设计单位：上海建筑设计研究院有限公司

结构顾问：sbp Schleich Engineering Consulting GmbH

总承包商：陕西建工集团有限公司

钢结构安装单位：陕西工程机械建设集团有限公司

索结构施工单位：南京东大现代预应力工程有限公司

索具类型：巨力索具、瑞士Faze高钒涂层密封绳

竣工日期：2023年

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概述

西安国际足球中心是原计划举办2023年亚足联中国亚洲杯的主赛场之一。位于大西安新中心新轴核心位置，西咸新区沣东新城复兴大道以东，科通三路以北。占地约280亩，总建筑面积25万平方米，包括一座6万座的专业足球场和两座国际标准室外训练场。原计划于2023年亚洲杯之前竣工投入使用，可承接除世界杯开幕式外的所有国际A级赛事。级别的足球锦标赛。

足球场屋顶结构平面呈圆角矩形，尺寸约为295.6×250.6m。屋顶结构分为外部刚性网壳结构和内部柔性索网结构两部分。大开口双层正交电缆结构首次应用于互联网。其中，外部刚性网壳屋顶是在不规则的空间表面上以四方锥体形式展开的空间网壳结构。内部索网顶为马鞍形曲面，中心有孔。外压环平面尺寸约为203.0×178.6m，高差约23.5m。内拉环平面尺寸约为115.0×92.4m，高差约为4.9m。实际建筑效果如图1所示。

图1 西安国际足球中心

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索结构系统

1）总体结构概述

足球场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组成，如图2、图3所示。

图2 屋顶结构平面图示意图

图3 屋顶整体结构等轴测图

①外部刚性屋顶结构

外部刚性屋面结构采用空间格构壳体系。整个网格外壳由 68 根混凝土钢柱顶部支撑。立柱顶部配有成品球铰支撑。南、北两侧均采用双排柱支撑，如图4所示。东西两侧部分采用单排柱支撑，如图5所示。

图4 南侧网壳屋顶剖面示意图

图5 西侧网壳屋顶剖面示意图

②内部柔性索膜结构

内部柔性索膜结构包括外压环、悬臂梁、内拉环以及张拉在它们之间的双层双向正交索网系统。双层双向正交索网系统由承重索、上层稳定索、下层稳定索、膜面和连接上下索网的提升索组成。

膜表面在上稳定索和下稳定索之间拉伸。上稳定索形成膜面脊索西安钢结构，下稳定索形成膜面谷索，有效提供膜面空间刚度。有线网络组成如图6至图10所示。

图6 内部柔性索膜结构整体示意图

图7 上层电缆网络组成示意图

图8 下层电缆网络示意图

图9 压环处拉索锚耳板示意图

图10 有线网络局部图

2）材料规格

①钢构件

外压环和悬臂梁构成内索膜屋面的外边界，均由Q390C钢制成。外压环采用外径1.5m的圆管段，壁厚为55mm和60mm。其中，部分60mm厚管段内设置两块横向加劲板；悬臂梁采用变截面箱形截面，根部截面较大。端部断面较小，板厚分为20mm和30mm两种。具体材料规格见表1。

②套索

本工程的承重拉索、上下稳定拉索以及构成内拉环的环形拉索均采用进口密封拉索。密封电缆具有非常好的侧向承压能力和电缆夹的防滑能力，同时还具有优异的防锈能力。和抗疲劳性。本项目电缆规格较多，具体规格如表2所示。

3）项目的重点和难点

该项目在设计和施工过程中存在以下主要难点：

①由于东西两侧外环壳屋面的几何形状（图5），且东西两侧只有单排柱支撑屋面，经对比分析，较为合理，更本工程屋顶内环索网采用自平衡系统是合理的。高效、经济；

②本项目采用创新的正交大开口索网系统，不仅解决了造型、排水等一系列建筑功能需求，而且使正交索网在与内环相交处产生较大的不平衡力电缆;

③本项目最终选用的自锚式内环结构体系对外压环的形状提出了更高的设计要求。在缆索拉力的作用下，不同形状的外压环的内力大小会完全不同；

④本工程存在一些设计难度较大的关键节点，如用于消除不平衡力的环形索夹、用于消除张拉阶段内外环位移差的外压环支撑等。

4）结构设计和施工技术创新

针对该项目的上述关键问题，对结构体系、索夹节点、施工等创新技术进行了系统、深入的研究，形成了大洞口设计与施工的一整套应用技术。正交索网结构形成如下：

①通过找形，外压环与索网形成封闭的自锚固系统，并通过支架与外环网壳连接。施工张拉过程中，支座释放水平平移自由度，张拉完成后锁定，由滑动支座变为固定铰支座，消除了拉力对外侧刚性结构的影响。施工阶段的环。针对内外环结构的连接形式，在相同荷载条件下，比较了施工阶段全固定铰支座和滑动支座对支撑屋面系统的框架柱的影响。图11为两种支撑方案柱平面内外弯矩的变化值。与施工阶段的滑动支撑相比，固定铰支撑方案下大部分框架柱的面内和面外弯矩均有所增加。小部分呈下降趋势，弯矩大幅增加西安钢结构，可达5000kN·m左右。可见，内环索网自锚固系统对于改善外环刚性结构受力效果显着。

a) 面内弯矩

b) 面外弯矩

图11 施工阶段全固定铰支座与滑动支座相比框架柱弯矩变化

②内环索网压环通过支架与外环结构连接。支架在施工和张拉过程中可沿水平方向滑动，施工完毕后固定。图12显示了支撑的基本形式。张拉前，通过施工模拟分析，计算各支座在初始状态下的偏移量，并利用限位垫对偏移支座板进行定位。施工过程中，轴承的限位垫逐渐拆除。 ，使各支撑在预先设计的位移量下有序滑动。张紧完成后，各支撑回到中心位置并锁定。通过这个过程，消除了内环索网在张拉过程中产生的支撑位移。 。

图12 施工阶段滑动轴承

图13 内环夹绳器不平衡力调整

③针对内环节点处出现较大不平衡力的情况，对正交索网的形状进行细化和微调。其过程简述如下： 电缆夹两侧内环电缆所受的力分别为S1和S2。不平衡力

可由式(1)计算。对于完成状态下20000kN的内环索力，只需调整环索夹之间的角度约1.18°。

减少 25%。由于系统本身的特点，这种调整并不能完全消除不平衡力，而只能在一定程度上减弱不平衡力。这种完全隐形的调节可以直接将不平衡力降低到1300kN左右。

(1)

④由于内索网为自锚固系统，需要尽可能减小索网外压环的弯矩，使索网外压环的内力占主导地位通过轴向压力，从而提高材料利用效率。因此，需要通过调整索网预应力分布和形状来优化外压环弯矩分布。图14为优化前后外压环弯矩分布。通过索网找形优化，最大弯矩由4379kN·m降低至1094kN·m。

a) 找形优化前

b) 找形优化后

图14 外压环找形优化前后弯矩分布/(kN·m)

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电缆结构施工

1）索网建设的关键问题

①由于外压环整体较软，设计单位在计算时对外压环施加初始压应力，将外压环的变形控制在合理范围内。由于初始压应力的引入，外压环的加工长度和装配形状与设计和建模配置相比将产生不可忽略的差异。设计单位提供的图纸中的坐标均为结构设计和造型坐标，不能直接作为构件的加工和安装坐标。因此，需要通过精确的零状态找形分析来确定外压环安装状态的几何配置。

②本工程内部屋面采用创新的大开口正交索网结构，不同于传统的正交索网结构和大开口辐条索网结构。而且结构跨度较大，外压环刚度较软，下索锚点距外压环中心较远，周围支撑条件复杂，电缆总量庞大，这无疑给电缆结构的施工带来重大挑战。为了保证索网结构施工的顺利进行，需要制定合理的索网施工方案和对整个过程进行详细的分析。

③本工程电缆均采用定长电缆，电缆端部无调节装置。这无疑对电缆制造和外压环安装的精度提出了更高的要求，必然受到电缆长度误差和外压环安装误差的影响。分析确定合理的控制标准，确保成品结构符合设计要求。

2）根据整个电缆施工流程，制定以下总体施工步骤：

索网施工前奏：外围结构卸载后，将环桁架下胎架翻转（仅接触），将轴承临时径向固定。

图15 索网施工初步顺序

第一步：地面网络完成，吊装电缆网络开始。

图16 索网建设第一步

步骤 2：将环缆提升至约 35m 的高度，并将下部稳定缆固定到位。

图17 索网施工第二步

第三步：在上层解牵引索端增加一根牵引绳，并将所有牵引绳缩短至0.5m。

图18 索网施工第三步

步骤4：释放支撑的临时径向约束。

第五步：拆下压环桁架下的轮胎架。

图19 索网施工第四步

图20 索网施工第五步

第6步：将上部索网锚固到位。

索网施工后续：膜面、马场、周边屋顶等安装。

图21 索网施工第六步

图22 索网施工后续

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项目照片

图23 电缆敷设现场

a) 起重机辅助提升

b) 电缆牵引提升

图24 牵引吊装现场

图25 缆索张拉成型现场

图26 西安国际足球中心全景

撰写者：

上海建筑设计研究院有限公司：徐晓明、施维洲

东南大学：罗斌、阮仰杰

结尾

空间结构科