卢立飞，高晋栋，张维廉，司 波，马 健

(北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京 100039)

1 工程概况

援柬埔寨国家体育场是中国政府迄今对外援建的规模最大、等级最高的体育场。体育场南北设人字形吊塔，通过斜拉索吊起东、西两侧的月牙形罩棚，吊塔后方设置背索(见图1)。整个屋盖结构主体由混凝土外环梁、内环索、径向索桁架、谷索、斜拉索、人字形吊塔和背索组成(见图2)，平面外稳定构件由交叉稳定索和下稳定索构成。屋盖平面近似圆形，南北长约306.4m、东西宽约278m，吊塔顶标高约96.000m。

图1 体育场三维结构示意

图2 体育场屋盖索网示意

2 索节点结构设计

钢索节点是索网的连接枢纽，结构合理性和安全性直接影响了整个索网使用性能，深化设计是整个索网结构设计的重要环节。而索节点在设计过程中，需考虑拉索与节点连接强度、构造要求、功能要求和力学性能。同时，索结构节点构造应符合计算假定，做到传力路线明确、安全并便于制作和安装。

援柬埔寨国家体育场屋盖索网结构为多层索网体系，内圈为受拉环索，环索拉力由径向索桁架传递至环梁，使外环梁形成受压环。同时，环索通过斜拉索与吊塔连接，在吊塔后方设置背索以保证吊塔受力平衡，整体结构形式新颖，传力路径复杂。

本文主要针对月牙形罩棚处的索网节点进行分析和研究，根据此处索网的拉索构成特点，将索节点分为内环索节点、径向索桁架节点和谷索节点。

2.1 内环索节点结构设计

内环索作为边界索，一般会设置多道拉索来保证整个索网结构刚度、强度和稳定性。本工程环索采用8道拉索，分上、下双排布置。由图3可知，环索节点在设计过程中，需要考虑将环索、径向索桁架、谷索和斜拉索连接在一起。

图3 月牙形罩棚处的索网(1/4)布置

由于内环索采用多道拉索形式，而径向索、谷索、斜拉索均采用单索形式，因此，内环索节点与内环索连接形式是内环索节点设计的首要考虑因素。目前，连接形式分为索道-盖板与节点-锚具2种形式，如图4所示。

图4 内环索节点与内环索连接形式

连接形式的选择是以索节点受到的不平衡力作为主要参考标准。在索网结构设计过程中，各索段间由于结构本身的限制不可避免地会产生不平衡力。而这种不平衡力会在施工过程中受到钢索加工精度误差、钢索上标记点位置误差、索夹安装位置误差、多根钢索共同作用及钢结构锚固点加工和安装误差等多种因素影响得到进一步放大，对整个索网体系产生不利影响，而索节点在设计过程中需克服这种不平衡力。

索道-盖板连接形式是通过索道和盖板对拉索夹紧力所产生的抗滑移力来抵抗这种不平衡力。这种索节点具有质量较小、安装简便的特点。因此，当节点不平衡力较小时，一般选择这种形式。而当节点不平衡力较大时，需增大索夹构造尺寸来实现这一作用，不仅增加了索夹制造成本，也增加了施工难度，提高了施工成本，同时危险系数也会变高。在这种情况下，索节点选择节点-锚具的连接形式，结构强度和刚度均较大，安全性较高。

考虑索网传力特点，内环索节点由于受到斜拉索作用力，会导致节点两端环索段产生较大的索力差，选用索道-盖板连接形式无法抵消此索力差，因此，选用节点-锚具连接形式来设计环索节点。为降低索网制作成本，分别深化设计节点两端拉索规格和连接形式，通过利用环索节点两端连接相同或不同规格钢索，在一定程度上减小节点和拉索质量，降低施工难度。

内环索节点在深化设计过程中，除了考虑与内环索的连接形式，还需设置与径向索桁架、谷索和斜拉索的连接部位。由于这3种拉索均采用单索形式，且均沿拉索轴向对索节点施加力，因此，节点在与拉索连接处采用耳板-销轴形式，即此处拉索通过销轴与环索节点形成一个整体结构，同时耳板设计尺寸和形状还需满足构件安装空间，并与施工方法相配合。

如图5所示，选取内环索中部、端部和不同规格内环索过渡处各1个索节点作为典型代表，可以看出，不同索节点受到径向索桁架、谷索和斜内索3种拉索轴线的影响，最终设计出的节点形状差异较大。此外，由于施工需要，本节点还在斜拉索耳板位置设置了工装安装孔，以满足斜拉索与内环索节点可在空中拼接安装的需要。

图5 内环索节点结构

2.2 径向索桁架节点和谷索节点结构设计

径向索桁架和谷索、交叉稳定索、下稳定索共同构成月牙形罩棚索网结构的主体部分，拉索连接形式较多，因此，需通过设计不同的索节点结构形式来满足索网连接要求。由于径向索桁架和谷索主要承受竖向荷载，上面所分布的节点受到的不平衡力较小，其中最大索力差≤60kN。因此，索网结构在深化设计过程中，将每榀径向索桁架的上、下径向索和外谷索及下稳定索设计为单根通长拉索，而相应的节点则采用索道-盖板结构形式与其连接在一起。径向索桁架和谷索布置如图6所示。

图6 径向索桁架与谷索布置

由图6可知，上、下径向索节点和外谷索节点在设计中均采用索道-盖板的形式分别与径向索和谷索连接在一起。此外，径向索桁架间布置撑杆，使上、下径向索形成类似鱼腹的形状。在设计时，需考虑撑杆对上、下径向索的支撑力。这种情况下，节点结构一般采用上、下两半式结构，如图7a，7b所示，由该结构可看出，索节点主体部位为主受力结构，撑杆将压力传递至索节点主体部位，然后再传递至索体。而上、下径向索节点2在设计过程中需考虑同交叉稳定索的连接形式，此处采用耳板-销轴结构形式将径向索与稳定索连接在一起(见图7c,7d)，该连接形式具有安装简单和结构稳定的特点。此外，下径向索节点2在设计时，还需考虑与下稳定索的连接形式，本工程将此处节点设计为上、中、下3部分，分别设置上径向索和下稳定索2个索道，如图7d所示。

图7 径向索节点示意

谷索节点与径向索节点的设计思路相似，如图8所示。内、外谷索相连的索节点采用耳板-销轴的结构形式，而外谷索与交叉稳定索的连接则采用索道-盖板与耳板-销轴相结合的结构形式。

图8 谷索节点示意

为满足工程需求，径向索节点和谷索节点等结构形式的设计偏多样化，在设计过程中索节点主体部位大部分采用半球形或圆柱形与耳板-销轴相结合的结构形式，使其更小巧、简洁和美观。

3 索节点力学分析

索网结构的主要特点之一是利用拉索的高强度性能来承受荷载，因此，连接拉索的节点同样需具有高强度性能。本工程索网结构形式新颖，传力路径复杂，而设计的节点也复杂多样。尤其是处于边界的内环索节点，该节点一旦失效，整个罩棚结构将遭受整体毁灭性破坏。

选取内环索中部节点、端部节点和不同规格内环索过渡处节点作为典型索节点进行受力分析。针对整个索网结构分析，索节点主要受到来自拉索的张拉力，根据JGJ 257—2012《索结构技术规程》，需保证索结构节点满足其承载力设计值不小于拉索内力设计值的1.25～1.5倍要求。

以GB 50017—2017《钢结构设计标准》作为参考依据，同时采用有限元法对节点进行受力分析并以此进行合理优化。通过对索节点进行强度和刚度分析，得出应力和变形分布规律，并根据该规律对模型不断进行局部修改优化，减少或消除应力集中区域，使其应力分布更合理。模型优化流程如图9所示。

图9 模型优化流程

结合索节点受力方式，在有限元分析过程中，对索节点施加沿各拉索轴线方向的张拉力，并以相应规格拉索内力设计值的1.5倍作为极限设计荷载。同时，在各拉索轴线的交点区域施加固定约束，保证索节点在极限设计荷载作用下处于平衡状态。

经过对模型进行多次修改优化后，确定最终模型，分析结果如图10～12所示。

图10 内环索中部节点有限元分析结果

图11 内环索端部节点有限元分析结果

图12 不同规格内环索过渡处节点有限元分析结果

由图10～12可知，不同位置的内环索节点虽然具有一定的形状差异性，但应力分布具有相似性和共同性，因此，通过参考典型节点的受力分析可确定内环索其他位置的索节点是否处于安全状态。

通过索网受力路径分析，径向索、谷索、斜拉索拉力通过耳板-销轴结构形式传递至索节点与内环索连接部位，而内环索则直接通过节点-锚具的形式将拉力传递至该连接部位。因此,此处连接部位需具有足够的强度才能满足索网结构使用要求。由应力云图可知，在极限设计荷载作用下，该部位应力均在250MPa以下。本工程以铸钢材料G20Mn5[5]的抗拉强度作为强度校核标准，该材料屈服强度为300MPa，与有限元分析所得到的结果进行对比分析，除了耳板-销轴孔处出现极小的应力集中区域外，绝大部分区域仍处在材料的弹性使用范围。因此，从理论上分析，节点在极限荷载作用下未被破坏，材料强度满足使用要求，结构安全。

此外，通过对内环索节点的变形分析可知，该索节点在极限设计荷载作用下具有变形小、刚度大的特点。因此，索节点的刚度变形对拉索下料长度和整个索网结构成型的影响极小。

4 结语

援柬埔寨国家体育场屋盖索网结构形式新颖、传力路径复杂。因此，需利用索节点的多元化设计来满足整个索网使用性能。

1)对索节点结构进行深化设计时，不仅需综合考虑索网传力路线、节点制作和构件安装及节点使用功能等多种影响因素，还需通过对索节点的三维模型放样来确保其满足施工和使用要求。

2)完成索节点初步结构设计后，还需对索节点进行力学分析，此过程中需综合考虑拉索与节点的连接强度、节点力学性能及力学分析方法等因素，并根据分析结果对初设模型不断修改和优化，在索节点满足安全使用的情况下，使结构受力更合理。