开门式屋盖结构的设计

开门式屋盖结构的设计

1总结1.1活动屋盖结构设计的一般经验与传统的体育建筑相比，开交房屋的盖层具有充分性，可以随时随地使用，使体育建筑发挥主导作用，为体育建筑的使用和运营提供极大的便利和效率。自从1990年世界首个大型开合屋盖工程———多伦多的天空穹顶建成后,开合屋盖结构在国内外得到了很大发展。迄今为止,国内外对于开合屋盖结构设计方面的系统性研究还较少,主要的经验来源于具体的工程案例。日本建筑学会1993年出版了《开合屋盖结构设计指南》,日本石井一夫和我国刘锡良教授对开合屋盖结构的进展与相关技术进行了详细的介绍,范重等对开合屋盖结构设计的关键技术进行了较为系统的阐述。开合屋盖结构突破了传统意义上结构应处于基本静止状态的基本概念,引入全新的结构设计理念,与传统的大跨度屋盖设计方法存在很大不同。一般来说,结构工程师比较缺乏对活动屋盖驱动控制系统方面的知识,这是在开合屋盖设计时面临的主要挑战。设计人员应深入理解活动屋盖控制程序、驱动原理以及在各种条件下机械设备施加给结构的反力,在设计时合理确定活动屋盖的各种控制参数,将驱动系统设计及相关需要有机地融入建筑专业与结构专业设计中。由于大型开合屋盖结构的重要性与复杂性,在设计时应全面考虑各种荷载与效应,确保结构在各种不利荷载工况组合下的安全性。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。1.2加强地震反应特性开合屋盖是一种较为新颖的结构形式,国内外尚无相应的结构设计规范。在国内外开合屋盖结构工程经验与相关研究成果的基础上,结合自身的工程实践,对开合屋盖结构设计荷载取值方法进行了较为全面的论述,对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用、活动屋盖行走荷载等作用特点与注意事项进行了深入探讨。与普通大跨度结构不同,开合屋盖结构需要对活动屋盖全开状态、全闭状态及运行过程状态分别进行计算分析。积雪荷载对结构设计的合理性与活动屋盖的运行均有很大影响,必要时应采取融雪措施。屋盖的开合状态与表面形状是影响风压分布的主要因素,当屋盖处于全开状态时,屋顶洞口周围的脉动风压将显著增大。提出确定结构设计温差的计算方法,并分析温度对驱动控制系统可能产生的不利影响。引入有效使用年限的概念,对活动屋盖处于非基本开合状态与运行状态的地震作用进行适当折减。应特别注意台车驱动系统的转向轮、端止缓冲器等对固定屋盖的集中反力作用,尽量避免活动屋盖发生故障或检修时出现非对称情况等不利位置。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。2固定负荷和活负荷2.1固定载荷2.1.1钢结构的自动计算为了满足活动屋盖的正常运行,开合结构的固定屋盖应具有较大的刚度。钢结构的自重可以通过结构分析软件自动计算。为了反映钢结构节点对用钢量的影响,可对钢材的计算容重进行适当的调整。固定屋盖一般可以采用金属屋面、聚碳酸酯板或膜结构,以减轻大跨度钢结构的自重。在恒荷载中应包括马道、灯具、音响、摄像设备、保温隔热材料、声学吊顶等的重量。此外,还应考虑活动屋盖的轨道、托辊、导向轮等驱动控制系统的重量。2.1.2活动屋盖变形适应能力对于大型的开合屋盖结构,活动屋盖与台车等驱动设备的重量可达数百甚至上千吨,且活动屋盖的相对成本大大高于固定屋盖。因此,活动屋盖采用具有较好的变形适应能力的结构形式,减轻活动屋盖结构自重,对于有效降低结构与驱动控制系统的加工制作与运行成本、增强设备的可靠性具有很大意义。活动屋盖一般采用可PTFE,ETFE膜结构或聚碳酸酯板等轻质材料作为围护结构,除了可以减轻活动屋盖自重、降低对固定屋盖的荷载效应、减小地震作用外,还具有对结构变形的适应能力强、透光性好的特点。在活动屋盖处于关闭状态时,应尽量利用自然光线照明,避免白天室内灯光照明需要消耗大量能源。2.2u3000j/h固定屋盖活荷载取值应满足维修时人员、材料与设备重量的需要,根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(2006年版),固定屋盖活荷载可取0.5kN/m2。活荷载一般与雨、雪及风荷载不同时发生。活荷载不应与雪荷载同时组合,对于屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载,应采取构造措施加以防止,必要时应按积水的可能深度确定屋面活荷载。在重大体育赛事与大型商业演出活动时,经常需要在屋顶吊挂各种临时荷载,其最大值不应大于固定屋盖的活荷载值,但此时尚应考虑雨、雪及风荷载同时发生的可能性。活动屋盖的活荷载取值可与固定屋盖相同。活动屋盖应尽量避免吊挂设备,减轻活动屋盖的运行重量,避免在活动屋盖运行时发生碰撞。2.3活动屋盖结构的整体优化设计由于活动屋盖具有平行移动、枢轴绕转动、空间移动、平移叠等多种运行方式,故此活动屋盖在行走过程中,平面或空间位置不断变化,对于固定屋盖与下部混凝土结构而言,是一个巨大的移动荷载。由于活动屋盖覆盖面积大,单片活动屋盖一般可达数百吨,其对下部结构的影响很大。在进行开合屋盖结构设计时,除应对全开与全闭状态进行全面的计算分析外,还应对活动屋盖半开状态进行计算。当可能时,宜补充活动屋盖1/4,3/4开启率或更为详细的开合过程分析。对于带有多片活动屋盖的结构,首先要确定各片活动屋盖的运行程序,如同步或按先后顺序运行等。在确定多片活动屋盖的运行程序时,主要应考虑尽量降低对下部结构的不利影响,减小对驱动动力的峰值需求。对于较为常见的双片开合屋盖,一般应采用匀速、对称、同步的运行模式。当驱动控制系统发生故障或进行检修时,活动屋盖的停止位置可能出现对结构受力不利的情况,在设计时需要给予相应的关注。当活动屋盖处于不同位置时,固定屋盖与下部结构的内力与变形相应变化,固定于固定屋盖顶部的轨道也将随之变形,也将对活动屋盖的运行产生不利影响。3多雨负荷3.1受雪压和关闭状态3.1.1活动屋盖闭合状态在多雪地区,活动屋盖在冬季一般应设定为常闭状态,基本上可以作为室内环境,满足各种体育运动与公众活动的需求,便于日常利用与管理。其他季节可以开启,举行各种露天活动。活动屋盖常闭状态也有利于防风和防尘,结构设计可按室内正常环境考虑,混凝土保护层厚度较小。活动屋盖的开合状态对雪荷载效应有很大影响,应防止积雪造成屋面围护结构变形、下挠,导致积水、结冰等情况发生。一般情况下,屋盖在开启状态时降雪在屋面堆积量小,比屋盖闭合状态有利。对于以全开状态作为基本状态的开合屋盖结构,在此条件下进行设计与计算,当后期运营管理不到位时,结构将出现危险的情况。雪荷载根据地域气候条件不同差异很大,我国东北地区降雪厚度可达2m。大跨度结构对重力荷载敏感,对于重要的开合屋盖结构,雪荷载的重现期应为100年。3.1.2日本东北部增强空间应针对开合屋盖可能出现的开合状态,分别考虑雪荷载的影响。充分考虑气候环境特点与屋盖的形状、屋面积雪漂移、滑落引起的不均匀分布以及局部堆积的可能性。由于风力作用等原因,雪荷载不均匀分布可能引起灾难性后果。大跨度屋盖平面尺度大,积雪不易滑落。活动屋盖的积雪下滑将会对固定屋盖产生一定的冲击力。2000年建成的仙台穹顶(Shellcom)位于日本宫城县仙台市,其功能为网球、软硬式棒球、足球场地等,可以举行大型地区性比赛与大型集会等多功能公众活动。体育馆平面呈椭圆形,长轴115.82m,短轴91.5m,总建筑面积13132m2。建筑场地至屋顶最高处为51m,屋盖造型呈贝壳式。其中,部分结构可开启,可移动屋盖结构支承于台车之上,在建筑的周边设置环形轨道,最大开启角度可达148°。由于该建筑设计功能主要为体育馆,活动屋盖平时处于关闭状态,平均每年开启3~4次。穹顶采用单层高透光白色PTFE膜材,室内场地光线充足。该建筑位于多雪地区,外形坡度很大,便于积雪滑落,如图1所示。3.2屋顶堆积及活动屋盖开口移动活动屋盖的各板块之间、活动屋盖与固定屋盖之间留有一定的间隙,雪荷载作用下,结构的变形量应不大于各结构单元之间的最小距离。当屋面积雪后进行活动屋盖的开合移动是比较困难的。为了保证安全,减小驱动控制系统的造价,应尽量避免活动屋盖在积雪状态下操作。由于降雪可能带有一定的突然性,当进行机械动力系统的设计时,应适当考虑在早期少量积雪情况下能够运行。例如,在鄂尔多斯东胜体育场活动屋盖设计中,当雪荷载不超过0.1kN/m2时,可以进行正常的开合操作。3.3多雨应对措施3.3.1屋顶坡度较大,与空间无对比过大的雪荷载将导致结构建造成本增加,影响结构设计的经济性。积雪对膜结构等透光材料的效果影响很大,不利于场馆的正常使用。屋面积雪与轨道结冰将影响台车的运行。在多雪地区应尽量利用屋盖的坡度减小积雪荷载,但积雪滑落要求屋面的坡度很大,根据我国现行的《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(2006年版),当屋面坡度大于25°时,才能考虑雪的滑落效应。屋面过大的坡度常常与建筑方案存在较大矛盾,并与活动屋盖的运行方式不协调。为了防止多次积雪累加,导致建造成本增加或结构不安全,可以考虑设置热风系统等屋面融雪装置,控制雪荷载的影响,改善冬季使用的舒适性,提高体育设施的利用率。3.3.2冬奥会期融雪除冰装置开合屋盖的融雪装置主要分为两类:一类是整体加热,将燃气加热后的空气吹入屋顶的双层膜之间,空气温度保持在20℃左右,保证屋顶与轨道无积雪、结冰,室内温度比较适宜;另一类是主要保证活动屋盖在冬季能够正常运行,在轨道部分设置融雪除冰装置,如采用设置电加热板等措施。1997年建成的小松穹顶位于日本石川县小松市,总建筑面积为22394m2,主要用于棒球、女子垒球、足球、网球等运动项目,如图2所示。屋面固定屋盖与活动屋盖采用PTFE结构,其中固定屋盖采用双层膜,以增强保温与吸声效果。活动屋盖坡度很大,为单层膜结构,膜材料透光率约17%,开合面积3152.5m2。该体育馆设计为常闭状态,每年在12月~2月期间不能进行开启操作。为解决冬季屋顶积雪结冰问题,在场地周边设置两个热风机房,通过垂直透风管道,将热风送至屋顶的双层膜结构部分,使冰雪快速消融。4风负荷4.1风压、风速和风压大跨度开合屋盖属于风敏感结构,风荷载是结构设计的主要控制因素,故应选择对风荷载有利的结构形式。为了防止风雨吹入,考虑大风条件下开合屋盖处于全闭状态的情况较多,但在暴风情况下将活动屋盖置于受力较为有利的全开状态也很常见。应分别对全开状态、全闭状态以及半开状态进行风荷载验算。必要时也可进行风动力时程分析,但由于风荷载随时间和空间位置的变化很大,加载点数量多,持续时间长,计算分析数据量巨大,在实际设计中很少采用。对于重要的大型开合屋盖结构,应采用重现期为100年的基本风压,并应考虑屋盖的形状与开启状态对脉动风压的影响,其对膜结构等围护结构设计的影响比较显著。带有开闭屋顶的体育馆,当活动屋盖关闭后,与通常的体育馆相同,处于室内环境;而带有开闭屋顶的体育场,当活动屋盖关闭后,虽然可以防止雨雪天气的影响,但是由于看台周边并不封闭,故此相当于半室外环境。在确定风荷载时,由于开合屋盖建筑形式多种多样,开启面积与开启方式各不相同,活动屋盖所处位置对建筑表面风压分布的影响非常显著。考虑到开合屋盖结构的复杂性,一般应通过风洞试验确定建筑表面的风压分布,分别考虑全开、全闭、半开状态时的情况。当采用风洞试验确定的风压系数时,对于带有开闭屋顶的体育馆,应考虑室内外压差及风压高度变化系数的影响。对于带有开闭屋顶的体育场,活动屋盖与固定屋盖之间的间隙对风压系数也有一定影响。对于形状简单的小型开合屋盖,也可参考工程经验,根据情况确定风荷载体型系数。当开合屋盖采用暴风关闭的运营模式时,对于全开状态与半开状态,在结构设计中应采用该地区发生频度较高的强风。考虑到机械故障等因素,为了确保安全性,可取10年重现期的基本风压。应采用设置反钩轮与锁定装置等防止风吸力影响的措施,保证在设计风压作用下各片活动屋盖之间、活动屋盖与固定屋盖之间不发生碰撞。与刚性活动屋盖相比,皱褶形式开闭的索膜结构在风荷载作用下发生事故较多。4.2风压分布和动脉特征4.2.1活动屋盖聚合物化屋盖的开启状态和表面形状是影响开合屋盖风压分布的主要因素。屋盖的不同开启状态将改变来流的绕流特性,风压分布规律会发生显著改变,甚至某些区域风荷载的作用方向将发生改变;当屋盖开启面积较大时,气流越过屋顶洞口后,将在屋盖前缘发生明显的漩涡脱落,并表现出柱状涡特性。另一方面,屋盖表面较大的高差将诱发特性湍流,使来流在局部屋盖表面产生明显的分离、再附,表现出锥形涡特性。鄂尔多斯东胜体育场位于内蒙古鄂尔多斯市,地上3层,总建筑面积为100451m2,共有观众席40500座,其中固定坐席35100个,活动坐席5400个。主体育场固定屋盖投影为椭圆形,长轴为268m,短轴为220m,巨拱高度129m,跨度330m,与地面垂线倾斜6.1°,屋盖顶标高为54.742m。鄂尔多斯东胜体育场带有可开闭屋顶,可以满足全天候使用要求,其最大可开启面积(水平投影)10076.2m2,可以根据使用功能与天气情况在室内环境与室外环境之间进行转换,开启或闭合时间为18min,工程很好地满足了全天候的使用需求,是我国继南通体育会展中心、上海旗忠网球馆之后的第3座大型开闭顶结构,是目前国内规模最大的开闭顶体育建筑。结构体系结合内蒙古草原弓箭造型,巧妙地采用了钢管拱桥的设计理念,通过钢索将屋盖大部分重力荷载传给大拱,水平荷载则由下部混凝土看台结构承担,使大跨钢度屋盖桁架高度大大降低,钢材用量明显减少,结构体系合理、新颖。活动屋盖为轻型管桁架结构,屋面采PTFE膜结构,可有效地适应活动屋盖的变形,且防水性能优越,可全天候使用。体育场单片活动屋盖重量约500t,屋盖的开闭采用钢丝绳牵引方式,由位于两侧轨道的14部台车支承,如图3所示。鄂尔多斯东胜体育场活动屋盖全闭和全开时固定屋盖的平均风压系数如图4所示。当活动屋盖闭合时,体育场接近室内空间,固定屋盖下表面体型系数为零;但当活动屋盖打开时,固定屋盖下表面出现了明显的负压,说明此时固定屋盖下表面受到了向下风吸力的作用。活动屋盖全开状态时,固定屋盖上的平均风压系数明显小于活动屋盖闭合时的平均风压系数。活动屋盖全闭和全开时活动屋盖的平均分压系数如图5所示。在所有风向角下,活动屋盖全开时活动屋盖上表面的体型系数均大于活动屋盖闭合时的值。当活动屋盖开启时,活动屋盖与部分固定屋盖重合,两者之间1.5m的距离可以透风,从而形成活动屋盖下表面较大的负压,表现为向下的风吸力。当活动屋盖全闭时,活动屋盖向上的平均风压系数远大于活动屋盖打开时的值。4.2.2屋顶盖开启状态的影响多个工程的风洞试验结果均表明,屋盖的开启状态和表面形状是影响风压分布的主要因素;虽然来流风速近似满足高斯分布,但是作用于大跨屋盖表面的脉动风荷载并不满足高斯分布。屋盖的开启状态对脉动风荷载的功率谱和根方差影响很大,屋盖开启后,屋顶洞口周围脉动风荷载功率谱将存在一个较为明显的谱峰,脉动风荷载的根方差增大。在进行固定屋盖与活动屋盖围护结构的设计时,对于上述问题应该给予充分注意。4.3风振分析与风压设计值4.3.1风荷载作用下的上吸风振系数我国现行《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)(2006年版)给出的风振系数适用于高层、高耸结构的风荷载计算,虽然在规范条文说明中给出了多振型参与风振情况下风振系数的计算原理,但未明确说明具体计算方法。根据以往的研究成果,风振系数可分为位移风振系数和荷载风振系数。在考虑结构非线性特性的情况下,两者大致相同。根据风工程理论,风荷载由平均风荷载与脉动风荷载两部分叠加而成,风振系数是结构在总的风荷载作用下的位移与平均风荷载作用下的位移之比。对于大跨度屋盖结构,风荷载作用主要表现为上吸力。对于风荷载起控制作用的结构,结构自重对于控制上吸风是有利的。对于自重作用较大的大跨度结构,虽然上吸风对于结构来说是安全的,然而当风振系数大于2时,屋盖在脉动风作用下必然会产生反向风振效应,对屋盖形成向下压力,出现与结构自重相叠加的不利荷载工况组合,此时仅考虑风荷载的上吸作用显然将导致结构不安全。假定屋盖结构第i个节点在平均风荷载作用下的竖向位移是xsz,i,在总的风荷载作用下的竖向位移是xz,i。屋盖结构第i个节点的上吸风振系数可按如下定义:对于上吸风振系数,可能存在如下问题:1)在平均风压作用下的位移与最大位移响应方向相反;2)虽然平均风压作用下的位移与最大响应下的位移方向相同,但平均位移的绝对值很小,两者相差倍数过大。按照上吸风振系数的定义,修正后的上吸风振系数的取值范围为1.0~4.0。屋盖结构第i个节点的下压风振系数按照下式定义:根据下压风振系数的定义,修正后的取值范围为-2.0~1.0。在平均风作用下,结构的竖向位移响应可通过求解静力平衡方程得到。式(1)中总的风荷载作用下的竖向位移响应的最大值(xz,i)max等于平均风响应与脉动风响应最大值之和。因此,上吸位移风振系数的定义式(1)可改写为以下两式:式中σz,i是在脉动风作用下结构第i个节点的竖向位移根方差响应。式(2)中,总的风荷载作用下的竖向位移响应的最小值(xz,i)min等于平均风响应与脉动风响应最小值之和。下压位移风振系数的定义式(2)可改写为以下两式:屋盖风荷载加载板块的风振系数等于板块内节点风振系数的平均值。4.3.2活动屋盖风压与风荷载国家网球场(钻石球场)位于北京奥林匹克公园北区,是“中国网球公开赛”的专用比赛场馆,赛时总坐席数为15000个,建筑最大高度约为46m,总建筑面积约51199m2,采用开合式屋顶,开启过程仅为8min左右,是目前世界上规模最大、设备最先进的网球场馆之一。大跨度屋盖平面呈圆形,固定屋盖最大直径为140m,中间带有可开启的活动屋盖,在场地中央设置边长为70m×60m的矩形洞口。固定屋盖采用3层网壳结构,活动屋盖采用双层拱形结构,如图6所示。考虑风振系数影响后国家网球场的风压设计值如图7所示。图中给出了当活动屋盖在全闭状态时,90°风向角(左侧为来流方向)的设计风压值,负号表示上吸,正号表示下压。可以看出,闭合状态时,整个屋盖均处于上吸负压区,来流方向屋盖前缘风荷载值相对较小。在屋盖高低错落的局部区域风荷载变化剧烈。当活动屋盖处于打开状态时,上、下两层活动屋盖叠合在固定屋盖之上,图8给出了当活动屋盖在全开状态时,90°风向角(左侧为来流方向)的设计风压值。屋盖开启后,风荷载分布与数值均发生明显变化,在固定屋盖与活动屋盖位置重合的区域,固定屋盖受到下压风的作用显著。左侧活动屋盖受到的风吸力高于闭合状态。无论活动屋盖处于关闭或打开的状态时,固定屋盖与活动屋盖的风压最大设计值与风压最小设计值均存在很大差异。4.4加强科学运行管理活动屋盖一般在开合屋盖中所处位置较高,风速较大。风荷载对于活动屋盖的开合操作有很大影响,风荷载除能造成结构上浮、漂移外,风阻力还将引起各台车受力分布不均匀,屋盖下滑力减小等不利影响。此外,还应注意钢索、驱动控制系统本身应具有抵抗风荷载的能力。风速控制对保证驱动控制系统的可靠性、结构安全以及控制建造成本均非常重要,应通过加强科学的运行管理,减小在风速较高时运行活动屋盖带来的风险。考虑到带有开合屋盖场馆运营的实际需要,应对风速进行实时监测,在屋顶设置不少于2个风速测点。在进行开合屋盖设计时,一般应保证活动屋盖可以在10~15m/s风速时运行,相当于蒲福氏风级的6级风左右。在场馆运营过程中,应对开合条件进行严格控制,使活动屋盖在较小风力条件下安全顺畅地行走。实际运行时的风速不宜过大,应严格控制实际风速不超过设计限值的要求。5温度作用5.1太阳辐射对结构的影响大跨度开合屋盖均采用钢结构体系,钢材热传导速度快,对气温的变化敏感。我国地域辽阔,气象温度条件差异显著。对于典型的温带大陆性气候,季节气温变化很大,年极端温度与昼夜温度均有很大差异。在进行开合屋盖设计时,由于屋盖的平面尺寸较大,当温度变化引起的内力与变形不能忽略时,需要考虑气象温度变化在钢结构中产生的内力与变形。太阳辐射也能引起外露钢结构的温度显著升高,在结构设计时应通过温度场分析,确定太阳辐射温度分布的情况。结构的计算温差根据屋盖的形状、建筑做法、使用功能及施工情况有很大差异。开合屋盖结构铺设金属屋面板与保温隔热材料时,太阳辐射对结构温度的影响可以忽略。在开合屋盖设计时,应根据当地气象条件确定结构设计与活动屋盖运行采用的极端最高温度与极端最低温度。一般应保证开合屋盖在绝大多数气象温度条件下能够正常运行。由于温度的变化,开合屋盖各结构单元的变形趋势可能各不相同,应充分考虑不均匀变形引起活动屋盖无法正常行走的可能性。需要在极端温度条件下运行时,如严寒地区冬季的极低气温天气,尚应考虑驱动控制系统的低温工作性能。5.2太阳辐射吸收系数对于直接暴露于室外的钢结构,受到温度变化的影响非常显著。太阳辐射引起结构温度升高的影响因素较多,如所处地区的纬度、季节、大气透明度、钢结构表面颜色、构件所在方位以及构件形状与截面尺寸等。钢结构构件在夜间的温度与气温比较接近,在白天除了随气温不断变化外,还受到日光照射的影响,太阳辐射引起构件温度显著升高。太阳辐射吸收系数ρ指材料吸收太阳辐射能量的性能,根据欧洲空中客车油漆太阳辐射吸收系数测量方法,通过测试材料对指定波长的反射量,计算得到太阳辐射吸收系数。不同颜色的太阳辐射吸收系数如表1所示,从表中可以看出,面漆颜色越浅,太阳辐射吸收系数越小;钢板如果没有面漆涂层,其太阳辐射吸收系数很大。钢构件迎光面表面的瞬时辐射温度tr可由下式计算:式中:J为按气象年中时间确定的太阳总辐射照度/W/m2;αw为结构外表面的换热系数/W/(m2·℃)。结构外表面的换热系数αw与室外风速有关,当平均风速为1.0~2.0m/s时,αw=14.0~19.8W/(m2·℃)。根据实际经验,外露钢结构在夏季由于太阳辐射引起的温度升高可达30℃左右。在太阳辐射引起温升的影响因素中,结构表面涂层的太阳辐射吸收系数ρ影响很大。在钢结构表面应选择太阳辐射吸收系数小、红外线反射能力强的浅颜色面漆,有效控制面漆红外线反射率,尽量降低太阳辐射吸收系数。当无特殊情况时,室外钢结构太阳辐射引起的温度升高可按15℃左右估算。5.3结构合也不稳定影响的消除方法气温可根据当地气象台站记录的气温资料确定,基本温度可取当地50年重现期的月平均最高温度Tmax和月平均最低温度Tmin。结构最高或最低平均温度一般是指结构在夏季或冬季的平均温度。影响结构平均温度的因素较多,应根据施工期间和正常使用期间的实际情况确定。对于常开状态的开合屋盖结构,结构最高平均温度和最低平均温度一般可分别取基本温度Tmax和Tmin。当固定屋盖采用金属板+保温材料等屋面围护结构后,可有效减小温度作用的影响,结构的最高平均温度和最低平均温度一般可根据室内和室外的环境温度按热工学原理计算确定。带有空调的室内环境温度应按设计文件的规定取值,当无具体规定时,夏季可按20℃考虑,冬季可按25℃考虑。对于开合屋盖结构最大升温工况,最大正温差按照下式计算:式中:ΔTk+为最大正温差标准值;Ts,max为结构最高平均温度;T0,min为结构最低初始平均温度。对于开合屋盖结构最大降温工况,最大负温差按照下式计算:式中:ΔTk-为最大负温差标准值;Ts,min为结构最低平均温度;T0,max为结构最高初始平均温度。结构最高初始平均温度T0,max和结构最低初始平均温度T0,min应主要根据固定屋盖合拢或形成约束时的钢结构本体温度确定,或按照施工时可能出现的不利结构温度考虑。钢结构的合拢温度一般可取合拢时的日平均温度,但日间合拢需要考虑日照的影响。重要钢结构的合拢应在气象温度比较稳定、无太阳辐射影响的夜间2:00至凌晨期间进行。在进行结构设计时,往往不能准确确定施工的工期。因此,结构合拢温度通常是一个区间范围,根据各地的气象条件存在一定差异,一般在5~15℃左右。为了保证结构设计的经济合理性,应控制最大正温差与最大负温差的数值比较接近,最大正温差略大于最大负温差,两者过大的差异将导致结构成本增加。由于建筑结构的设计使用年限很长,在确定结构的设计温度时,还应适当考虑气候变化的影响。5.4驱动控制系统的温度与一般轮轨系统在地面铺设轨道不同,对于开合屋盖结构,活动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,直接关系到驱动控制系统的设计参数与适用性。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,将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,除结构变形量大之外,电器与线缆的使用寿命都将减少,电机部件容易烧毁。当使用温度太低时,容易导致机械磨损,金属材料冷脆性加剧,钢索柔韧性变差,容易出现乱绳情况,加剧钢丝绳的磨损。低温使润滑油脂粘度增大,流动性变差,造成机件的磨损。故此,在低温时需要根据情况选用相应工作温度的润滑油脂,或采用适当的保温、加热措施。6地震作用6.1心结构抗震性能对于开合屋盖结构,应分别对全开与全闭状态采用相应的地震动参数,针对各种情况分别进行抗震设计。对于重要的大型开合屋盖结构,还应注意活动屋盖在移动过程中发生地震时的安全性。对于开合屋盖结构,由于活动屋盖、固定屋盖以及下部结构之间的相对关系复杂,在水平与竖向地震作用下的响应与通常大跨度结构存在一定差异,活动屋盖对水平地震力放大效果明显。活动屋盖的位置对结构的地震响应也有一定影响。上海旗忠网球中心结构抗震性能研究结果表明,屋盖闭合与开启状态对结构的振动特性和地震反应有明显影响,屋盖开启时,水平地震作用下看台结构的地震反应较大。在进行开合结构的抗震设计时,应分别建立屋盖结构模型和包括下部结构的整体模型。屋盖结构模型主要针对固定屋盖与活动屋盖,用于钢结构杆件的设计与优化;整体结构模型包括活动屋盖、固定屋盖与下部混凝土结构,主要用于下部混凝土结构构件设计与钢结构杆件的验算。按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中规定的原则,对于开合屋盖结构,应分别采用振型分解反应谱法和时程法计算结构的地震响应,并在必要时考虑几何非线性与材料非线性效应的影响。活动屋盖、固定屋盖以及下部混凝土结构之间的相互作用明显,需要同时考虑水平方向与垂直方向的地震作用。当固定屋盖跨度或屋盖支撑结构平面尺寸很大且为软弱场地时,还应考虑地震的行波效应,进行多维多点地震输入的响应分析。对于规模大、容纳人数多、安全性要求高的开合屋盖,应进行动力弹塑性时程分析。应针对结构部位与构件重要性,采用不同的抗震性能指标,对重要与关键部位提出更高的性能要求,如固定屋盖中支承轨道的桁架、连接活动屋盖与固定屋盖的台车及连接件等,应在罕遇地震作用时保持弹性。由于开合屋盖结构的工程实践尚少,应对其规模进行划分。固定屋盖跨度大于200m、活动屋盖跨度大于80m的开合屋盖结构,建议进行抗震超限审查。6.2活动屋盖全闭与闭合状态的动力特性对比研究的结果表明,开合结构的整体刚度尤其是竖向刚度较非开合结构略小。开合结构和非开合结构两种结构的频率相当密集,且振型曲面类似,但开合结构的可动屋盖对振型的贡献占比例更高。开合结构的活动屋盖在不同位置对开合结构的动力特性存在一定影响。在进行固定屋盖与下部结构设计时,应考虑由于活动屋盖可能处于不同的位置的影响。开合屋盖结构在开启和闭合状态必须能抵御地震荷载的作用,这两个状态的抗震设计与通常大跨度空间结构的抗震问题类似。鄂尔多斯东胜体育场活动屋盖全闭状态与全开状态的前10阶周期如表2所示。从表中可以看出,全闭状态的结构自振周期明显长于全开状态,这主要是由于当活动屋盖处于全闭状态时,在跨中的结构质量增大、且质量的重心高度增大的缘故。鄂尔多斯东胜体育场计算模型的第1阶振型如图9所示,全开与全闭状态均为巨拱带动屋盖在平面外的振动。通过计算浙江省黄龙体育中心网球馆开合屋盖的活动屋盖分别在开启和闭合锁定状态下结构的动力特性,以及结构在水平、竖向地震作用下的地震响应,表明该结构在垂直轨道方向的刚度几乎不受开合状态的影响;沿轨道方向和竖直方向的抗震性能会受到结构状态的影响,活动屋盖闭合的时候结构体系较完整,位移响应略小。6.3打开房屋盖设计的地震参数6.3.1地震动参数的包络值在进行开合屋盖结构的抗震设计时,基本状态采用该地区设计使用年限的地震动参数。对于中小型开合屋盖结构,地震动参数可直接按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)取用;对于重要的大型开合屋盖,应委托相关单位进行工程场地地震安全性评价。在进行多遇地震计算分析时,应取《工程建设场地地震安全性评价报告》与《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)地震动参数的包络值。目前,对于开合屋盖非基本状态以及活动屋盖运行过程中的地震动参数如何取值的问题研究还很少。地震的持续时间很短,可动屋面的移动时间一般在30min以内,移动过程中遭遇地震的几率大小与开合时间的长短以及开合频率有关,所以屋面在移动中遭遇地震作用的可能性很小。对于小型的开合屋面结构,即使在日本这样的多震国家,也可以不考虑移动中遭遇地震作用。但是对于可容纳大量观众的大型开合屋盖结构,要根据地震可能产生的预期破坏程度采取充足的应对措施。根据日本建筑学会《开合屋盖结构设计指南》的建议,开合屋盖行走状态的地震作用可根据设计人员的判断适当降低,当经验不足时,可将地震作用降至50%左右。在进行活动屋盖在非基本状态与行走过程中抗震设计时,可根据建设地点与建筑功能以及活动屋盖使用情况,取用低于基本状态的地震动参数,根据设定的地震作用进行结构计算分析。6.3.2不同设计使用年限结构的抗震设计在我国现行的抗震设计方法中,对于设计使用年限为50年的建筑,小震、中震和大震的超越概率分别为63%,10%和2%~3%,地震的危险性程度主要取决于预期的使用年限以及可以承受的风险水平这两个因素。由于开合屋盖处于非基本开合状态与运行状态的时间较短,其地震作用可以相应降低。周锡元等根据抗震规范中考虑三个概率水准设防烈度之间的平均相互关系,提出一种可以用于估计不同服役期结构设防烈度的简便算法,可以反映设防烈度随服役期的变化情况。不同设计使用年限结构的抗震设防烈度如表3所示。文研究了建筑抗震加固时确定后续使用年限地震作用的方法。当地面运动加速度A以g为单位时,地震烈度I与地面加速度A可以用下式表达:根据式(10),可以计算出不同设计使用年限平均地震峰值加速度的调整系数如表4所示。从表中可以看出,当设计使用年限低于50年时,平均地震峰值加速度下降显著。尽管活动屋盖的开启方式、开启次数存在很大差异,但每次的开启时间大约在10~30min范围内,一年的实际开启次数平均不超过数十次。在活动屋盖移动过程中,发生大震的概率很低。例如某开合屋盖设计使用年限50年,每年开合50次,每次使用时间为0.5d,活动屋盖开合运行时间均为30min,其各种状态与折算使用年限的关系如表5所示。根据表3和表4可知,在非基本状态地震峰值可降至40%左右,在活动屋盖运行时地震峰值可降至10%以下。基于上述分析,在进行开合屋盖结构的抗震设计时,基本状态应采用该地区设计使用年限的地震动参数,非基本状态的峰值地震加速度可适当降低,但不得低于基本烈度的50%。对于活动屋盖的运动过程,可不考虑专门进行抗震验算。6.4基于粘滞阻尼器的抗震设计对于刚性开合屋盖,台车位于固定屋盖与活动屋盖之间,发挥着支承与连接的重要作用。台车在计算模型中的正确模拟,对于抗震分析的可靠性具有很大影响。台车在计算模型中的刚度假定,对于水平地震力影响很大。近年来,耗能减震装置在大型体育场馆与开合屋盖中得到越来越多的研究与应用。WnukVP对带有阻尼装置的开合结构进行了抗震耗能分析,在结构中设有自动监控系统可以判断潜在的地震危险性。SafecoField体育场设计中第一次使用了直径18英寸、长22英尺的大规格粘滞阻尼器,能够吸收地震和风暴能量。休斯顿安然体育场在考虑抗震设计时,在屋顶结构中使用15个液压粘滞阻尼器,在减少飓风的破坏性方面发挥了很好的作用。主要针对改善台车行走过程中适应性的各种液压调节装置,同时也是抗震设计中的耗能减震装置,对结构抗震具有很好的效果。日本的大分穹顶采用了一种集降低温度影响、减震和减小开合运行时活动屋盖动反力等功能于一体的综合装置,行走台车通过该装置与活动屋盖相连,减小了开合运行时固定屋盖的振动效应,长期荷载作用下开合屋盖结构的支撑反力可以减少为50%,温度应力减少为45%,地震荷载减少为65%。福冈穹顶在每片开合屋盖之间安装了液压阻尼器,以防止反应变位较大的顶部屋盖板间相互接触。抗震设计应注重的是从构造上保证结构的安全,通过合理的驱动系统设计,防止活动屋盖在地震时出现脱轨、碰撞、吊挂物晃动等事故发生。在地震多发地区设计大型开合屋盖结构时,应考虑设置地震传感器。在活动屋盖运行过程中,当地震达到某一烈度时,夹轨器等刹车装置可将活动屋盖临时锁定在轨道上面,确保结构安全。7屋顶荷载的设计活动屋盖在运行过程产生的各种荷载是开合屋盖结构设计中特有的荷载,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固定点的反力等。7.1活动屋盖增加和限制调整活动屋盖在行走过程中,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。活动屋盖在行走过程中的稳态运行阻力由摩擦阻力、坡道阻力Pa、风阻力构成,坡道阻力可参考国家标准《起重机设计规范》(GB/T3811—2008)(以下简称起重机规范)计算:式中:m为活动屋盖传递到台车上的质量/kg;mi为台车的质量/kg;g为重力加速度/m/s2;α为轨道倾斜的角度/°。当活动屋盖采用钢丝绳驱动系统时,屋盖开启时主要可以依靠活动屋盖的自重作为下滑驱动力。当下滑力不足时,需要设置反向牵引系统。7.2横向载荷系数当屋盖沿平行轨道移动时,因轮轨之间的距离变差、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以轮压的方式来确定。根据起重机规范附录D中对起重机偏斜运行时的水平侧向力按下式计算:式中:Ps为起重机偏斜运行时的水平侧向载荷/N;∑pi为起重机承受侧向载荷一侧的端梁上的最大轮压之和/N;λ为水平侧向载荷系数,与起重机跨度S和起重机轮基距或有效轴距a有关:车轮横向力应考虑支承点的受力变形位移值的影响。该受力变形值应在轨道跨度和结构跨度的允许范围之内。国家标准《通用门式起重机》(GB/T14406—93)中对起重机的跨度偏差、轨道偏差等也做出的相应规定如下:1)轨道箱形梁的水平弯曲应不大于跨度的1/2000,且最大不得超过20mm。2)当跨度≤26m时,跨度允许偏差为±8mm;当跨度>26m时,跨度允许偏差为±10mm。由此可见,起重机对轨道加工制作及安装精度的要求很高。对于开合屋盖结构,台车轨道位于固定屋盖之上,结构的变形将随着活动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,与起重机规范的要求相差较大。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,荷载也越大。因此,在进行开合屋盖设计时,为了避免活动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适应与调节机构,根据结构变形量与安装误差确定所需的调节量,释放部分水平推力,使最大水平力不超过设计要求。7.3考虑轨道接头、轨道不平等和背景的考虑当结构沿轨道运行时,必须考虑轨道接头和轨道不平而引起的水平和竖向力。由于活动