援柬埔寨國家體育場屋蓋索網節點深化設計

盧立飛，高晉棟，張維廉，司 波，馬 健

(北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京 100039)

1 工程概況

援柬埔寨國家體育場是中國政府迄今對外援建的規模最大、等級最高的體育場。體育場南北設人字形吊塔，通過斜拉索吊起東、西兩側的月牙形罩棚，吊塔后方設置背索(見圖1)。整個屋蓋結構主體由混凝土外環梁、內環索、徑向索桁架、谷索、斜拉索、人字形吊塔和背索組成(見圖2)，平面外穩定構件由交叉穩定索和下穩定索構成。屋蓋平面近似圓形，南北長約306.4m、東西寬約278m，吊塔頂標高約96.000m。

圖1 體育場三維結構示意

圖2 體育場屋蓋索網示意

2 索節點結構設計

鋼索節點是索網的連接樞紐，結構合理性和安全性直接影響了整個索網使用性能，深化設計是整個索網結構設計的重要環節。而索節點在設計過程中，需考慮拉索與節點連接強度、構造要求、功能要求和力學性能。同時，索結構節點構造應符合計算假定，做到傳力路線明確、安全并便于制作和安裝。

援柬埔寨國家體育場屋蓋索網結構為多層索網體系，內圈為受拉環索，環索拉力由徑向索桁架傳遞至環梁，使外環梁形成受壓環。同時，環索通過斜拉索與吊塔連接，在吊塔后方設置背索以保證吊塔受力平衡，整體結構形式新穎，傳力路徑復雜。

本文主要針對月牙形罩棚處的索網節點進行分析和研究，根據此處索網的拉索構成特點，將索節點分為內環索節點、徑向索桁架節點和谷索節點。

2.1 內環索節點結構設計

內環索作為邊界索，一般會設置多道拉索來保證整個索網結構剛度、強度和穩定性。本工程環索采用8道拉索，分上、下雙排布置。由圖3可知，環索節點在設計過程中，需要考慮將環索、徑向索桁架、谷索和斜拉索連接在一起。

圖3 月牙形罩棚處的索網(1/4)布置

由于內環索采用多道拉索形式，而徑向索、谷索、斜拉索均采用單索形式，因此，內環索節點與內環索連接形式是內環索節點設計的首要考慮因素。目前，連接形式分為索道-蓋板與節點-錨具2種形式，如圖4所示。

圖4 內環索節點與內環索連接形式

連接形式的選擇是以索節點受到的不平衡力作為主要參考標準。在索網結構設計過程中，各索段間由于結構本身的限制不可避免地會產生不平衡力。而這種不平衡力會在施工過程中受到鋼索加工精度誤差、鋼索上標記點位置誤差、索夾安裝位置誤差、多根鋼索共同作用及鋼結構錨固點加工和安裝誤差等多種因素影響得到進一步放大，對整個索網體系產生不利影響，而索節點在設計過程中需克服這種不平衡力。

索道-蓋板連接形式是通過索道和蓋板對拉索夾緊力所產生的抗滑移力來抵抗這種不平衡力。這種索節點具有質量較小、安裝簡便的特點。因此，當節點不平衡力較小時，一般選擇這種形式。而當節點不平衡力較大時，需增大索夾構造尺寸來實現這一作用，不僅增加了索夾制造成本，也增加了施工難度，提高了施工成本，同時危險系數也會變高。在這種情況下，索節點選擇節點-錨具的連接形式，結構強度和剛度均較大，安全性較高。

考慮索網傳力特點，內環索節點由于受到斜拉索作用力，會導致節點兩端環索段產生較大的索力差，選用索道-蓋板連接形式無法抵消此索力差，因此，選用節點-錨具連接形式來設計環索節點。為降低索網制作成本，分別深化設計節點兩端拉索規格和連接形式，通過利用環索節點兩端連接相同或不同規格鋼索，在一定程度上減小節點和拉索質量，降低施工難度。

內環索節點在深化設計過程中，除了考慮與內環索的連接形式，還需設置與徑向索桁架、谷索和斜拉索的連接部位。由于這3種拉索均采用單索形式，且均沿拉索軸向對索節點施加力，因此，節點在與拉索連接處采用耳板-銷軸形式，即此處拉索通過銷軸與環索節點形成一個整體結構，同時耳板設計尺寸和形狀還需滿足構件安裝空間，并與施工方法相配合。

如圖5所示，選取內環索中部、端部和不同規格內環索過渡處各1個索節點作為典型代表，可以看出，不同索節點受到徑向索桁架、谷索和斜內索3種拉索軸線的影響，最終設計出的節點形狀差異較大。此外，由于施工需要，本節點還在斜拉索耳板位置設置了工裝安裝孔，以滿足斜拉索與內環索節點可在空中拼接安裝的需要。

圖5 內環索節點結構

2.2 徑向索桁架節點和谷索節點結構設計

徑向索桁架和谷索、交叉穩定索、下穩定索共同構成月牙形罩棚索網結構的主體部分，拉索連接形式較多，因此，需通過設計不同的索節點結構形式來滿足索網連接要求。由于徑向索桁架和谷索主要承受豎向荷載，上面所分布的節點受到的不平衡力較小，其中最大索力差≤60kN。因此，索網結構在深化設計過程中，將每榀徑向索桁架的上、下徑向索和外谷索及下穩定索設計為單根通長拉索，而相應的節點則采用索道-蓋板結構形式與其連接在一起。徑向索桁架和谷索布置如圖6所示。

圖6 徑向索桁架與谷索布置

由圖6可知，上、下徑向索節點和外谷索節點在設計中均采用索道-蓋板的形式分別與徑向索和谷索連接在一起。此外，徑向索桁架間布置撐桿，使上、下徑向索形成類似魚腹的形狀。在設計時，需考慮撐桿對上、下徑向索的支撐力。這種情況下，節點結構一般采用上、下兩半式結構，如圖7a，7b所示，由該結構可看出，索節點主體部位為主受力結構，撐桿將壓力傳遞至索節點主體部位，然后再傳遞至索體。而上、下徑向索節點2在設計過程中需考慮同交叉穩定索的連接形式，此處采用耳板-銷軸結構形式將徑向索與穩定索連接在一起(見圖7c,7d)，該連接形式具有安裝簡單和結構穩定的特點。此外，下徑向索節點2在設計時，還需考慮與下穩定索的連接形式，本工程將此處節點設計為上、中、下3部分，分別設置上徑向索和下穩定索2個索道，如圖7d所示。

圖7 徑向索節點示意

谷索節點與徑向索節點的設計思路相似，如圖8所示。內、外谷索相連的索節點采用耳板-銷軸的結構形式，而外谷索與交叉穩定索的連接則采用索道-蓋板與耳板-銷軸相結合的結構形式。

圖8 谷索節點示意

為滿足工程需求，徑向索節點和谷索節點等結構形式的設計偏多樣化，在設計過程中索節點主體部位大部分采用半球形或圓柱形與耳板-銷軸相結合的結構形式，使其更小巧、簡潔和美觀。

3 索節點力學分析

索網結構的主要特點之一是利用拉索的高強度性能來承受荷載，因此，連接拉索的節點同樣需具有高強度性能。本工程索網結構形式新穎，傳力路徑復雜，而設計的節點也復雜多樣。尤其是處于邊界的內環索節點，該節點一旦失效，整個罩棚結構將遭受整體毀滅性破壞。

選取內環索中部節點、端部節點和不同規格內環索過渡處節點作為典型索節點進行受力分析。針對整個索網結構分析，索節點主要受到來自拉索的張拉力，根據JGJ 257—2012《索結構技術規程》，需保證索結構節點滿足其承載力設計值不小于拉索內力設計值的1.25～1.5倍要求。

以GB 50017—2017《鋼結構設計標準》作為參考依據，同時采用有限元法對節點進行受力分析并以此進行合理優化。通過對索節點進行強度和剛度分析，得出應力和變形分布規律，并根據該規律對模型不斷進行局部修改優化，減少或消除應力集中區域，使其應力分布更合理。模型優化流程如圖9所示。

圖9 模型優化流程

結合索節點受力方式，在有限元分析過程中，對索節點施加沿各拉索軸線方向的張拉力，并以相應規格拉索內力設計值的1.5倍作為極限設計荷載。同時，在各拉索軸線的交點區域施加固定約束，保證索節點在極限設計荷載作用下處于平衡狀態。

經過對模型進行多次修改優化后，確定最終模型，分析結果如圖10～12所示。

圖10 內環索中部節點有限元分析結果

圖11 內環索端部節點有限元分析結果

圖12 不同規格內環索過渡處節點有限元分析結果

由圖10～12可知，不同位置的內環索節點雖然具有一定的形狀差異性，但應力分布具有相似性和共同性，因此，通過參考典型節點的受力分析可確定內環索其他位置的索節點是否處于安全狀態。

通過索網受力路徑分析，徑向索、谷索、斜拉索拉力通過耳板-銷軸結構形式傳遞至索節點與內環索連接部位，而內環索則直接通過節點-錨具的形式將拉力傳遞至該連接部位。因此,此處連接部位需具有足夠的強度才能滿足索網結構使用要求。由應力云圖可知，在極限設計荷載作用下，該部位應力均在250MPa以下。本工程以鑄鋼材料G20Mn5[5]的抗拉強度作為強度校核標準，該材料屈服強度為300MPa，與有限元分析所得到的結果進行對比分析，除了耳板-銷軸孔處出現極小的應力集中區域外，絕大部分區域仍處在材料的彈性使用范圍。因此，從理論上分析，節點在極限荷載作用下未被破壞，材料強度滿足使用要求，結構安全。

此外，通過對內環索節點的變形分析可知，該索節點在極限設計荷載作用下具有變形小、剛度大的特點。因此，索節點的剛度變形對拉索下料長度和整個索網結構成型的影響極小。

4 結語

援柬埔寨國家體育場屋蓋索網結構形式新穎、傳力路徑復雜。因此，需利用索節點的多元化設計來滿足整個索網使用性能。

1)對索節點結構進行深化設計時，不僅需綜合考慮索網傳力路線、節點制作和構件安裝及節點使用功能等多種影響因素，還需通過對索節點的三維模型放樣來確保其滿足施工和使用要求。

2)完成索節點初步結構設計后，還需對索節點進行力學分析，此過程中需綜合考慮拉索與節點的連接強度、節點力學性能及力學分析方法等因素，并根據分析結果對初設模型不斷修改和優化，在索節點滿足安全使用的情況下，使結構受力更合理。