2.1 工程概况

上海浦东足球场（上汽浦东足球场）位于上海市浦东新区，是集竞技、健身、商业、娱乐为一体的多功能、生态型体育中心。该项目总建筑面积约 14 万m ² ，其中地上建筑面积约 6.5 万m ² ，设计固定座席 33 765 个，于 2021 年正式揭幕，建成图如图 2-1 所示。

足球场建筑形态简洁大方，造型概念源自中国传统瓷器，看台背面和屋面包裹光滑的白色金属材料，呈现出白瓷般光滑圆润的独特建筑效果。

2.1.1 设计思路

索承网格结构是由自行车车轮受力体系演变来的高效自平衡预应力结构体系，通过对径向索施加预应力将拉环和压环联系起来，形成刚度很好的空间形体。对于索承网格结构，当结构外边界和中部大开口均为圆形时，能最有效地发挥轮辐式结构的优势。

为了适应体育场建筑边界要求、扩大索承网格结构的应用范围，椭圆形平面在设计中逐渐被利用。一般来说，拉环与压环采用相同的圆心且拉环、压环形状相同时，径向索与拉、压环之间的角度相等，避免额外弯曲应力。若内外环形状不同，则会增加拉索索力，降低设计效率。Bergermann和Göppert研究了韩国釜山穹顶内环形状及所需材料的关系，当内外环均为圆形时，材料用量最少；随着内环椭圆长宽比的增加，结构所需钢材及索材均明显增加，如图 2-2 所示。

实际工程应用中，索承网格结构更多地采用由多段圆弧组成的类椭圆形平面，如图 2-3 所示。假设不同弧段处拉环与压环中的力N与F大小相等，由力的平衡知，径向索拉力T＝2N×cosα＝2F×cosα。长短轴与角部对应弧段的曲率半径大小关系为：R ₁ ＞R ₂ ＞R ₃ ，则α ₁ ＞α ₂ ＞α ₃ ，cosα ₁ ＜ cosα ₂ ＜ cosα ₃ ，可得径向索索力T ₃ ＞T ₂ ＞T ₁ 。体育场四个角部圆弧曲率半径小，径向索索力越大；长短轴曲率半径大，径向索中建立的预应力较小。换言之，荷载主要由角部径向索承担，角部竖向刚度大、荷载传递效率高。此外，不同曲率的弧段交汇区域，径向索受力也较大。径向索索力不均匀将影响结构整体竖向刚度，为获得与圆形平面相当的结构刚度，意味着需要更大的拉索截面和张拉力。为减小结构角部受力的不利影响，如图 2-4 所示，在结构设计中可使环索 45°角处a点的标高稍高于长短轴处b点和c点的标高，使环索呈空间曲线。四个角部索夹两侧环索拉力的合力F ₀ 与相连的径向索不在同一直线上。其分力F ₁ 由径向索索力平衡，分力F ₂ 由与之相连的撑杆平衡，此时撑杆受拉。此方法在一定程度上可以减小结构角部径向索索力，但是效果有限。

专业足球场由于没有跑道，内场为矩形平面，屋盖也多采用矩形建筑外轮廓，若采用索承网格结构且设置外压环，由于结构存在直边段，此处曲率为 0，截面内力以弯矩为主，压力传递效率低。直边界与四个角部的曲率半径相差甚远，意味着角部径向索受力更不利。德国汉堡Volkspark体育场（图 2-5）为解决此设计难题，在结构四个角部设置多根径向索来满足角部受力，但并没有从根本上解决直边界的不利影响。为缓解结构边界带来的传力效率不利影响，相比常规索承网格结构，上海浦东足球场屋盖结构的设计思路具有明显的创新性：将一般性放置在柱顶的压力环向内移到了V形撑上，成为空间的曲线中置压环，巧妙地适应了直线形建筑轮廓，大大改善了结构性能，如图 1-10 所示。这为索承网格结构增添了活力，扩大了索承网格结构的应用范围。

2.1.2 结构特点

上海浦东足球场屋盖平面短轴向为 173 m，长轴向为 211 m，看台罩棚短轴向悬挑长度为 50.0 m，长轴向悬挑长度为 48.3 m。根据看台的形式，屋盖钢结构和看台结构形成了轻微的马鞍形，高差为 2.5 m，如图 2-6 所示。根据建筑造型、空间使用功能和视觉美观要求，屋盖采用了中置压环索承网格结构，形成近 200 m的大跨度无柱空间。屋盖由立柱、中置压环、上层网格和索杆系构成，其中索杆系包括径向索、环索和V形撑。拉索由高强钢材制成，通过在索网中施加预应力，平衡上部网格的质量。径向索的水平力由中置压环平衡，从而形成了预应力自平衡体系，如图 2-7 所示。径向索为一段直线布置，共有 46 榀；环索成空间曲线，45°角处标高最高，平面投影呈环形。

基于整体分布的预应力方案，通过主动引导力流传递途径，该工程屋盖结构分为承力主结构、悬挑结构和圈梁支撑次构件、竖向及抗侧力结构四大部分：

（1）承力主结构如图 2-8（a）云线部分所示，包括径向索、环索、径向主梁、中置压环梁和V柱外肢，在剖面上形成了稳定的预应力自平衡三角形，即径向索的拉力由径向主梁传递至中置压环上，而中置压环又通过V柱外肢支承在索网上，索网受拉，径向主梁、中置压环和V柱外肢受压。

（2）悬挑结构如图 2-8（b）红色部分所示，包括径向悬挑梁和V柱内肢，该部分的载荷通过V柱内肢传递至索网上。V柱内肢受压，径向悬挑梁受弯。

（3）圈梁支撑次构件如图 2-8（c）红色部分所示，包括柱顶圈梁、柱间支撑、屋面圈梁、屋面支撑［图 2-8（d）红色和紫色部分］、V柱横梁等，除了将屋面载荷传递至承力主结构和悬挑结构上，还保证了结构的整体稳定性。

（4）竖向及抗侧力结构如图 2-8（e）所示，外圈立柱采用上下铰接的摇摆柱，柱间圈梁在拉索张拉之后再闭合，柱和圈梁在拉索张拉时不受力，在角部设置 8 对人字形防屈曲约束支撑，以提供有效的抗侧力刚度。

中置压环索承网格结构形式简洁、轻盈，层次分明，传力明确，具有空间张力感，既充分发挥拉索高强度，又减小了屋盖网格截面，并通过合理优化拉索的预应力，使结构在预应力和恒载共同作用下受力平衡，达到理想的结构受力和建筑外形。

2.1.3 材料及规格

2.1.3.1 拉索材料和规格

46 榀径向索分为三种规格：Φ95、Φ110、Φ120，见表 2-1，其中长轴处径向索直径最小，45°角处径向索直径最大。环索由 8 根首尾相接的拉索并列构成空间曲线，每根拉索规格为Φ100。索网直径分布示意图如图 2-9 所示。

径向索和环索均采用密封钢绞线索，不设调节量。密封索具有非常好的横向承压能力以及索夹的抗滑移能力，同时有较好的防锈蚀能力和抗疲劳能力。钢丝抗拉强度等级为1 670 MPa，索头为热铸锚。钢索外层采用锌-5%铝-混合稀土合金镀层，内层采用热镀锌连同内部填充进行防腐处理。拉索示意图如图 2-10 所示。

2.1.3.2 钢结构

上海浦东足球场屋盖钢结构采用Q390C钢材，压环梁、圈梁、径向梁均采用焊接箱型截面，其中压环梁截面为 1 500 mm×1 500 mm×50 mm×50 mm。上径向梁翼缘宽700 mm、厚 48 mm，腹板高 1 400 mm、厚 10 mm，腹板宽厚比超过规范要求，在箱型截面内增设横向和纵向加劲肋，提高腹板局部稳定性能，如图 2-11 所示。立柱采用热轧无缝钢管，直径 800 mm。屋面支撑采用高强钢拉杆，屈服强度f _y k＝460 MPa。

2.1.3.3 屈曲约束支撑

为提高整体结构的抗震性能，使屋盖主体结构在罕遇地震中基本处于弹性状态，根据结构重要性等级，在结构四个角部设置柱间抗侧力支撑，以增强结构抗侧刚度。由于普通支撑存在压屈及滞回性能差等问题，本工程柱间抗侧力支撑采用人字形屈曲约束支撑（BRB）。BRB直径 900 mm，屈服力F _y ＝4 300 kN。

2.1.3.4 屋面材料

对于大跨结构，结构质量越轻，地震效应越小；但风荷载作用下，屋面又需要有足够的强度和抗风能力，因此对屋面板的选材应满足整体结构安全性和经济性的要求。如图2-12 所示，本工程采用刚性屋面，屋面材料分为两部分：蜂窝铝板双层屋面系统主要用于覆盖看台部分；透明的聚碳酸酯板用于结构内悬挑段，给予中央草地充足阳光，同时获得通透和轻盈的建筑效果。