量的6.8％和1.6％。
综合考量了外圈径向梁的功能、受力情况以及用钢量，此区域杆件选择了10mm厚的腹板，而舍弃12mm厚的腹板。
其原因主要是：10mm厚腹板相对12mm厚腹板的方案，按照规范要求，需要的纵向加劲肋数量较多，以提高其强轴方向的抗弯刚度，减少跨中应力、挠度和P⁃Δ效应。
虽然会增加18t的纵向加劲肋板，但截面用钢量相对12mm厚腹板的方案会减小约59t，用钢量大幅度减少。
8 关键节点设计
节点是结构组成的重要部分，节点连接是否可靠决定结构受力性能和整体性是否良好。本项目关键节点如图16所示，本节将详细介绍径向索与径向梁连接节点和索夹节点。
图16 屋盖关键节点
8.1 径向索与径向梁连接节点
径向索与径向梁通过耳板采用销轴连接，通过该节点，拉索通过径向主梁将水平分力传至内压环，节点详图如图17所示。
图17 径向索与径向梁连接节点详细构造
为了避免应力集中，在径向主梁内设置节点板作为加强区，与径向主梁上下底面及横向加劲肋焊接。
对径向索索力最大位置的径向索与径向梁连接节点进行有限元分析。整体思路为采用壳单元建立局部节点的细化有限元模型，材料为Q390C。将该细化模型放入整体杆单元分析模型中来研究该节点的受力状态，有限元模型如图18所示。结果表明，各工况下节点最大应力均小于335MPa。
图18 节点有限元模型
8.2 索夹节点
八根环索与径向索、V形飞柱内外肢通过索夹相连，确保径向索与环索共同工作。因为索夹节点的形式复杂，宜采用铸钢节点。为了避免索夹节点整体浇筑带来不可避免的缺陷和匀质性问题，索夹由上下铸钢板、中间耳板和加强耳板组成，耳板和索槽板均采用了热轧钢板的材质，分别机器加工成型，如图19所示。
图19 索夹构造
这种索夹形式完全摆脱了对铸钢的依赖，索夹节点可靠性得到进一步的增强。对索夹进行有限元分析，结果如图20所示。
图20 环索索夹vonMises应力／Pa
从图20可以看出，结构总体应力水平较低，销轴和耳板连接部分的接触应力较高。接触应力的允许值通过销轴耳板承压公式计算，满足《钢结构设计标准》（GB50017—2017）的要求，节点安全可靠。
9 屋盖健康监测
上海浦东足球场钢屋盖结构设计在多方面突破《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）（2016年版），科技含量较高，兼具受力施工复杂、创新节点多和跨度大的特点。
结构大量采用高强钢材、膜材、高强钢丝束等新型材料，在制作安装误差、大变形、环境侵蚀、地基不均匀沉降、复杂荷载、疲劳效应等因素的耦合作用下，将导致结构系统的损伤积累和抗力衰减，从而导致结构安全性降低。因此，采用健康监测手段对屋盖钢结构的长期工作状态进行在线、连续、实时的监测具有重要意义。
监测内容为部分重要钢构件的应力应变，主要包括：径向梁、V形飞柱、中置压环、摇摆柱顶圈梁、摇摆柱和屈曲约束支撑。径向梁、V形飞柱、中置压环梁监测点布置位置如图21所示。
图21 监测点布置位置
监测结果表明，施工过程各个部位应力监测值与理论值相接近。屋盖在索张拉及临时支撑拆除后，位形与理论值基本相符。采用振动法对各索索力进行了测试，各索索力实测值与理论值误差在－5.72％～10％区间。
10 结语
（1）本工程首次创新采用中置压环索承结构体系，相比传统的结构体系，适应矩形建筑平面的能力更强。
（2）通过合理的结构找形，压环在自重作用下几乎不产生任何的弯矩，结构效率得到提高。
（3）受压杆件进行局部稳定性分析，并按照规范配置加劲肋。加劲肋选取应综合考虑外圈径向梁的功能、受力情况以及用钢量。
（4）通过屋盖弹性分析、双非线性稳定分析、关键节点设计和屋盖健康监测，保证了结构的安全可靠。
本文转自《建筑结构》——上海浦东足球场钢屋盖结构设计，作者徐晓明，陈伟；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！