绍兴体育场分开屋盖结构性能分析

绍兴体育场分开屋盖结构性能分析

1活动屋盖整体布置绍兴网球场位于绍兴西北的科北新城和东部开发区。总建筑面积77500m2,观众座位40000席。屋盖采用开合结构,开启面积12350m2,是国内目前可容纳观众数最多的开合式体育场。绍兴体育场屋盖部分长轴:260m,短轴:200m,水平投影总面积为41878m2,其中固定部分31690m2,开口面积10188m2,活动屋盖分为两块,水平投影面积总计12660m2。罩棚围护采用膜材料,固定屋盖采用空间钢桁架结构,沿周圈设置环桁架,中部根据罩棚开口设“井”字形空间主桁架,环桁架与主桁架之间通过空间次桁架连接。井字主桁架高度为19m,次桁架高为5m。井字桁架中两道南北方向桁架为活动屋盖轨道桁架。两片活动屋盖采用平面桁架,每片活动屋盖由14台移动台车与固定屋面连接。在主桁架下设置8个混凝土筒。其结构布置见图1。由于下部混凝土结构通过温度缝分成4个部分,工程钢结构在混凝土温度缝两边的支点采用抗震支座,其余部分钢结构支点用固定铰支座与下部混凝土柱及混凝土筒连接。2活动屋盖选型、结构体系及驱动系统的确定开合屋盖的设计是集钢结构设计、钢结构施工方案、起重液压机械传动与自动化控制为一体的综合性系统工程,是跨学科的合作项目。开合屋盖由固定屋盖、活动屋盖及屋盖驱动与控制系统三个重要部分组成,三部分的设计不是孤立的,是相互制约、相互协调的过程。固定屋盖是活动屋盖的基座,是开合屋盖的一个重要组成部分,固定屋盖的刚度及稳定性直接影响到屋面系统的安全性与可靠性。固定屋盖须有足够的刚度和强度来保障活动屋盖运行顺畅,同时保证行走系统的轨道不致产生过大变形。固定屋盖的具体尺寸见图2。活动屋盖结构选型应遵循以下主要原则:1)活动屋盖的结构形式应与屋盖开启方式紧密结合;2)结构选型应尽量与固定屋盖的建筑风格与结构体系协调一致;3)严格控制结构自重,减小移动屋盖对驱动力的需求,优先选择重量轻的膜材或金属屋面作为围护结构,当采用折叠开启方式的膜结构时,应选用可折叠的膜材;4)活动屋盖的整体刚度不应过大,应具有较大的变形适应能力,屋面坡度应有利于排水;5)活动屋盖支点的构造要便于与驱动机械系统相结合。单片活动屋盖平面图为长方形和月牙形悬挑组成。活动屋盖的具体尺寸见图3。经过综合考虑可靠性与经济性指标,对多种驱动方式进行全面的技术经济比较后,最终确定采用钢丝绳牵引与轮式驱动相结合的驱动系统。两片活动屋盖通过28台台车支撑在固定屋盖的轨道上,28个台车中有12个为自驱动台车,其余16个为被动台车,自驱台车与被动台车间隔布置。自驱小车与钢丝绳共同提供驱动力以牵引活动屋盖的开合。之所以采用两种驱动组合的方式,是由于绍兴体育场活动屋盖的轨道曲率较小,活动屋盖的自重在轨道切线方向的分力并不足以让活动屋盖克服摩擦力而滑下,活动屋盖开启时就需要附加的驱动力为活动屋盖提供动力,而12台自驱动台车将在活动屋盖下滑过程中提供动力,其构成见图4。由于可能存在驱动系统的不同步、卡轨、结构重量分布不均匀、受力不均、轨道摩擦不均等原因,将引起驱动牵引不同步,屋盖整体结构产生偏转。因此,变形互动和补偿调整显得十分重要。在运行过程中台车上的变形传感器、测力销等监测系统将台车运行的各种参数传递给主控系统,主控系统根据这些参数调节台车上的液压调节系统以适应结构的变形及荷载变化。自动控制系统要求台车在运行中能适应结构在对称荷载及不对称荷载作用下的变形影响。并在卡轨,断索等情况下能及时采取措施。台车可自行调整适应结构变形的需要,即对支撑结构变形有自适应能力,同时为降低对机械及控制系统的高精度需求,也需要对结构设计进行优化,提高结构性能,尽量减少主体结构在各种荷载作用下的变形差异;二者需要相互适应,找到合适的适应范围。3打开结构的主要负荷3.1结构的抗剪强度开合结构一般都采用轻质大跨的钢结构体系,对刚度要求较大,势必会造成固定屋盖的自重较大,屋盖传给支座的竖向荷载主要为结构的自重。因此在设计过程中,如何根据建筑造型,选择安全、有效、经济合理的结构形式是开合屋盖是否成功的一大要点,也是节省造价的一个有效途径。3.2大跨度固定屋盖在开合屋盖设计时,受当地气象条件影响,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。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。大跨度固定屋盖一般不能考虑支座滑移释放温度应力。温度对固定屋盖钢结构的影响将显得尤为重要。3.3风洞试验对开放系统运行的影响一般应通过风洞试验确定开合屋盖结构建筑表面的风压分布情况。在确定风洞试验时主要做了全开和全闭两种状态的风洞试验。屋盖运行过程中可能遇到瞬时强风的影响,设计中做了数值风洞分析,对全开全闭及活动屋盖运行过程中的风压进行计算分析,同时与风洞试验结果进行比较。在活动屋盖移动过程中,对风速进行严格监控,要求活动屋盖开合时风速在12m/s以下。3.4结构体系设计开合屋盖结构应分别对全开与全闭两个基本状态进行抗震设计,此外还应特别注意活动屋盖在移动过程中发生地震时的安全性。当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、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。在活动屋盖移动过程中发生大震的概率极低,但需要考虑防止出现脱轨、碰撞、晃动等事故的措施。在进行结构抗震设计时,应采用结构整体模型,考虑活动屋盖与固定屋盖之间的相互作用,同时考虑水平力方向与垂直力方向的地震作用。应分别进行反应谱计算与时程分析,并考虑几何非线性与材料非线性效应的影响。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,并提高主受力构件的抗震等级。4结合刚度和计算模型为保证结果的准确性,工程建立了包括混凝土、钢结构、台车在内的整体模型,计算中考虑台车的刚度为3000kN/m。整体计算模型见图5。除了计算了全开、全闭模型外,在两者中间六等分计算了5个位置的情况,图5(c)及图5(d)分别为过程2和过程4的计算模型。以下为绍兴体育场的计算结果。4.1轨道位移值的确定由于工程桁架跨度较大,固定屋盖在台车移动过程中将产生竖向及水平向变形,为保证台车在正常使用情况下能正常运转,为台车等驱动及控制系统提供设计依据,须计算轨道在活动屋盖运行过程中的位移值。取单条轨道的计算结果见表1。表1列出了活动屋盖运行过程中,轨道在垂直轨道方向(X向)和竖向(Z向)的位移。根据以上数据,并考虑适当的冗余度,取台车的设计参数为:机械系统须适应结构竖向变形300mm,侧向变形±100mm。根据所列数据可以看出,轨道跨度234m,从全闭状态到全开状态,轨道X方向的位移差值为56.79-40.88=15.91mm,为跨度的1/14708;轨道竖向的位移差为127.29mm,为跨度的1/1838<1/1000。同时也说明固定屋盖的刚度能够为活动屋盖提供足够的支撑。4.2环桁架对下锚面钢结构的影响根据温度最高作用所得结果和最低工况所得结果,并考虑到结构合拢温度的不确定性,建议采用升温+40℃,降温-30℃计算结构冬夏温差。由此计算的结构位移和轴力见表2。由表2数值可以看出,温度作用下,钢结构屋盖的内力及变形都较大,温度对结构起控制作用。为了保证上部钢结构在温度作用下产生的变形及内力不至于过大,从而影响下部混凝土结构的受力情况,环桁架便起到了非常重要的变形约束及内力传递作用。下部混凝土被温度缝分成四个独立单元,而上部钢结构固定屋盖为一整体结构,两者连接后形成连体结构。由于下部混凝土结构分缝处环桁架杆件截面较大,传递给下部混凝土结构的水平反力也较大,为解决这一难题,设计中环桁架采用4.5m×5.5m的四边形截面,并在环桁架下弦与下部混凝土柱顶之间增加树状支承。环桁架采用的四边形截面,可以保证上部钢结构的整体刚度;增加树状支承后,又可改善下部混凝土结构分缝对环桁架造成的局部影响,同时减小上部钢结构对下部混凝土结构的水平反力。钢结构屋盖环桁架树状支承下端立于下部84个混凝土柱柱顶,并通过支座相连(见图6)。其中位于下部混凝土缝两侧的支座采用抗震支座,其余支座均采用固定铰支座。4.3活动屋盖开启特性大跨度空间结构是风荷载敏感结构,为此委托了中国建筑科学研究院做了全开和全闭模型的风洞试验,同时建立数值模型进行了风洞模拟,计算了完全开启状态;开启2/3状态;开启1/3状态;全封闭状态;微开启状态5个工况。表3列出了结构在活动屋盖开启过程中不同风向角作用下的最大内力及最大位移。根据表中数据规律可以看出,结构内力在90°风向角作用下最大,且活动屋盖由全闭状态逐渐开启,直至全开状态,结构内力逐渐减小。随着活动屋盖由全闭状态逐渐开启直至全开状态,轨道变形逐渐减小。轨道最大变形量为13.25mm,仅为跨度的1/17699。4.4结构阻尼比的确定工程抗震设防烈度为6度,相应的设计基本地震加速度值为0.05g;建筑抗震设防类别为乙类;建筑场地类别为Ⅲ类;设计地震分组:第一组,特征周期0.45s;结构阻尼比:弹性、弹塑性分析,钢结构阻尼比取0.02,钢筋混凝土结构的阻尼比取0.05;计算常遇地震,当仅考虑竖向地震作用时,竖向地震作用至少取重力荷载代表值的10%和反应谱法计算的较大值,抗震承载力调整系数取1.0。屋盖的抗震性能与分析方法见表4。工程采用MIDAS与ABAQUS两个软件分别计算,取前50个振型。比较了重力荷载代表值及周期。计算结果见表5,6,与表3内力相比,可以看出地震作用对结构的影响较小,不是主要的控制因素,图7为其前两阶振型。5屋顶模型的互协调(1)开合屋盖集钢结构设计、施工,液压传动和自动化控制为一体,其固定屋盖、活动屋盖及