建筑发酵体育场合建式屋盖的性能分析与设计

建筑发酵体育场合建式屋盖的性能分析与设计

1总结1.1复合开课屋盖体系鄂尔多斯东胜运输场的屋顶是一个可开的屋顶，最大可打开面积（水平投影）为1076.2m2，开放或关闭时间约为18分钟。这是中国目前最大的开放式体育大楼。开合屋盖为轻型管桁架结构,屋面采PTFE膜结构,可有效地适应开合屋盖的变形,防水性能优越。鄂尔多斯东胜体育场采用巨拱、钢索+空间桁架结构体系,由于吊索的间距较小,可以有效地减小固定屋盖在开合屋盖运行时的变形量。体育场单片开合屋盖重约500t,屋盖的开合采用钢丝绳牵引方式,由位于两侧轨道的14部台车支承,其效果图如图1所示。带有开合屋盖的建筑是一种较为新颖的建筑形式,它打破了传统室内、外空间的界限,可以根据使用功能与天气情况在室内、外环境之间进行转换,使用者既能尽情享受阳光与新鲜空气,又可以避免风雨等恶劣天气的影响,很好地满足了全天候的使用需求。带有开合屋盖的建筑可按开合屋盖的位置分为全开、全闭与半开三种状态,通过专业人员对开合屋盖进行开启、关闭。开合屋盖的应用对象早期以游泳馆、网球馆、棒球馆等体育建筑为主,规模逐渐从小型发展到大型。与传统的大跨度结构相比,开合屋盖除广泛采用现代建筑结构的设计理念外,对结构设计技术、施工安装精度也提出了很高的要求,此外,由于开合屋盖的行走装置采用了很多机械传动与控制技术,因此开合屋盖的设计涉及建筑、结构、机械、自动化控制等多个学科领域,是现代建筑科技的集中体现。1.2开口屋盖系统的复杂设计开合屋盖是一种新型结构形式,迄今为止国内尚无相应的设计规范。开合屋盖通常由开合屋盖、固定屋盖与驱动控制系统构成,目前国内外开合屋盖结构设计还处于探索研究阶段。国外开合屋盖在使用过程中存在问题与出现故障的情况较多,发生过围护结构破损、机械故障、运行不畅等情况。与普通的大跨度空间结构相比,其技术复杂性大得多。目前,我国自主完成的开合屋盖设计还比较少,相关技术研究不够深入,对最佳开启方式、开合屋盖与固定屋盖结构体系、开合屋盖荷载与作用、驱动与控制系统等缺乏全面深入的研究。我国尚未制定出开合屋盖结构技术规程,对开合屋盖结构安全性、开合屋盖运行的可靠性、建造成本等方面的研究还处于工程案例层面,迫切需要通过学术研究与工程实践不断提高设计水平。1.3开屋盖结构形式的研究本文在国内外开合屋盖工程经验与相关研究成果的基础上,结合鄂尔多斯东胜体育场的结构设计,主要在以下几个方面进行了探讨:(1)对开合屋盖的基本状态进行了较为深入的研究,根据开合屋盖的功能需求与预期性能要求制定相应的设计标准,确保屋盖在整个使用年限中的适用性。(2)根据建筑形式的特殊性,对开合屋盖设计荷载的取值方法进行了较为全面的研究。(3)提出适用于大型体育场开合屋盖的设计原则与结构形式,可以满足在非刚性轨道上顺畅运行的要求。(4)对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载和地震作用下的开合结构进行分析,对全开和全闭状态及运行过程中的结构变形与台车反力进行详细研究。(5)对开合屋盖的动力特性与地震响应进行全面分析。2打开家庭大楼的设计目标2.1复合开屋盖在将景观环境中的应用开合屋盖根据开合屋盖所处的位置分为全闭、全开及半开状态,在进行开合屋盖设计时,应首先根据建筑的使用条件,明确规定开合屋盖在大多数情况下(非使用与夜间无人值守时)所在的位置,称之为开合基本状态。应根据开合基本状态进行结构计算分析,并制定相应的运行管理规定。确定开合基本状态对于建筑功能、开合操作管理、结构设计控制参数以及工程造价均有很大影响。鄂尔多斯东胜体育场设计时设定为常开状态,开合屋盖平时以全开状态为主,可用于田径比赛、足球等大型体育活动,场内无空调设备,运动场可种植天然草坪。从结构安全性与经济性的角度来看,将结构抵抗荷载与作用最有利的开闭状态作为基本状态较为合理。比如当风速很大时,可以将开合屋盖置于结构受力相对有利的状态,而在其他情况可以仅考虑较小风荷载的影响。由此可以看出,开合屋盖的使用管理与结构安全密切相关,这也是开合屋盖不同于普通建筑形式特有的问题。开合屋盖建筑所处的环境与一般室内环境有很大不同,很多实际开合屋盖工程即使在全闭状态时也并不是完全密闭的。由于在开启状态时,场地内部暴露于室外大气环境中,可能经受风霜雨雪天气,建筑内表面也会受到风荷载的作用。因此,在选择材料性能与考虑结构构件的保护层或进行防腐涂层设计时,应充分考虑环境因素的影响,确保结构的耐久性。由于目前国内开合屋盖建筑数量还很少,开合屋盖覆盖的空间作为室内或室外空间的界定尚不明确,一般需要通过专门的消防性能化设计确定相应的火灾防护措施。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖的开、合状态的平面示意如图2所示。2.2屋面局部开启迄今国内外已经建成的开合屋盖建筑有多种开合屋盖移动方式。屋盖开合方式应根据建筑创意、使用功能、地理环境、气象条件、运营管理方式等条件综合确定。尽管开合屋盖的形式多种多样,建筑使用功能差异很大,但在进行开合屋盖设计时,主要应关注满足使用功能、降低建造成本、控制后续运营费用等因素。对于大跨度体育建筑,固定看台顶部设置罩棚有利于遮阳挡雨,可在各种条件下观看比赛与演出,在一般气侯条件的地域,没有考虑开启的必要性。固定屋盖可以采用多种屋面材料,有效控制围护结构的成本。在运动场上空,屋面局部开启后,可以大大改善自然通风、采光条件,满足多种室外运动项目的要求,光线照度大致与普通体育场相同。采用部分开启的屋盖形式,减小了开合屋盖的相对面积和总重量,机械控制系统设计简单,结构地震反应较小。对于大型建筑,综合考虑使用功能、工程造价、技术可靠性等因素,一般仅有部分屋面可以移动。在确定开启率与开启部分形状时,应考虑开启后的固定屋盖阴影对场地使用的影响。较小的开口面积能够有效减小可动部分的尺寸和重量,减小技术难度,节约造价,缩短工期。本工程屋盖开启率约为20.6%(固定屋盖面积为38677.1m2)。鄂尔多斯东胜体育场建筑平面呈椭圆形,体育场田径、足球场平面为矩形,东、西方向为主看台,根据观众视线与遮挡风雨等要求,采用开合屋盖沿固定屋盖圆弧面上平行轨道的移动方式。由于屋盖开启率相对较小,降低了开合屋盖结构自重,并采用膜结构作为屋面材料,有效地控制了开合屋盖的造价。2.3活动装置运行工况可能会导致一些荷载组合工况,鄂尔多斯东胜体育场设计应确保屋盖在整个使用年限中系统性和适用性能够保持稳定,确保风荷载、温度和地震作用等可以从开合屋盖顺畅地传递到固定屋盖上,并使开合屋盖与固定屋盖的预期位移满足设计要求。开合屋盖各组件的设计使用年限:开合屋盖结构构件为50年;驱动装置(车轮、支座、电动机等)为25年;控制系统(逻辑控制、限位开关和监控设备)为10年。并考虑所有需要维修部件安全拆卸和重新安装的可能性。开合屋盖的运行速度与采用的驱动方式有关,考虑到驱动力需求与运行安全性,一般速度不宜太快。开合屋盖在雨雪天气情况下可以运行,但当雪荷载较大时(如超过0.1kN/m2)不得进行开合操作。在地震发生时,地震传感器将自动切断开合屋盖运行,使开合屋盖处于锁定状态。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖的主要运行控制参数如表1所示。与传统的大跨度钢结构设计相比,开合屋盖结构的荷载组合工况数量大大增加。合理确定开合屋盖结构的各种荷载效应与计算参数,对于控制结构与驱动设备的加工制作难度、工程造价以及建造周期,均具有重大意义。与一般轮轨系统在地面敷设轨道不同,开合屋盖的轨道设置在固定屋盖的顶部,温度变化引起的结构变形对轨道位置将产生显著的影响。驱动控制系统的工作温度一般为-20~40℃,过高或过低的温度均会对机械与控制系统产生不利影响,使机械运行与维修变得非常困难,容易出现使用故障。当使用温度太高时,除结构变形大之外,电器与线缆的使用寿命都将减小,电机部件容易烧毁。当使用温度太低时,金属材料冷脆性加剧,钢索柔韧性变差,容易出现乱绳现象,加剧钢丝绳的磨损;且低温使润滑油脂粘度增大,流动性变差,造成机件的磨损。结合本工程地域气温低、温差大等气候特点,驱动控制系统采取适当保温、加热措施,解决融雪、除冰难题,选用相应工作温度的润滑油脂。2.4屋顶盖结构设计开合屋盖在运行过程产生的各种荷载是开合屋盖结构设计中所特有的,包括运行阻力、水平荷载、冲击力、制动惯性力、端止缓冲器冲击荷载以及转向轮对其固定点的作用反力等。(1)基于移动轨道的动力特性开合屋盖在行走过程中,其空间位置(下滑角度)不断变化。对于倾斜的轨道,为了克服重力荷载影响,所需的牵引力较大,而且在移动过程中,为了保持移动速度不变,牵引力需要随时调整。台车沿圆弧形固定屋盖上的轨道运行,应按照实际坡度计算台车及其上荷载沿斜坡面的分力。开合屋盖在行走过程中应考虑摩擦阻力、坡道下滑力Pa、风阻力构成的稳态运行阻力。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖开启时主要可以依靠开合屋盖的自重作为下滑驱动力,为了克服特殊情况下下滑力不足的问题,还设置了反向牵引系统。(2)起重机轨道系统的稳定性当屋盖沿平行轨道移动时,因轮轨之间的距离变化、轨道本身的安装精度、开合屋盖的偏斜角度等因素,将在垂直轨道的方向产生侧向水平力,该水平力可以通过水平力因子乘轮压的方式来确定。开合屋盖的受力状况类似于起重机,然而起重机对轨道加工制作与安装精度的要求很高,起重机偏斜运行时,车轮横向力应考虑支撑点受力变形的影响。对于开合屋盖结构,台车轨道位于固定屋盖上,结构的变形将随着开合屋盖的行走不断变化,再加上轨道加工制作与安装精度的偏差,远远达不到起重机规范的要求,因此开合屋盖运行过程的水平力计算方法不能采用起重机规范。此外,行走系统的荷载与行走机械的约束程度有关,开合屋盖的刚度越大,水平力也越大。因此,在进行开合屋盖设计时,为了避免开合屋盖在行走时产生过大的水平力,一般通过在台车上设置变形调节机构,根据结构变形量与安装误差确定所需的变形调节量,释放部分水平推力,使最大水平力不超过设计限值要求。(3)轨道比的影响当结构沿轨道运行时,还应考虑轨道接头和轨道不平而引起的竖向力。由于活动屋面的移动速度很慢,所以大多数情况下可以忽略其影响,但若轨道竖向变形较大或者当轨道维修保养不好时,必须考虑其冲击力的影响。由于道路和轨道不平而使运动的质量产生沿铅垂方向的冲击作用,根据德国起重机标准的规定,当移动速度不大于60m/min时,因轨道接头、轨道不平等因素产生的运行荷载自重增大系数可按1.1考虑,这与现行国家标准《通用门式起重机》(GB/T14406—93)中的数值比较接近。(4)开屋盖启动作用力开合屋盖自身质量启动或制动时产生的惯性力按该质量m与运行加速度乘积的1.5倍计算,但不大于主动车轮与钢轨之间的粘着力。放大系数主要考虑起重机驱动力突加时结构的动力效应,加速度值可以根据加速时间和所要达到的速度值来推算得到。由于开合屋盖的运行速度比较低,所以屋盖行走时的惯性力比较小。开合屋盖驱动系统与起重机行走机构有所不同,其轮轨装置多、受力复杂、轮轨之间的粘着力大,需要很大启动运行力。当开合屋盖一旦开始运行移动,轮轨之间的静摩阻力变为了很小的滚动摩阻力,由于此时台车的驱动力还未能及时减小,启动驱动力与滚动摩阻力之差将产生一个明显的加速度,日本的文献推荐启动驱动力FA=0.15mg。尽管开合屋盖运行启动可以通过控制系统减小驱动力,但在较短时间内开合屋盖结构仍会经历一次较大的振动冲击。(5)加速形成缓冲器的动能开合屋盖除运行到终点时的正常刹车外,还存在其他3种紧急刹车的情况:1)当开合屋盖不能在终点制动时,位于轨道端部的缓冲器能够使运行的开合屋盖安全制动;2)当开合运行时,一旦电源、轨道等出现故障,刹车装置会自动启动;3)当探测到地震运动大于预定水准时,即时启动制动器或其他措施停止屋盖移动,防止开合屋盖脱轨。按设计运行速度可得到各运动部分的动能,由此算出缓冲器吸收的动能,从而算出缓冲器的冲击力。在计算缓冲碰撞力时,应包括开合屋盖的恒荷载、活荷载以及台车等全部质量引起的动能。3打开房屋盖结构体系3.1活动开屋顶盖结构改造,实现无排放式提升景观化实际工程中轨道制作安装存在误差,加之固定屋盖伴随开合屋盖行走引起的变形、温度变形、基础不均匀沉降等因素,轨道的几何位形不可避免地存在偏差。当开合屋盖行走时,各台车产生的荷载不一致,对屋盖结构内力产生影响。因此,在进行屋盖计算分析时,应考虑轨道不平整、驱动装置误差对开合屋盖及其下部结构受力状态与变形的影响。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖行走机构数量较多,如果开合屋盖结构刚度过大,支座反力将有很大差异。因此,开合屋盖应尽量采用对支座变形适应能力强的柔性结构。对于主体结构安装偏差、极端气象条件(如温度、风荷载、雪荷载等作用)引起的结构变形,开合屋盖的驱动控制系统应具有充分的适应能力,确保在轨道不平整等情况下开合屋盖的正常运行。此外,开合屋盖质量分布应比较均匀,并能保证闭合后板块之间接缝处的防雨构造贴合紧密。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖开、合状态剖面图如图3所示。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖结构设计时主要遵循以下原则:1)结构体系与屋盖开启方式紧密结合;2)结构形式尽量与固定屋盖的建筑风格与结构体系相协调;3)严格控制开合屋盖结构自重,减小移动屋盖驱动动力的需求,优先选择重量轻的膜材或金属屋面作为围护结构;4)控制开合屋盖的整体刚度不宜过大,具有较大的变形适应能力,屋面坡度应有利于排水;5)开合屋盖支点的构造便于与驱动机械系统相结合。鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖的几何控制参数如表2所示。3.2副4.7合直悬臂式大跨台结构体系鄂尔多斯东胜体育场开合屋盖由两个单元块组成,在中间直线相交,闭合时可与固定屋盖完全吻合。开合屋盖最大可开启尺寸(水平投影)为长113.524m、宽88.758m,重心处的圆弧角在全闭、全开状态分别为5.88°,15.11°,单片开合屋盖自重(含膜结构)约为500t。每片开合屋盖沿跨度方向共设置4道主桁架,跨度为83.758m,采用三角形截面空间桁架,最大、最小高度分别为6.0,2.5m,顶面宽度为4.5m。主桁架的平面布置与固定屋盖的主桁架完全对应。主桁架上、下弦杆规格分别为ue788351×14(16),ue788402×14(16),腹杆为ue788159×6(8,10)与ue788180×10。沿开合屋盖纵向布置两道桁架,以增强主桁架的侧向稳定性,并为尾部的弧形造型提供支承条件。边桁架作为主桁架的支承结构,每片开合屋盖两侧各有7个台车安装于边桁架下方,通过台车、轨道等部件将开合屋盖的荷载传至固定屋盖。边桁架在台车之间保持直线,传力直接。牵引钢索通过边桁架下弦前部的均衡梁将驱动拉力传递给开合屋盖。次桁架上弦杆规格为ue788219×10(12),下弦杆为ue788299×10(12,14,16),腹杆为ue788127×6(8)。屋面采用交叉檩条体系,作为开合屋盖水平支撑体系与膜结构的龙骨,杆件规格为ue788299×12(16),系杆为□300×200×8×8。构件在工厂加工制作,在现场地面拼装,分段吊装,可以缩短现场施工时间。开合屋盖屋面采用PTFE膜结构,两开合屋盖交接处的构造可防止风、沙尘、雨和雪等可流动介质由此进入体育场内部,可有效适应开合屋盖的变形,防水性能优越。开合屋盖在全闭位置进行安装,可以通过边桁架设置后装段等方式,减小施工误差与主结构变形的影响,使各台车受力尽量均匀。开合屋盖结构布置如图4所示,开合屋盖台车位置如图5所示,单个台车自重约5t。3.3开口屋盖运动状态模拟本工程开合屋盖驱动系统的基本方式是开合屋盖沿着圆弧形轨道从两侧向屋盖中心移动闭合或反向移动开启,开合屋盖的两部分同时运动或停止。随着开合屋盖的移动,开合结构的受力与变形将随之变化,这与通常大跨度结构存在很大差异。为了确保开合屋盖结构设计的安全性与经济性,分别模拟了全闭、1/4开启、1/2开启、3/4开启以及全开5种状态(图6)。台车上端为开合屋盖支座节点,下端为主桁架上的轨道梁。开合屋盖台车编号如图7所示。4打开房屋盖的主要计算4.1整片开屋盖各向异性对地震反应的控制作用开合屋盖在各工况时的最大竖向位移如表3所示。从表中可以看出,在恒荷载、活荷载、最大正温差、最大负温差工况下,开合屋盖全闭状态与全开状态的最大竖向位移差别不大,温度变化引起的变形量较小;风荷载作用下开合屋盖全开状态与全闭状态时的最大位移分别为226.8mm和278.8mm,表明开合屋盖的风荷载响应很大,而且全闭状态比全开状态明显增大。N,S两片开合屋盖在小震与中震作用下的水平剪力与剪重比如表4所示。从表中可以看出,在X向、Y向地震作用下,整个开合屋盖的水平剪力非常接近,开合状态对开合屋盖水平剪力的影响不明显,仅在Y向地震作用下,开合屋盖全闭状态时的水平剪力略小;小震下的剪重比为12%左右,中震时的剪重比为35%左右。N,S两片开合屋盖在恒荷载、活荷载、风荷载和地震作用下的反力如表5所示。从表中可以看出,在恒荷载与活荷载工况下,两片开合屋盖的竖向反力具有很好的对称性,开合状态对开合屋盖反力的影响不大。在风荷载作用下,开合状态对开合屋盖的反力分布有很大影响,N,S屋盖的反力值差异很大,风荷载的效应以风吸力竖向为主,水平分力的影响也不可忽视,全闭状态时的风吸力远大于全开状态。在多遇地震作用下,N,S屋盖的竖向地震反力比较接近,水平地震反力起控制作用,X向地震作用时,最大竖向地震反力接近最大水平地震以反力的50%;开闭状态对地震反力的影响不显著,全闭状态时的水平地震反力略大于全开状态,这是由于全闭状态时开合屋盖重心位置较高的缘故。4.2全闭状态车盖竖向变形对于开合屋盖结构,固定屋盖的变形主要由整体结构在重力荷载作用下的变形与开合屋盖运行引起的变形两部分构成。一般来说,在开合屋盖全开状态,固定屋盖变形最小;在开合屋盖全闭状态,变形最大。在进行开合屋盖结构设计时,除应考虑全开与全闭状态外,还应对开合屋盖开合过程中台车的反力和固定屋盖的变形进行详细的计算分析。在开合屋盖不同开启状态时,台车的竖向与横向反力如表6所示。开合屋盖台车在不同开启状态时的竖向反力分布如图8所示。从表与图中可以看出,N,S两片开合屋盖台车的反力具有较好的对称形,但由于巨拱倾斜6.1°,因而a轨道与b轨道相同编号台车的反力存在一定差异。各台车的竖向反力随其几何位置的不同而变化。由于在进行开合屋盖安装调试时,以全闭状态作为初始状态,因此在全闭状态时各台车的横向反力为零,在其他开启率时,各台车均存在横向反力,在3/4开启率时横向反力最大。由此可知,在进行台车设计时,除应重点研究全开与全闭状态时的情况外,还应对整个开启过程进行详细分析,找出可能影响结构安全的各种不利情况。固定屋盖主桁架位置标志点如图9所示,开合屋盖运行过程中固定屋盖主桁架的变形如表7和图10所示。从表7和图10可看出:全闭状态下固定屋盖a轨道桁架的竖向与横向变形曲线均大致呈w形,b轨道桁架的竖向与横向变形均大致呈v形;b轨道的最大变形远大于a轨道的变形,在全闭状态b轨道桁架的最大竖向变形为-229.1mm,横向位移为-106mm,而此时a轨道桁架的竖向变形为-22.81mm,横向变形为10.81mm。从全闭状态至全开状态,b轨道桁架中点的竖向变形差为385.1mm,而a轨道桁架中点的竖向变形差为120.3mm,相差3倍多。其主要原因是由于巨拱倾斜6.1°,a侧与b侧索与固定屋盖的夹角不同,b侧索的夹角较小,竖向分力相应也较小,加之索长度较大,因此b侧竖向刚度较小。与竖向变形相比,水平方向变形量较小,其中横轨方向的变形大于顺轨方向的变形。固定屋盖的变形随着开合屋盖开启率的不同而逐渐变化,在全闭状态时的固定屋盖竖向变形量最大,在全开状态反拱变形显著。除全闭状态情况特殊外,其余开启率时,竖向与横向变形的规律均为中间部位大,两端部位小。5复合开屋盖的地震反应能力开合结构的动力特性及抗震性能与传统的大跨度结构相比具有很大的特殊性。开合屋盖对于固定屋盖而言相当于子结构,由于开合屋盖位于固定屋盖的顶部,在地震作用下开合屋盖的地震反应较大,呈现出显著的鞭梢效应。鄂尔多斯东胜体育场主体结构的前10阶自振周期如表8所示。从表中可以看出,开合