苏州奥体中心游泳馆采用了107m大跨度马鞍形单层索网结构。计算考虑了风摩擦力的影响；对结构进行了考虑几何非线性和材料非线性的整体稳定分析；进行了无应力无涂装拉索、有应力无涂装拉索、有应力有涂装拉索的腐蚀试验；完成了柔性屋面大变形对附属结构影响研究；进行了屋面系统大变形试验；设置了钢屋盖健康监测系统。计算和试验结果表明结构各项指标能满足规范要求，健康监测系统显示结构施工和使用期间，实测应力变形与计算值贴合良好。
苏州奥体中心游泳馆建筑面积49000m2，设3000座位，建成实景图如图1所示。
游泳馆由地上四层看台结构及钢结构屋盖组成，看台的抗侧力体系为混凝土框架-剪力墙结构。钢结构屋盖在三层12.0m标高处设置铰接柱脚，自成平衡体系。混凝土看台高度15.6m，钢结构屋盖高度32.0m。游泳馆剖面如图2所示。
游泳馆的屋盖是基于马鞍形曲线的设计构思发展起来的正交单层索网结构，结构的外侧为整个游泳馆的幕墙，屋盖外边缘环梁为正圆形，直径107m，马鞍形的高差为10m，游泳馆屋盖主要几何尺寸如图3所示。
屋盖结构形状的几何形成过程如下：1）在标高12.0m处均匀布置柱脚支座，在平面上围成一个直径83.9m的圆形平面；2）在标高27.0m高度处，设置一个直径为107m的受压环；3）将受压环的z向坐标根据余弦曲线变化形成马鞍形：受压环Z向坐标Z(φ)=5cos(φ)+27m,其中φ为受压环坐标点平面投影与中心点连线和Y轴的夹角，0<φ≤2π，。如图4所示。
游泳馆屋盖结构主要由三个部分组成：直立锁边屋面体系，主体结构V形柱+外环梁+索网，外幕墙格栅体系。
正交单层索网结构体系的设计思路来源于网球拍的受力原理，外压环是网球拍的外框，而索网则是网球拍的网状结构。预应力索网与受压环梁形成自锚体系，索的拉力使受压环梁产生压力，如图5所示。10m高差的马鞍形进一步提高了屋面结构的刚度，稳定索矢跨比1/38，承重索矢跨比1/15，承重索和稳定索均为双索，各31对，间距3.3m，在双向正交索网层的交汇点处设置索夹具，以连接上下预应力钢索。
钢构件自重由程序自动考虑，并将密度放大1.1倍以考虑节点的重量。其他荷载还包括：直立锁边屋面系统荷载，索夹荷载，马道荷载，幕墙荷载，屋面设备荷载，不上人屋面荷载，均布雪荷载，不均布雪荷载，温度荷载，风荷载，钢柱脚沉降差，地震荷载。按照《转自：建筑结构-公众号荷载规范》（GB 50009—2012）进行组合，承载能力极限状态组合与正常使用极限状态组合总数达到了394个。
项目在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了刚性实体模型风洞试验研究和CFD数值风洞模拟研究，两者结果比较接近，数值模拟的体型系数绝对值比风洞试验结果略大0.1~0.2；用ANSYS的瞬态分析方法计算了结构的风致响应，考虑了结构大变形引起的几何非线性效应，得到钢屋盖的风振系数为1.7[2]。
风洞试验与《转自：建筑结构-公众号荷载规范》（GB 50009—2012）并没有对风摩擦力进行规定，出于安全考虑，风摩擦力wfr根据欧洲荷载规范EC1取值：
wfr=wkCfr=βµzµsw0Cfr=0.03kN/m²
式中：βz为风振系数，根据风洞试验报告取1.7；µz为风压高度变化系数；µs为风荷载体型系数；w0为基本风压；µzµsw0取各个风向角下的最大值，Cfr为摩擦系数，取0.02。
每个风向的风摩擦力均作为该方向风工况的一部分，与风压或风吸荷载共同输入到该方向风工况中。
V形柱采用Q390钢管，高20m，截面850×30，其余柱截面850×15，850×20，如图6所示。环梁采用Q390C圆钢管，截面1050×40。
游泳馆拉索在工作中长期处于高氯气当中，根据国际标准化组织发布的《钢结构防护涂料系统的防腐蚀保护》（ISO 12944），为C4（高）腐蚀环境。全封闭索中心钢丝表面热浸锌处理，富锌复合材料填充，外表面两层用Z形Galfan镀层钢丝，如图7所示。相比螺旋索，全封闭索抗腐蚀能力更强，游泳馆拉索全部采用进口全封闭索。钢丝抗拉强度标准值不小于1570N/mm2，弹性模量E=1.62±0.05×105mm2，承重索和稳定索均采用双索，直径40mm。
采用SAP2000分析软件，建立单钢屋盖、钢屋盖加混凝土结构两个模型，考虑P–Δ效应和大位移，进行计算分析。拉索预应力根据找形结果，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100个，累计的质量参与系数X，Y，Z三个方向均超过98%。前6阶振型均为屋盖上下振动，表明结构竖向刚度较弱，第一振型频率仅0.58Hz，如图8所示。
按照抗震设防专项审查意见，对结构进行7度罕遇地震下的时程分析，发现地震作用仍然不是控制工况。100年一遇风荷载组合下的承载能力极限状态分析下，拉索应力最大，应力比0.72。拉索采用进口全封闭索，抗拉力设计值按照欧洲荷载规范EC1取值，拉索抗力分项系数即拉索极限抗拉力标准值与抗拉力设计值的比值，为1.65。
恒载+活载标准组合下，索网跨中变形达到860mm，为跨度的1/124，超出《索结构技术规程》（JGJ 257—2012）第3.2.13条中1/200的要求，给附属结构包括马道、水管、直立锁边屋面带来了困难，后文进行详述。
钢结构和混凝土结构整体模型分析下的钢屋盖各项指标均满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）要求。
屋盖为空间受力体系，V形柱和钢环梁、拉索互为弹性支承，无法同常规钢框架结构一样，按照《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）查表得出其计算长度系数。因此，采用通用有限元程序ANSYS，对结构进行了考虑几何非线性和材料非线性的整体稳定分析。
钢环梁和V形柱采用Beam 188单元，拉索采用Link 10单元。钢材的本构关系曲线如图9所示。
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。分析按照两个荷载步进行：第一个荷载步计算预张应力和重力的作用（包括索头、索夹重力等），第二个荷载步计算其余外荷载的作用。
按《转自：建筑结构-公众号荷载规范》（GB 50009—2012）的要求采用荷载的标准组合进行分析，在雪荷载和风荷载同时组合的工况中，考虑到组合较多，风荷载仅选取典型的和结构变形、受力较大的三个角度，同时考虑雪荷载半跨布置，共计52个工况。
计算结果表明，各工况下结构整体稳定极限承载力系数K＞2.0，满足规范要求，典型工况荷载位移曲线如图10所示。
单层索网竖向刚度弱，风荷载下的竖向变形很大，需要重点考虑附属结构如排水管、马道、直立锁边屋面等适应屋面大变形的能力。
在排水管靠近环梁的位置设置软接头，以适应索网在环梁位置处的转角变形。
图14为局部马道示意图，马道每隔3.3m在索夹处设置吊杆，两头悬挑1.1m形成5.5m受力单元，单元之间用方钢管相连，钢管两端设置转动+滑动连接。同时，在整体模型中设置了非结构虚拟单元，统计滑动节点滑动量，两端滑动量取±15mm。
直立锁边刚性屋面如何适应柔性单层索网大变形是游泳馆设计难点之一，在常规直立锁边体系基础上进行了创新设计。屋面体系主要受力构件从下至上包括：索夹上方连接板，主檩条，次檩条，铝合金滑移固定座，直立锁边板。在整体模型中设置非结构虚拟单元，模拟主檩条、次檩条端部滑动节点滑动量，设置长圆孔进行释放[6]。
直立锁边板通长，其平面内外的转动能力较难通过计算模拟，因此，设计了屋面系统大变形试验。选取2×2索网区格，网格尺寸3.3m×3.3m，将索网之外的所有屋面组件包括隔汽、保温层等安装在试验支架上，保证试验条件与实际工程一致。按照索网模型选择4个X向最大转角组合，4个Y向最大转角组合，对网格点进行位移加载，在每个变形加载后进行水密性试验。试验结果指出，现场未发现屋面下层面板渗水，创新屋面系统能承受主体结构大变形。屋面试验装置如图15所示[7]
游泳馆屋面安装时，钢柱临时缝尚未封闭，结构较柔，分析发现，屋面重量就能使索网中心下挠1100mm，该变形会导致屋面安装不紧密，后期产生漏水。解决方案为采取等同屋面重量的配重，每安装一层屋面系统，卸载一批同重量配重，保证屋面安装时索网的变形在可控范围[3]。
游泳馆屋面变形大、创新设计多、难度挑战大、科技含量高。因此，设置了健康监测系统，对钢结构屋盖的施工过程和长期工作状态进行监测和故障预警。
监测内容包括风向、风速、温度、钢构件应力、索力、变形等[8]。
监测发现，钢结构合拢期间，V形立柱和环梁应力和位移实测值与ANSYS计算值基本相符。索张拉期间，磁通量传感器共监测了12根拉索的索力值。与设计索力偏差最大的为7.61%，最小的为0.84%。偏差在5%~10%的有3根，偏差小于5%的有9根，满足《索结构技术规程》（JGJ 257—2012）7.4.9节中不宜＞10%的要求。
游泳馆跨度107m，钢索模型理论重量96t，环梁理论重量366t，V形柱理论重量513t，总计975t。
按照屋盖投影面积（8983m2）计算，用索量10.7kg/m2；索+环梁用钢量51.4kg/m2。通过采用高强钢索，显著降低了大跨结构的用钢量，减少了碳排放，符合国家绿色建筑的发展方向。
钢管柱高20m，最大截面仅850×30；环梁直径107m，最大截面仅1050×40。屋面系统之下，仅有单层索网主结构，直径40mm，最大限度地实现了结构的简洁效果。内场实景图如图17所示。
苏州奥体中心游泳馆采用了107m大跨度马鞍形单层索网结构。进行了刚性实体模型风洞试验研究和CFD数值风洞模拟研究，用ANSYS的瞬态分析方法计算了结构的风致响应，并按照欧洲规范考虑了风摩擦力的影响；对结构进行了考虑几何非线性和材料非线性的整体稳定分析；进行了无应力无涂装拉索、有应力无涂装拉索、有应力有涂装拉索的腐蚀试验；完成了柔性屋面大变形对附属结构影响研究，进行了屋面系统大变形试验，设置了钢屋盖健康监测系统。
游泳馆已于2018年3月竣工验收并投入使用，目前运行状态良好。
本文作者：张士昌，徐晓明，高 峰；单位：上海建筑设计研究院有限公司；
苏州奥体中心更多项目详情参见《转自：建筑结构-公众号》2019年第23期：苏州奥体中心专栏。
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