某体育场合建式体育场开屋盖设计实例

某体育场合建式体育场开屋盖设计实例

封闭建筑是现代体育建筑的主要发展趋势。与常规建筑形式相比,开合结构具有3个突出的特点:复归自然性、不受不利天气影响的免疫性和综合体育功能的可实现性。目前国际上已成功建成数十座各类型的开合结构建筑,为当地带来了很好的经济和社会效益,也为开合结构的研究和发展提供了很好的工程实践。目前我国对开合结构的研究还处于起步阶段,尽管已经设计建成了数座简单的较小跨度开合屋盖建筑,如跨度41.5m钓鱼台国宾馆网球馆、上海浦东某游泳池等,但这些建筑的结构形式和开合机理较为简单,相应的有参考价值的工程资料也很有限。随着经济和技术的发展,我国许多地区都开始有建造大型开合结构的想法和需求,有的已经进入设计和施工阶段。可以预见,在未来的几年,国内对开合结构的需求将更为强烈,对这种结构进行深入、系统的研究十分必要。开合屋面结构作为开合结构最典型的应用,因其独特的使用功能,使得其设计过程远较普通结构形式复杂。本文结合黄龙体育中心网球中心开合屋盖结构的工程实例,详细介绍开合屋盖结构设计的全过程。1配套设施设计黄龙体育中心网球中心是浙江省重点工程,主要建设内容为二场二馆(比赛馆、训练馆)及相应的综合配套设施。整体工程位于体育中心主体育场西侧,总用地面积2.8hm2,其中主建筑为一5000座的网球比赛场,比赛馆要求满足国际大赛的需要,整体结构呈圆形,顶部采用开合屋盖设计,平时处在开启状态,在天气恶劣或举行公共活动需要时,把活动屋面关闭。网球中心建筑效果如图1所示。2大拱桁架结构设计方案根据建筑和使用要求,进行了结构设计。由于原方案机械驱动部分结构复杂,造价昂贵,而且安全性不高,多方论证后决定在保持建筑外观和使用功能基本不变的基础上对原设计进行修改,最终结构方案如图2所示:屋盖覆盖直径86m的圆形区域,周边柱子布置在半径为37.3m的看台平面上;大拱桁架根据建筑要求和建筑红线的限制,采用一端落地,另外一端落在钢筋混凝土框架上,拱脚跨度为93.7m;活动屋面在两个大拱桁架中部的水平桁架轨道上运行,完全打开后开启部分的水平投影面积为21m×36m(沿大拱方向),开启、闭合时间约为15min。2.1设计依据和机械设计标准虽然近年来开合屋盖结构已经建成200多座,但总的来说这种结构体系还是处在起步阶段。因此,现阶段开合屋盖的设计依据,在结构方面主要是参考各国的建筑结构规范和表1所列的设计指导方针,在机械设计方面主要参考表2所列的起重标准,此外还应该参照已建工程实例。由于目前我国还没有任何对应的国家或地方设计规范,网球中心的设计在以我国结构设计规范为基准的基础上,主要参考了日本建筑协会的《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GB3811-83《起重机设计规范》。2.2活动部分的设计与传统的屋盖形式相比,开合屋盖结构的设计要复杂得多。除了要考虑结构因素外,还要考虑活动部分对下部支撑结构的动载影响以及机械系统、控制系统安装维护问题。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机械设计、结构布置和建筑构造的相互制衡,导致各工种的设计一定要并行进行。基本设计流程见图3。2.3牵引缆索的驱动方式开合屋盖结构按照开合移动方式主要分为五大类:水平移动方式、水平旋转移动方式、空间移动方式、绕枢轴转动方式、折叠移动方式和组合移动方式。开合方式的选取主要受建筑外形和使用功能的影响,但结构的安全性和经济性也是不可忽视的重要因素。根据工程初设计方案的要求,网球中心采用最为复杂的空间移动方式,即活动屋面沿弧形主桁架上弦面轨道移动,相对应的驱动方式采用电机牵引缆索的驱动方式,如图4(a)所示。这种开合方式的典型工程包括日本大分穹顶和小松穹顶,它以其能够在最大程度上满足建筑外形的美观需要而受到青睐。但这种开合方式的弊端也是显而易见的:由于活动屋面沿着有坡度的曲线轨道移动,运行轨道有较大的水平倾角,活动部分无法达到自锁要求。为防止屋面下滑,使用时需要额外的机械装置提供外部支撑和安全保障,在运动过程中也要求驱动装置提供额外拉力以平衡活动屋面的自重分力。因此,空间开合方式机械结构复杂,造价昂贵,维护困难,而且安全性较差。基于以上原因,经多方讨论后,决定将原方案改为直轨道移动方式,如图4(b)所示。改动的理由主要有以下几点:(1)直轨道机械运行可以参考国内吊车规范,技术相对成熟得多,结构和机械设计都有规可循,从而尽可能避免不可预见问题的发生。(2)使用过程中,当机械发生故障时,直轨道下活动屋面至多无法移动,不会造成进一步损害,而且维修方便;而空间开合方案在这种情况下容易发生活动屋面滑落等事故,造成严重后果,维修也非常困难。(3)空间开合方案驱动机械复杂,必须加装大量辅助设备以保证使用安全。同样性能条件下,国内现有机械产品体积庞大,不适合在高空安装,大量采用进口设备势必造成造价昂贵,日常维护困难。2.4屋面结构体系的设计在该工程中,全屋面竖直投影为直径86m的圆形,网球场地上空屋面为可动部分,根据使用要求开闭;四周看台屋面被活动屋面划分为对称的两部分,一端连接拱桁架下弦,另一端与环桁架上弦连接,最大径向跨度近24m。环桁架与下部钢筋混凝土看台平行,轴线为波浪形不规则空间曲线。该部分屋面外观呈不规则的扁壳形,屋面支撑结构根据屋面板铺设要求呈肋环形布置。为满足设计需要,目前通常采用网壳结构或立体桁架作为支撑。但单层网壳由于径向杆件沿跨度方向曲率很小,在载荷作用下看台屋面随跨度增大中部挠度明显增加;双层网壳则存在杆件密集,影响网球场内视觉效果的问题;立体桁架在屋面外形条件下无法很好地构成建筑要求的平滑曲面外观,效果也不理想。经过多种方案的比较,最后决定采用单层肋环形网壳加张弦梁的杂交体系作为结构支撑(图5)。正如前面所述,单纯采用单层肋环形网壳,径向杆件的跨中挠度对结构起控制作用。这时候采用较高强度的钢材不能解决问题,必须要加大杆件截面。此时,增大截面是为了控制变形,没有充分利用钢材的强度,而且使用钢量大幅度增加,经济性指标大大下降。计算中,单层网壳为控制变形采用大截面型钢,用钢量达到40kN/m2以上。而引入张弦梁体系充分利用了高强索的强抗拉性,改善了上弦杆件的受力和变形性能,使全结构成为受合力的自平衡体系,用钢量也降至25kN/m2左右。可以说,这种结构既具有网壳造型灵活的特点,又具备了桁架简洁、明确的受力特点。在这种结构中,下弦预应力拉索与屋面网壳的径向杆件一起构成张弦梁体系,为屋面结构提供支撑。从受力形式上分析,张弦梁下弦预应力拉索通过撑杆提供弹性支撑,结构预应力反拱抵消了结构自重产生的竖向挠度,从而大大减少上弦杆件在使用阶段的弯矩,并在一定程度上抵消了梁端推力。环向杆件保证了张弦梁上弦的面外稳定,也利于檩条和屋面板的铺设。可以证明,当张弦梁上弦向上起拱时,使撑杆回到平衡位置的力矩大于出平面力矩,所以可认为撑杆和下弦拉索不会出现面外失稳,结构是一个自平衡的稳定体系。实际设计中,考虑到部分结构上弦起拱很小,为确保结构稳定性,在每个撑杆端部节点加设由钢棒构成的对拉支撑体系。2.5可动屋面结构风压和荷载相对常规屋盖只有1种使用状态,开合屋盖结构一般有3种状态:完全闭合锁定状态、完全开启锁定状态、运动状态。一些大型开合结构还有第4种状态:半打开的锁定状态。不同的状态对应于不同的使用条件,所以开合结构设计必须考虑状态与荷载工况相对应。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。为了开合过程的安全,活动屋面移动时风速不能太大,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:闭合状态根据荷载规范规定的建筑场地的基本风压取值;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短,所以用阵风风速为参考值,一般取阵风风速20m/s。该工程设计根据活动屋面使用状况划分为锁定状态和运动状态两种。锁定状态包括闭合锁定和开启锁定,是开合屋面使用的主要阶段。在该种状态下,活动屋面与固定屋面通过锁定装置连接,风载取值由根据规范规定的基本风压值由风洞试验确定。运动状态包括开启和闭合过程,该状态时间短,活动屋面与固定屋面通过台车相连,紧急情况下仅有夹轨器及防浮装置提供临时约束,故允许风载取值较小,以0.2kN/m2基本风压(对应于8级风)为基准进行设计。为保证使用安全,在可动屋面使用操作手册中需详细规定使用风速,并要求使用过程中根据现场风速严格遵守。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,开合屋盖可动部分不宜安装照明、音响等设备。同时,在有屋面积雪或屋面检修等情况下不允许进行开合操作。开合屋面在使用中具有活动状态,伴随着屋面运动会产生一系列特殊荷载,这些特殊荷载会根据开合屋盖类型的不同而有所不同,主要包括可动屋面运行时产生的制动力、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不平行或台车运行不同步造成的活动屋面走偏,设计中考虑了最大轮压的20%作为垂直于轨道的水平横向荷载。开合屋面的水平移动速度为0.02m/s,远小于FEM(FederationEuropeennedelaManutention)规定的0.7m/s,因此缓冲器(车挡)上的冲击力可以不用考虑。2.6严格约束下的轨道受力分析开合屋盖在通常使用状态下主要受静载作用,工况组合详见表3。由于开合屋面两部分相对独立,对整个结构在受载阶段的分析存在如何考虑两者相互耦合的问题。通常采用的方法是整体分析法,即在锁定位置通过锁定点耦合活动屋面与下部结构的3个线位移进行协同受力变形分析。这种方法从整体上看合情合理,结果似乎也可以接受。但从锁定点局部分析,由于该方法忽略了机械结构的相对变形,计算所得的节点约束力很大,将对该部分台车轮组、轨道以及锁定机械造成很大的负担。为了使分析结果更符合实际,设计采用单独分析方法,即把两部分屋面分别加载,活动屋面支座(台车)释放垂直轨道水平方向(y轴)约束,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。下面通过分析比较两者的差别。图6为网球中心完全闭合锁定状态的3组典型工况下轨道的变形比较。从图6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(沿轨道和轨道竖向位移)基本吻合,但y向(垂直轨道方向)的位移有明显的差别,整体分析的位移较大。从结构体系的角度可以作如下解释:活动屋面覆盖22m×39m的开启面积,由于体系自重较轻、刚度较弱,在外载作用下往往会产生较大变形;而轨道桁架所属的固定屋面主桁架部分具有较大的刚度,受载荷作用下变形相对较小。整体设计耦合了锁定点的线位移,使活动屋面在该点处受到很大的约束反力,也使固定屋面的轨道产生很大的变形。而单独分析不计活动屋面y向变形的影响,计算传力时只计入规范规定的侧向力影响,轨道变形大大减小,因此出现图6的结果。另外值得说明的是,在开启锁定状态下,轨道桁架端部由于有连梁的存在,固定屋面刚度得到加强,结果是整体分析时侧向位移减小而节点力增大,轨道变形的大致趋势与图6是基本一致的。单独分析中,假设活动屋面支座水平面上不受到约束,这一点可以通过构造措施来实现:机械部分设计时在台车车轮和轨道间沿垂直轨道方向留有充分的间隙,以满足活动屋面受载时的横向变形需要,从而使实际符合计算模型,两部分屋面在荷载作用下受到横向力的相互影响降到最小。机械部分结构如图7所示。通过以上分析比较可以得出,在设计阶段采用单独分析所得的结果更趋合理,而且进行单独分析还可以很明确地得到台车、轨道及锁定点的相互作用力以及活动屋面的变形情况,为施工及使用阶段的监测提供必要的参考数据。对于看台屋盖部分,由于主桁架及轨道桁架刚度很大,活动屋面位置变化对其影响较小,设计过程主要考虑不利工况对挠度及索拉力的影响,详见表4。2.7新型秩序分析在保证结构的安全可靠性方面,节点的强度也是十分重要的环节。开合屋面全结构采用相贯节点设计,在主拱桁架与水平轨道桁架交界处的杆件密集,在多种载荷作用下受力较复杂无法使用规范规定的公式验算,设计中对这部分节点进行有限元分析(图8)。另外,由于在计算模型中,拱脚作为铰支座只提供结构的三向线位移约束,因此需要设计合适的支座以满足结构需要。设计中,支座采用钢板焊成肋形格构式结构,并采用球铰支座(符合GB/T17955-2000《球型支座技术条件》要求)提供需要的约束,为了保证支座节点的可靠性,也对整个支座进行有限元受荷分析。根据分析结果可得各部分节点在荷载作用下满足设计强度需要,结构安全可靠。2.8封闭桁架补偿黄龙体育中心网球馆开合屋面采用钢管结构相贯焊连接,基本用钢量指标如表5所示(只统计结构钢管桁架自重)。在固定屋面部分,由于支撑活动屋面的轨道桁架需要提供较严格的挠度变形控制,而屋面最不利载荷作用在轨道跨中(闭合状态),因此该部分桁架设计了3m×3.2m的较大截面尺寸。另外,开启部分使全结构整体性受到影响,固定屋面中心刚度减弱。作为补偿,设计时沿开口四周设置封闭桁架以保证整体刚度,这部分设计增加了固定屋面用钢量。活动屋面缺少周边支撑,设计中采用环桁架作为