大开孔双层正交索网，西安国际足球中心罩棚
西安国际足球中心是原拟承办2023年亚足联中国亚洲杯馆主场馆之一，位于大西安新中心新轴线核心位置，西咸新区沣东新城复兴大道以东，科统三路以北，占地约280亩，总建筑面积25万平方米，包含1座6万座的专业足球场、2块国际标准室外训练场，原拟于2023年亚洲杯举办前建成投用，能够承接除世界杯开幕式以外的所有国际A级足球赛事。 足球场的屋盖结构平面上呈现倒圆角的矩形，尺寸约为295.6×250.6m，屋盖结构分为外部刚性网壳结构和内部柔性索网结构两部分，大开孔双层正交索网得到首次应用。其中，外部的刚性网壳屋盖是在空间不规则曲面中通过正放四角锥形式发展出来的空间网壳结构，内部索网屋面呈中央开洞的马鞍形曲面，外压环的平面尺寸约为203.0×178.6m，高差约23.5m，内拉环的平面尺寸约为115.0×92.4m，高差约4.9m。该足球场的整体屋盖结构体系主要由外部刚性屋盖结构和内部柔性索膜结构构成。外部刚性屋盖结构采用空间网壳体系，整个网壳支承于68根型钢混凝土柱顶，柱顶设置成品球铰支座，其中南侧和北侧均为双排柱支承。内部柔性索膜结构包括外压环、悬臂梁、内拉环以及其间张拉的双层双向的正交索网体系，其中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。膜面张拉于上下层稳定索之间，上层稳定索形成了膜面的脊索，下层稳定索形成了膜面的谷索，有效提供了膜面的空间刚度。外压环和悬臂梁构成内部索膜屋盖的外边界，均采用Q390C钢材。外压环采用外径为1.5m的圆管截面，壁厚为55mm和60mm两种，其中，部分60mm厚管段内部设置两道横向加劲板；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。该工程承重索、上下层稳定索以及构成内拉环的环索均采用进口密封索，密封索具有非常好的横向承压能力以及索夹的抗滑能力，并且它也具备优秀的防锈蚀能力以及抗疲劳能力。该工程的拉索规格较多。①由于东西侧外圈网壳屋盖的几何形态（图5），且东西侧仅有单排柱支承屋盖，经对比分析，本工程屋盖内圈索网采用自平衡体系更为合理、高效和经济；②该工程采用创新的正交大开孔索网体系，解决造型、排水等一系列建筑功能需求的同时，也使得正交索网在与内环索交点处产生较大的不平衡力；③该工程最终选用的自锚式内圈结构体系，对外压环的形态提出较高的设计要求，在索张拉力作用下，不同形态的外压环内力水平将截然不同；④ 该工程存在一些设计难度较高的关键节点，如用于消除不平衡力的环索索夹、用于消除张拉阶段内外圈位移差的外压环支座等。针对该工程的上述关键问题，系统深入研究结构体系、索夹节点、施工等创新技术，形成大开孔正交索网结构设计与施工成套应用技术如下：① 通过找形使外压环与索网形成闭合的自锚体系，并通过支座与外圈网壳连接。施工张拉过程中，支座释放水平向平动自由度，张拉结束后锁死，由滑移支座变为固定铰支座，从而消除施工阶段张拉力对外圈刚性结构的影响。针对内外圈结构的连接形式，在荷载条件相同的情况下，对比了完全固定铰支座和施工阶段可滑动支座对支撑屋盖体系的框架柱的影响。图11给出两种支座方案柱平面内外的弯矩变化值，相比施工阶段可滑动支座，固定铰支座方案下绝大部分框架柱平面内和平面外弯矩表现为增大，少部分表现为减少，并且弯矩增大幅度较大，最高可达约5000kN·m。由此可见，内圈索网自锚体系对改善外圈刚性结构的受力具有显著效果。
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