【钢结构·技术】索结构典型工程：成都凤凰山足球场刚性内拉环索穹顶罩棚

成都凤凰山足球场背景如同调色盘一般的，造型出色，独树一帜。建筑面积约13万平米，是一座满足FIFA标准、有6万个座位的专业足球场，是2023年亚洲杯成都赛区主场馆。

该工程结构平面为类椭圆，南北向长轴直径279m，东西向短轴直径234m，结构关于长轴对称，北高南低，屋盖罩棚最大悬挑长度64m，最小悬挑长度55m。罩棚体系是由索杆系、外压环梁、刚性内拉环桁架组成的国际首例环形刚性内拉环索穹顶结构。索穹顶区域屋面采用单层索网支承的ETFE膜结构，透光性良好，总面积25000平米，透光率高达40％，拉索与屋面膜结构相得益彰，充分体现了结构之美与建筑之美。

图1 成都凤凰山足球场

1）结构整体概况

成都凤凰山足球场屋盖由3部分组成，分别为：

① 足球场内部看台罩棚采用环形刚性内拉环索穹顶结构，Levy型网格，两环环索，其中内拉环为三角立体桁架；

②  足球场外部屋盖采用双层正放四角锥形成的网架，该区域采用焊接球节点连接；

③  足球场结构外立面采用实腹式钢柱与钢梁结构。

图2 足球场结构三维示意图

、

图3 足球场拉索节点构造图

索穹顶外连钢压环与内置钢拉环钢材材质为Q420B；其余构件、球节点及连接板材质均为Q345B。脊索、斜索和环向索均采用密封钢绞线索并采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层进行防腐。索体弹性模量1.60×10⁵MPa，钢丝抗拉强度等级为1570MPa；索头为热铸锚叉耳式连接件，索头承载能力应不低于索体承载力。

2）结构设计重难点

① 所有国内外已建的索穹顶结构均用于封闭屋盖的体育馆建筑中，成都凤凰山专业足球场首次将索穹顶结构用于非封闭的罩棚中。提出了大开口内环钢桁架索穹顶结构、建立了非对称大开口索穹顶结构的找力方法、研发了复杂边界条件大开口索穹顶的设计方法、发展了索穹顶结构的应用范围。项目通过在专业足球场屋盖中部大开口边缘位置设置内环钢桁架，弥补了由于大开口对索穹顶结构刚度与整体性的削弱，保证了张力结构的力系有效传递；通过采用葵花型布置索穹顶结构并经过找力分析及施加合理预应力，解决了由于结构不对称、整体结构斜置以及复杂边界导致的结构受力不均匀问题。

② 成都凤凰山专业足球场屋面系统采用全国最大的单层索系支承ETFE膜结构。充分发挥了膜材轻质跨度大的优点，不仅建筑效果通透，且大幅减小了对主体结构的作用。同时，通过拉索在初应力状态下的抗扭转试验，采用单向链杆转动的穿心千斤顶试验设备，验证了主结构拉索构件解索的风险及拉索在初应力状态下的索夹抗滑移能力。实现了高支撑索膜分离的节点设计，突破了传统的索膜贴合设计，实现了建筑屋盖曲面自由光滑的造型要求。

环形刚性内拉环索穹顶结构的力学性能目前尚缺少系统的理论分析，特别是在施工阶段分析及施工方法的创新研究目前尚无工程经验，由于内拉环的尺寸及刚度尤为特殊，在施工过程中需考虑其对施工过程产生的形态及内力的影响。借鉴索穹顶塔架提升索杆累积安装方法，该工程提出内环桁架竖向提升+索网斜向牵引提升交替施工方法，与索穹顶无支架提升牵引施工方法对比列于表2。

考虑索工装长度优化确定、内环桁架单侧牵引提升防扭转问题、脊索锚接时机优化三个关键问题，确定采用内环桁架竖向提升+索网斜向牵引提升交替施工方法，开创性采用牵引下层索网整体提升和张拉双层索网结构的施工方法，工装减量，无二次转移设备，施工高效，并能够解决内拉环桁架单侧偏心提升扭转控制，索网组装牵引提升中的位形控制，脊索锚接时机等关键问题。

内环桁架竖向提升+索网斜向牵引提升交替施工方法总流程如下：

第一步，原位安装外压环，低空拼装内拉环、组装上层索网（图4a）；

第二步，交替提升内拉环和索网，累积组装撑杆和斜索（图4b）；

第三步，牵引力由上层索网转移至下层索网，牵引下层索网整体提升至上层索网的外端索头靠近外压环，将上层索网的外端索头与外压环锚接（图4c）；

第四步——张拉外斜索，与外压环锚接，提升架卸载，整体结构成型（图4d）。

图4 内环桁架竖向提升+索网斜向牵引提升交替施工方法示意

拉索详细施工步骤如下：

第1步组装上层索网。在原位安装外压环并在低空组装上层索网，在外压环上安装牵引设备和主牵引工装索，在主牵引工装索的中部安装前次工装锚具和前次反力工装，将上层索网外端索头与前次反力工装连接；

图5 组装上层索网示意图

第2步组装撑杆和下部索网。随牵引设备工作，上层索网逐渐被提升，随之组装上层索网下方的撑杆和下层索网，主反力工装安装在下层索网的外端索头上，并在主反力工装上安装主工装锚具与主牵引工装索端连接；

图6 组装撑杆和下部索网示意图

第3步牵引力转移。牵引设备继续工作，主牵引工装索力由上层索网转移至下层索网，下层索网逐渐受力刚化，由悬吊转为托举状态，而上层索网逐渐减力软化；

图7 牵引力转移示意图

第4步牵引下层索网整体提升至上层索网的外端索头靠近外压环。牵引设备继续工作，下层索网托举撑杆和上层索网整体提升；待上层索网的外端索头靠近外压环，此时上层索网已处于松垂状态，将次牵引工装索与次牵引台座连接，然后卸除前次反力工装；

图8 牵引下层索网整体提升示意图

第5步将上层索网的外端索头与外压环锚接。伴随牵引设备继续工作通过次牵引工装索将上层索网的外端索头与外压环锚接，然后卸除次牵引工装索、后次工装锚具和后次反力工装；

图9 上层索网锚接示意图

第6步张拉下层索网整体成型。牵引设备继续工作，待下层索网的外端索头靠近外压环，此时整体结构被施加预应力，将外端索头与外压环锚接就位，结构施工成型，最后卸除主反力工装、主工装锚具、前次工装锚具、主牵引工装索和牵引设备。

图10 张拉下层索网示意图