大型体育场分开屋盖结构的设计

大型体育场分开屋盖结构的设计

1大型复杂复合开屋盖结构零的突破方案这种房屋盖结构的独特性在发达国家，尤其是在日本和美国。而我国在开合屋盖结构的研究方面还处于起步阶段,关于开合屋盖结构研究的有参考价值的论文很少。尽管已经建成了简单的、较小跨度的开合屋盖建筑,如跨度41.5m钓鱼台国宾馆网球馆、上海浦东某游泳池等,但到目前为止还没有实现大型复杂开合屋盖结构零的突破。目前我国许多地区都有建造大型开合屋盖结构的想法和需求,有的已经进行了建筑方案的准备工作,甚至到了扩初设计阶段。可以预见,在未来的几年,国内对开合屋盖结构的需求将更为强烈。开合屋盖结构因其独特的使用功能,使得其设计过程极为复杂,本文结合一个正在设计的开合屋盖结构,分析开合屋盖结构在结构设计方面需特别考虑的几个问题。2大拱桁架中央分配该工程是浙江省某网球中心的比赛馆,结构布置如图1所示,屋盖覆盖面积为39m半径的球冠形,周边柱子布置在半径为37.3m的圆形平面上,大拱桁架根据建筑要求和建筑红线的限制,采用了一端落地,另外一端落在钢筋混凝土框架上,拱脚跨度为94.5m。可动屋面布置在两个大拱桁架中央,完全打开的水平投影面积为24m×35m(沿大拱方向),开启或闭合时间为20min。根据建筑方案的要求,该工程采用了难度最高的空间开合方式,轨道布置在两个大拱桁架顶部中央,两块可动屋面沿大拱方向开合。3影响机械系统和控制系统的影响与传统的屋盖形式相比,开合屋盖结构的设计更为复杂,除了要考虑结构因素外,还要考虑机械系统、控制系统的影响。传统的屋盖结构各工种的设计是串行式的,而开合屋盖结构由于其复杂性,导致各工种的设计一定要并行进行,具体就是建筑方案、结构形式、开合方式和机械牵引系统是相互影响,相互制衡的。两者的设计流程示意见图2、3。3.1俄罗斯开屋盖设计的依据虽然开合屋盖结构已经建成了两百多座,但总的说来开合屋盖结构还是处在起步阶段,有不少已建工程存在着这样或那样的问题,目前还没有任何关于这种结构的国家或地方的设计规范。开合屋盖设计的依据,结构方面主要是各国的建筑结构规范和表1所列的设计建议;机械设计方面国外主要参考表2所列的起重标准,我国有《起重机设计规范》(GB3811—83);此外还可参照已建工程。网球中心的设计主要采用了我国的建筑结构规范,并参考日本建筑协会的《开闭式屋盖结构设计指针》,机械部分考虑到我国的机械制造及安装水平,主要参考我国的《起重机设计规范》(GB3811—83)。3.2地面轨道系统开合屋盖结构的开合方式有三大类,开合方式的选取主要受建筑外形和使用功能的影响。对于最为复杂的空间移动方式,比较成熟的是轮轨+牵引索这样的行走系统。对于使用轮轨系统的开合屋盖结构,从机械方面考虑轨道的优先级依次是:水平的直轨道、倾斜的直轨道、曲线轨道、折线轨道。对于水平的直轨道,在设计的时候可以直接套用桥式吊车的设计方法,安全、控制系统的设计也非常简单,这样的屋盖通常周边有女儿墙围绕,所以屋面的风荷载也比较简单。对于倾斜的直轨道,所需的牵引力比较大,以克服自重沿轨道的分量,在坡度比较缓的时候,可以部分参照矿山巷道运输系统的设计。对于曲线轨道这类空间移动方式,牵引力要克服自重沿轨道的分量,而且存在的最大问题就是在移动过程中,若保持恒定的移动速度不变的话,牵引力时刻要变化,因此在索端必须加上力传感器,以监测索的牵引力,防止事故发生。折线轨道是曲线轨道的一种延伸,因为轨道每一段都是直线段,牵引力比较明确,但是轮子在通过转折点时会产生冲击荷载,所以从机械方面考虑反而会更加难以处理。根据建筑外形的要求,网球中心的开合系统采用轨道系统,驱动方式采用电机牵引缆索的驱动方式,如图4所示。轨道曲率半径为76m,每块可动屋面的单边轨道上布置两个轮子,轨道布置在大拱桁架的中心。牵引电机安装在大拱桁架内部,牵引索分别布置在大拱桁架靠近上、下弦处,通过底部的导向轮实现转向。检修便道也布置在大拱桁架内部,方便对驱动系统的检查和维修。单边索需要的最小牵引力为140kN。若可动屋面面积较小,在每边轨道上只需采用两个轮子相连时,可以把轨道改进为抛物线轨道,使得在完全开启状态下可动屋面自重产生的沿轨道分量小一点,以减小所需的牵引力。3.3开启状态的基本风压相对常规屋盖只有一种状态而言,开合屋盖结构一般有三种状态:完全闭合锁定状态、完全打开锁定状态、运动状态。一些大型的开合屋盖结构还有第四种状态:半打开的锁定状态。因为不同的状态对应于不同的使用情况,所以开合屋盖结构的荷载考虑要点就是:状态与荷载相对应。最能体现状态与荷载相对应这个特点的就是风荷载的取值问题。开合屋盖的使用要求通常是在天气晴好的时候开启,在恶劣天气下闭合,为了开合的安全,可动屋面移动的时候风速不能太大,也就是说,对于开合屋盖结构,并不是每一个状态都要经受整个设计使用年限中所遇到的最大风荷载。国外已建工程的基本风压的取值一般是:闭合状态取荷载规范规定的建筑场地的基本风压;开启状态对应的设计风速则根据设计者制定的可动屋面使用操作手册确定,日本很多已建成的开合屋盖开启状态承受的风速大多为15～20m/s,折算的基本风压为0.14～0.25kN/m2,对应于6～8级风;移动状态因为持续时间在20min以内,所以用阵风风速为参考值,一般取阵风风速20m/s。另外,在不同的状态下,结构的体形系数也有不同,从网球中心的风洞试验结果可以很明显地看出这个特点,风洞试验结果表明在完全闭合锁定状态的风压值较大。基本风压值的选取与场馆的使用情况密切相关,使用时必须按照相应的可动屋面使用操作手册进行管理才能保证安全,否则若台风到来时,屋面仍处在开启状态,那么结构就非常的危险了。此外风速探测仪也是不可缺少的,屋面的开合应该在风速探测仪的监测下进行,探测到的风速值作为自动化控制的输入条件。风荷载如何取值是开合屋盖结构设计的一个关键,如果笼统地按建筑场地的最大风压基本值进行考虑,既不经济,也不科学。考虑到国内对于场馆使用的管理水平较低,网球中心开启状态的基本风压取0.4kN/m2。虽然这是过于保守,但相对于国内的管理水平而言,是有道理的,而且这个取值也不会和我国的荷载规范中基本风压值不得小于0.3kN/m2的条文相冲突。若能保证建成后场馆的使用严格按照操作手册进行管理,开启状态的基本风压可以取得小一点。开合屋盖结构有一个非常特殊的运动状态,这个状态下对应的荷载要特别加以考虑。为保证开合的安全,操作手册应规定在有屋面积雪的情况下不允许进行开合操作,因此运动状态不用考虑雪荷载,同理,屋面活荷载也不需要考虑。出于安全和管线布置方便的考虑,设备尽量安置在固定屋面部分上,开合屋盖可动部分一般不安装照明、音响等设备,所以可以不考虑设备荷载。但是因为屋面是移动的,所以要考虑伴随着屋面运动产生的一系列的特殊荷载,这些特殊荷载会根据开合屋盖类型的不同而有所不同,主要是水平荷载。特殊荷载主要包括可动屋面的制动力和惯性力、轨道偏差引起的强制位移等,这些荷载的取值可以参照现有的起重标准,并根据开合频率确定工况系数。网球中心开合屋盖的设计中,取可动屋面自重的10%作为沿轨道方向的制动力。考虑到安装在两个平行大拱上的轨道在荷载作用下有可能不再严格平行,所以考虑了轮压的10%作为垂直于轨道的横向荷载。开合屋面的水平移动速度为0.02m/s,远小于FEM规定的0.7m/s,因此缓冲器上的冲击力可以不考虑。此外,在安装有牵引索导向轮的地方考虑15kN的集中力作为牵引索内力的合力以及导向轮的自重。3.4可动屋顶轨道位移的单独分析可动屋面和下部结构是两个独立的刚体,通过锁定点联系在一起。图5为网球中心完全闭合锁定状态3个典型工况下轨道变形的比较,工况组合详见表3。协同分析指通过锁定点耦合三个线位移进行协同计算;单独分析则是先把可动屋面在锁定点处固定进行受力分析,得到的支座反力以集中荷载的形式施加到下部结构上进行进一步的受力分析。图中横轴为轨道控制节点,位置如图6所示;纵轴为轨道上各控制节点沿x、y、z方向的位移Δx,Δy,Δz。x方向为水平面沿轨道的方向,y方向为水平面垂直轨道的方向,z方向为竖直方向。从图5中可以很明显地看出两种分析方法得出的轨道x和z向位移基本吻合,但y向的位移有明显的差别,协同分析的位移较小。但是,完全开启锁定状态的7个工况下的轨道变形则是两种分析方法得出的x、y、z向位移很接近。从结构体系的角度可以做如下解释:因为需要在网球馆中部留出24m×35m的水平投影面积,平行大拱在中部的侧向刚度比较弱,而在端部因为有联系拱的存在,侧向刚度较中部强,而可动屋面在主受力方向上是曲率半径为23m的拱,本身是一个对支座位移(即垂直轨道方向的位移)比较敏感的体系,在闭合状态时,上下结构的耦合增强了大拱的侧向刚度,而在开启状态,上下结构的耦合对大拱的侧向刚度增强不明显。因此出现图5的结果。若在大拱中部能增加联系拱以增强大拱在中部的侧向刚度的话,可以预计两种分析方法得出的位移将没有太大的区别。因此,在下部结构刚度比较大,特别是下部结构为钢筋混凝土,而可动屋面的结构体系对位移不是十分敏感时,进行单独分析就已经足够了。进行单独分析还可以很明确地得到锁定点需要承受的锁定力,笔者认为单独分析是偏安全的:锁定力偏大,轨道位移偏大,可动屋面的内力也偏大。因为锁定装置自身也会有一定的变形,所以实际的轨道位移应是在协同和单独分析的结果范围之内。4屋顶对轨道变形的影响国内对开合屋盖结构的需求日