苏州奥体中心游泳馆建筑面积49 000m²，设3 000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，马鞍形高差为10m，游泳馆屋盖主要几何尺寸见图3。

　　 屋盖结构形状的几何形成过程(图4)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。

　　 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，外环梁是网球拍的外框，而索网则是网球拍的网状结构。预应力索网与受压外环梁形成自锚体系，索的拉力使外环梁产生压力，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，每对索之间间距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《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)(简称荷载规范)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]。

　　 风洞试验与荷载规范并没有对风摩擦力进行规定，出于安全考虑，风摩擦力w_fr根据欧洲荷载规范EC1取值:

　　 式中:β_z为风振系数，根据风洞试验报告取1.7;μ_zμ_sw₀取各个风向角下的最大值，其中μ_z为风压高度变化系数，μ_s为风荷载体型系数，w₀为基本风压;C_fr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，截面为850×30，其余柱截面为850×15，850×20。环梁采用Q390C圆钢管，截面为1 050×40，索网张拉完成后的结构见图6。

　　 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。将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1 570N/mm²，弹性模量E=1.62±0.05×10⁵N/mm²，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Rit Z向量法进行模态分析，考虑的振型数量为100个，X,Y,Z三个方向累计的质量参与系数均超过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，见图8。

　　 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)(简称技术规程)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。

　　 按荷载规范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、受力较大的三个典型风向角(0°，75°，90°)，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《空间网格技术规程》(JGJ7—2010)第4.3.3条规范要求，典型工况荷载位移曲线如图10所示。

　　 柱顶节点如图11所示，V形柱与环梁通过加劲板刚性连接，环梁之间通过法兰刚性连接，法兰采用32个8.8级摩擦型镀锌高强度螺栓M36，施加100%预应力，由于镀锌高强度螺栓扭矩系数不稳定，故采用专用张拉器张拉高强度螺栓后拧紧，见图12。

　　 技术规程第7.2.5条规定:当拉索长度L≤50m时，其允许偏差±15mm;当拉索长度50m<L≤100m时，其允许偏差±20mm;当拉索长度L>100m时，其允许偏差±L/5 000。假定索长制作误差和索网端节点安装误差满足均值为0的正态分布，其3倍标准方差为误差限值。索长误差沿索长按照各索段长度比例分布，端节点安装误差布置在索端，误差样本数量1 000个。仅考虑技术规程规定的索长制作偏差时，索力误差在5.9%～19.2%之间，不能满足技术规程10%的要求。设计要求索长误差允许值为技术规程允许值的1/2，计算发现，索力误差在2.9%～12.8%之间，仍有部分索不满足技术规程要求。同时考虑设计要求的索长偏差和±30mm的钢结构安装误差，索力误差在11.0%～58.6%之间，误差较大的索主要是边索，因其索长较短，最短仅31.7m，索长误差占索总长比例最大^[3]。

　　 V形柱柱脚如图13所示，由圆钢管逐渐过渡到梭形钢管和铸钢件，与混凝土柱上方的球形钢支座相连。球形钢支座竖向压力设计值7 500kN，竖向拉力设计值3 915kN，水平剪力设计值6 160kN，承载力试验结果满足设计要求^[4]。

　　 游泳馆在夏季空调关闭后，室内温度升高，拉索处于高温、高湿、高氯(次氯酸、盐酸和氯气)环境;冬季空调开启时，易结露，拉索处于高湿、高氯环境。同时，拉索处于高应力工作状态。为了考察全封闭索在高应力、泳池环境下的抗腐蚀性能，为是否采取附加防腐措施提供依据，进行了拉索腐蚀试验^[5]。

　　 上海东方体育中心游泳馆泳池消毒方式和本项目相同，为全流量臭氧消毒辅助长效氯消毒。对该游泳馆进行调查表明，泳池水中氯离子含量相对较高，约为200mg/L，结构表面冷凝水中氯离子含量约为100mg/L。室内温度在22～26℃之间，相对湿度在50%～90%之间。按上述条件设计了恒温恒湿腐蚀试验和中性盐雾加速腐蚀试验。试验索分三种类型:无应力无涂装拉索、有应力无涂装拉索、有应力有涂装拉索。应力取拉索最大设计抗拉应力600N/mm²。涂装分三层，底层为双组分环氧底涂，专门应用于Galfan索表面，提高涂层体系附着力;中间层为快干型双组分聚氨酯中间漆，在发挥长效防腐的同时，赋予涂层弹性高，耐冲击性强以及耐磨性优异等特殊属性;面层为低溶剂量弹性聚氨酯面漆。

　　 对无应力和高应力密封索进行恒温恒湿腐蚀和中性盐雾加速腐蚀试验。首先对比无应力拉索在恒温恒湿和中性盐雾环境中的早期腐蚀行为和相关性，推测该拉索在高腐蚀环境的中后期腐蚀速度;在此基础上对比无应力和高应力拉索在中性盐雾腐蚀下的腐蚀速度相关性，推测高应力拉索在高腐蚀环境下中后期腐蚀速度。

　　 结合试验结果的分析和预测表明，80%相对湿度的游泳馆环境中无应力拉索锈蚀50年后，拉索的剩余相对承载力为84.0%。有应力(600MPa)拉索在前13年腐蚀速度较快，之后速度逐渐下降，锈蚀50年后拉索的剩余相对承载力为63.9%。带涂层的有应力拉索经384d盐雾腐蚀试验后未发现拉索腐蚀，仅局部涂层有空鼓。无应力无涂装拉索、有应力无涂装拉索、有应力有涂装拉索腐蚀情况见图14。

　　 建议游泳池设计时尽量采用高层高(如净高高于20m)。实际调查表明，标准运营条件下，层高低的游泳馆相对湿度高(80%～90%)，层高高的相对湿度低(60%～80%)，试验结果表明，80%相对湿度条件下高钒镀层的腐蚀速度是90%相对湿度条件下的腐蚀速度的42%。

　　 尽量杜绝拉索表面出现冷凝现象，或者其他部位形成的冷凝水滴落至拉索表面。如:1)避免拉索受游泳馆外部环境或与外部环境连接的结构的影响而处于低温状态，造成周围空气过冷而冷凝;2)避免游泳馆屋盖、外墙等结构构件形成冷凝水，若屋盖内侧或其他位置不可避免形成冷凝水，则应采取可靠的措施引导冷凝水排至安全位置，避免冷凝水滴落至拉索表面。建议重点在温度最低的凌晨，尤其是在冬天温度最低时，检查拉索是否出现冷凝现象，并采取措施避免。

　　 避免封闭拉索由于受力等原因导致内部受扭而张开。如:拉索段较短，且由于索头设计不合理，施加高预应力后在拉索内部形成扭转力，从而使拉索各索丝之间缝隙变大，形成有利于次外层及更内层的索丝腐蚀的不利条件。建议在拉索张拉后检查拉索的封闭程度，对封闭状况不好的拉索采取相应的密封措施，如进行表面涂装等有效措施。

　　 建议游泳馆运营时进行温湿度长期监测。温湿度测点可布置于游泳馆不同高度和不同水平位置，在屋盖底部、重要拉索、怀疑有腐蚀危险的部位布置温湿度传感器，监测安装点附近空气温度和湿度。对相对湿度过高，从而有可能造成水蒸气冷凝，或长期温度或相对湿度过高的不利位置及时采取措施保证温度和相对湿度控制在相对低的水平，温度保证不长期高于30℃，拉索周围的空气相对湿度最好保证长期在80%以下。

　　 定期检查拉索表面氯离子含量，氯离子含量过高时进行有效清洗。氯离子含量检查可采用随机抽检和重点部位检查相结合的方法。重点部位的确定可在设计安装后根据情况确定，或在定期检查时根据拉索表面是否变得不光滑来进行初步判断选定。表面氯离子含量可采用清洁纱布在拉索表面多次擦洗后在去离子水中浸泡析出氯离子，然后采用化学滴定或离子选择电极法测试拉索表面氯离子含量。考虑到索丝镀层最小厚度为22μm，其在90%相对湿度游泳馆环境下的预测寿命为2.5年，因此建议日常检查周期为3个月，全面检查周期为1年。当检查出氯离子含量高于2×10^-7g/mm²时，需要对拉索表面进行有效清洗。例如可采用去离子水或橡胶水对拉索进行清洗以排除侵蚀源。若整体清洗有困难，可对索头与索连接处、索头与结构连接处等重点区域进行。

　　 索头与索夹连接处存在一个数毫米宽的环形缝隙，此处若累积了一定氯离子后不易清洗，建议采用环氧或其他有效防水密封涂料进行填充，以免造成缝隙内拉索局部严重腐蚀。

　　 根据试验结果，348d腐蚀试验后进行涂装的拉索基本不腐蚀，因此建议对明显处于不利位置的拉索、索头和索夹等采用类似的涂装进行防腐。持续348d的盐雾腐蚀试验中发现，涂装的局部会空鼓，可见涂装也存在一定的耐久性问题，建议在使用中注意定期检查涂装质量的下降程度，并采取对应的修补措施。

　　 游泳馆拉索未进行涂装，按照试验建议，定期检查拉索表面氯离子含量和拉索有无腐蚀情况，必要时采取补涂措施。

　　 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15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60×60×5的方钢管相连，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16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1 100mm，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形立柱和外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%，其中偏差在5%～10%的有3根，偏差小于5%的有9根，满足技术规程第7.4.9条中不宜大于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(8 983m²)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;外环梁直径107m，最大截面仅1 050×40。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。游泳馆内场实景图见图17。

　　 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。

　　 分析试验和监测措施保证了游泳馆结构受力性能。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。