苏州奥体中心位于苏州工业园区内，占地近60万m²，总建筑面积约35万m²。本项目由含45 000座位的体育场、13 000座位的体育馆、3 000座位的游泳馆和服务配套中心组成。其中，体育场建筑面积81 000m²，建成后实景图如图1所示。

　　 体育场由地上五层看台结构+钢结构屋面组成，看台的抗侧力系统为混凝土框架+屈曲约束支撑结构^[1]。钢结构屋面除在混凝土结构三层设置铰接柱脚和高看台侧面设置连杆外，自成平衡体系^[2]。混凝土看台高度31.8m，钢结构屋面高度52.0m。体育场剖面如图2所示。

　　 基于建筑师的马鞍形曲线的设计构思，体育场的屋盖结构采用马鞍形轮辐式单层索网结构。屋盖外边缘环梁几何尺寸为260m×230m，马鞍形的高差为25m。体育场屋盖主要几何尺寸如图3所示。

　　 体育场屋盖结构主要由三部分组成:屋面覆盖拱支承的膜结构、主体结构外倾V形柱+马鞍形外环梁+索网、外幕墙格栅体系，如图4所示。

　　 传统索结构支承体系一般采用如下三种方案:

　　 方案一:混凝土墙柱+混凝土环梁，索锚固在混凝土环梁上。缺点是混凝土框架结构刚度很大，其在索网张拉时产生的次内力很大，相应构件截面加大，经济性欠佳。

　　 方案二:在方案一的混凝土柱或环梁上布置滑动支座，支座上方设置钢压环。钢压环可以在索预应力的作用下向场内伸缩，避免了对下方混凝土看台结构的不利影响。缺点是钢压环不参与整体结构抗震，看台混凝土结构需要另外布置环梁，造成了一定程度的浪费。

　　 方案三:竖直钢柱+钢压环梁。钢柱柱底铰接，钢框架刚度相比混凝土框架小，索网张拉时钢柱随着环梁向内场变形，不利次内力小。缺点是竖直钢柱刚度较小，需要另外增加支撑，以抵抗水平风荷载和地震作用。

　　 “外倾V形柱+马鞍形外环梁”支承体系综合了上述三种方案的优点，同时避免了其缺点，是一种受力合理、结构效率高的新型支承体系。该支承体系的V形柱外倾，V形柱和外环梁一起在空间上形成了平面内外刚度都非常好的锥形壳体结构，能很好地抵抗水平风荷载和地震作用。柱底采用关节轴承或球形钢支座，可以径向和环向双向转动，索张拉时柱随环梁转动，支撑结构不利次内力很小。因此，本工程主体结构采用了该支承体系。

　　 原建筑方案马鞍形较平，结构采用双层索网体系，后期建筑方案调整，加大了马鞍形高差。对双层索网和单层索网进行了对比分析后发现，马鞍形高差大于15m后，单层索网结构效率开始优于双层索网;25m马鞍形高差可以使单层索网结构有效地形成屋面刚度，如图5所示。

　　 柔性结构与刚性结构主要的区别之一就是结构形状由结构内力确定，因此需要对整个屋盖结构找形。找形要达到以下目的:形成建筑师希望的建筑外形，得到整个屋盖的主要结构构件准确的预应力态，以保证实现一个单纯的拉-压结构受力体系，如图6所示。

　　 施加在屋盖上的荷载，通过径向索传递到外环梁和内环索上。结构受力简洁，径向索两端节点力平衡。通过找形确定了内环索和径向索的预应力，如图7所示。使外环梁在自重和预应力作用下弯矩最小，以节约用钢量。

　　 初步结构方案中钢结构在混凝土结构三层设置铰接柱脚，自成平衡体系。后期根据风洞试验结果对结构方案做了调整。

　　 由于高看台区的墙面结构非常高，达到了40m，风振系数很大。为了使结构更加有效，在高看台处增设28根水平连杆连接钢结构与混凝土结构，连杆截面140×10，如图8所示。墙面部分自振频率从0.39Hz增加到0.61Hz，风振系数从4.0降至3.5。

　　 为了尽量减少屋盖结构和混凝土结构的相互影响，水平连杆采用带向心关节轴承的二力杆。二力杆在所有主体结构及上部恒荷载施加完成后再进行连接。水平连杆仅承担风荷载及其他附加效应。

　　 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:径向索头荷载、内环索铸钢节点荷载、马道荷载、膜及膜拱荷载、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(雪荷载分布在屋面较低处)、积雪荷载(雪荷载堆积在膜拱拱脚)、积水荷载、温度荷载、风荷载、钢柱脚沉降差、地震作用。将以上荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)进行组合，承载能力极限状态组合+正常使用极限状态组合总数达到了340个。

　　 同济大学土木工程防灾国家重点实验室对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，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，计算时考虑了结构大变形引起的几何非线性效应，得到了钢屋盖的风振系数;同时，为了考虑柔性屋面结构和风荷载之间的耦合作用，实验室人员进行了气弹性模型风洞试验研究，研究发现，除了屋盖挑篷悬挑端部分在试验风速下有较大振幅，其脉动风压系数明显大于刚性模型测压试验结果外，其他位置的差别较小，整体屋盖的风振系数为1.81，小于ANSYS的计算结果1.86^[3]。

　　 风洞试验提供了24个不同风向角作用下的风荷载值，将这些荷载进行分析计算后，选取6个不同风向角的风荷载用于整体分析:0°风向角风荷载，此风荷载引起整体结构产生向上的最小风吸力;15°风向角风荷载，此风荷载引起整体结构产生Y向的最大反力;60°风向角风荷载，此风荷载引起的整体结构产生向上的最大反力，同时也引起结构局部结构产生较大的风吸力;75°风向角风荷载，此风荷载引起局部结构产生较大的风吸力;90°风向角风荷载，此风荷载引起最大的整体结构X向的反力;135°风向角风荷载，此风荷载对于幕墙结构而言是最不利荷载。

　　 V形柱根据受力不同，材料采用Q345C和Q390C，截面采用圆管或圆管+内加强板形式，如图9所示。40m高V形柱截面控制在1 100×35，如图10所示。环梁采用Q345C圆钢管，直径1 500mm，壁厚45～60mm不等。

　　 径向索、内环索均采用进口全封闭索，其索夹抗滑能力、索承受索夹压力能力、防腐蚀能力、抗疲劳强度均优于螺旋索，钢丝抗拉强度标准值不小于1 570N/mm²，径向索为单根索，直径有100,110,120mm三种规格，内环索为8根索，直径均为100mm。

　　 屋面膜材采用《膜结构技术规程》(CECS 158∶2004)中代号为GT的膜材，其基材为玻璃纤维，双面涂聚四氟乙烯(PTFE)涂层，抗拉强度满足国标G类A级要求。

　　 为减小柱脚销轴直径，以减小支座整体高度，达到美观效果，柱脚销轴采用符合欧洲EN10343标准的高强34CrNiMo6材料，QT处理，国内大的钢材供应厂商都可以生产，并出口到欧洲，在机械行业应用比较普遍^[4]。销轴直径在161～250mm之间时，其屈服强度标准值达到600MPa，比常规40Cr的屈服强度标准值500MPa提高20%。

　　 同样，为了减小索夹、柱脚的构件尺寸，铸钢材料采用符合欧洲EN10213的高强G20Mn5QT材料，并把材料屈服强度标准值要求从300MPa提高到了385MPa。铸造时，C,Mn等元素要达到中上限，并需加入Cr和Ni等合金元素，还要严格控制P,S的含量，合理调配Si的含量，提高钢水的纯净度，才能保证铸钢件的力学性能，碳当量控制在不大于0.48%^[5]。但钢材强度的增加会带来延性的降低，而体育场采用轻质膜屋面，地震作用不起控制作用，对材料的延性要求可适当降低，经过专家会论证，伸长率允许从规范的22%降低到20%。

　　 外圈倾斜的V形柱在空间上形成了一个刚度良好的圆锥形空间壳体结构，直接支承设置于顶部的受压外环梁。

　　 最高40m的V形柱和环梁形成了刚度巨大的桁架，其展开面如图11所示。刚性桁架对基础沉降较为敏感，为了减小基础沉降差的影响，对结构柱的设置进行了方案优化的比较，让特定部位的立柱承受指定的荷载，图12为局部的立柱(整体的1/4)平面布置图，所有节点均绕径向和环向铰接。柱脚节点1的柱承受屋盖、幕墙竖向荷载及径向和环向水平荷载;柱脚节点2竖向滑动，柱不承受屋盖竖向荷载，但承受幕墙竖向荷载并传递给上方的外环梁，承受径向与环向水平荷载;柱脚节点3竖向和环向滑动，柱不承受屋盖竖向荷载，但承受幕墙竖向荷载，柱承受径向水平荷载，但不承受环向水平荷载;柱脚节点4单肢柱竖向滑动，滑动的单肢柱不承受屋盖竖向荷载，但承受幕墙竖向荷载，柱承受径向和环向水平荷载。

　　 在满足结构刚度需要的前提下，部分柱边界条件的释放使基础沉降差产生的柱应力由95.1MPa减小到34.1MPa，节约了用钢量。

　　 采用SAP2000分析软件，建立单钢屋盖、钢屋盖+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。根据找形结果，拉索预应力用降温方法来模拟，并作为基础工况参与各工况组合。钢结构和混凝土看台顶端的连杆在所有主体结构及上部恒荷载施加完成后再进行连接施工，并采用非线性阶段施工方法对其进行模拟。

　　 采用Ritz向量法进行模态分析，考虑的振型数量为100个，三个方向累计质量参与系数均超过97%。前6阶振型均为屋盖上下振动，表明结构竖向刚度较弱，第一阶振型频率仅0.313Hz，如图13所示。

　　 按照《苏州奥体中心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，结果表明，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下，拉索应力最大，最大应力比0.80。拉索采用进口全封闭索，抗拉力设计值按照欧洲标准EN12385-10取值，拉索抗力分项系数即拉索极限抗拉力标准值除以抗拉力设计值为1.65，小于中国《索结构技术规程》(JGJ 257—2012)要求的2.0。《索结构技术规程》(JGJ 257—2012)第5.6.1条文说明指出，规范2.0安全系数是基于钢丝束、钢绞线和钢丝绳综合取值的，高强钢丝束的安全系数实际为1.55，经专项审查专家讨论，同意安全系数取1.65。另外，按照2.0安全系数进行计算，拉索最大应力比为0.97，略小于1.0。

　　 钢结构和混凝土结构整体模型分析的钢屋盖各项指标也均满足规范要求。

　　 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，按照规范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。钢材本构关系曲线如图14所示。

　　 按结构每一工况的第一阶屈曲模态考虑260m跨度1/300的初始缺陷。分析按照两个荷载步进行:第一荷载步计算预张应力和重力的作用(包括索头、索夹重力等);第二荷载步计算其余外荷载的作用。

　　 按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)要求采用荷载标准组合进行分析，在雪荷载和风荷载同时组合的工况中，考虑到组合较多，风荷载仅选取使结构变形、受力较大的三个典型的风向角(0°，75°，90°)，共计60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，典型工况下荷载位移-曲线如图15所示。

　　 柱顶节点如图16所示，V形柱与环梁通过连接板刚性连接，环梁之间通过法兰刚性连接，径向索与法兰盘延伸出来的耳板通过销轴连接。

　　 如第5节所述，结构有4种形式支座。柱脚节点1为关节轴承铰接支座，柱脚节点2为可上下滑动关节轴承铰接支座，柱脚节点3为可上下左右滑动关节轴承铰接支座，柱脚节点4为可上下滑动的关节轴承铰接套筒节点。节点绕径向和环向双向铰接通过向心关节轴承来实现;竖向、径向、环向滑动或三者的组合滑动通过关节轴承、轴承座、轴承压盖、双金属材料滑板等来实现。对柱脚节点1～4进行了有限元分析和节点试验，柱脚节点2,3,4滑动摩擦系数分别为0.19,0.17,0.21，应力、变形等结果满足设计各项指标要求^[6]。柱脚节点4如图17所示。

　　 对体育场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、钢构件应力、索力、变形、内环加速度等^[7]。监测发现，拉索施工成形后，磁通量传感器索力实测值和数值模拟计算结果相差在5%以内，小于《索结构技术规程》(JGJ257—2012)第7.4.9条规定的10%。竖向位形实测值和数值模拟计算值的差值多数少于10mm，最大为17mm，远小于设计允许的100mm，施工精度很高。

　　 结构封顶后，苏州当地经过一次降雪过程，大雪中拉索的位置和形状有些许变动，但应力变化很小，与数值模拟计算结果吻合。大雪过后，拉索的位置和形状恢复到正常水平，说明本次雪荷载对于结构的影响轻微，结构处于安全状态。

　　 体育场跨度260m，钢索模型理论重338t，环梁理论重1 634t,V形柱理论重1 899t，总计3 871t。

　　 按照屋盖投影面积(34 700m²)计算，索用钢量9.7kg/m²;索+环梁用钢量56.8kg/m²。通过采用高强钢索，显著降低了大跨结构的用钢量，减少了碳排放量，符合国家绿色建筑的发展方向。

　　 屋面覆盖材料之下仅有单层索网主结构，索最大直径120mm，马道、电缆沟等创造性地放在了屋顶上方，最大限度地实现了结构的简洁效果。体育场内场实景图如图18所示。

　　 (1)苏州奥体中心体育场采用了外倾V形柱+马鞍形外环梁+260m跨轮辐式单层索网结构，受力合理、结构效率高。

　　 (2)进行了单层索网和双层索网结构体系对比;通过找形确定了内环索和径向索的预应力;对结构柱的设置进行了方案优化以减小基础沉降差的影响;进行了创新节点设计和试验，试验结果满足设计假定和受力要求;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，整体稳定极限承载力系数满足要求。

　　 (3)设置了健康监测系统，对屋盖结构施工和使用过程进行安全性能监测。体育场已于2018年3月竣工验收并投入使用，并经历一场大雪和台风的考验，健康监测系统显示，结构运行状态良好。结构设计过程中所遇到的技术难点和采用的解决方案，保证了结构的受力安全，可为今后类似项目的结构设计提供参考。