钢屋盖开顶结构机械结构综合技术的探索与实践

钢屋盖开顶结构机械结构综合技术的探索与实践

0加强内部矛盾分析方法,提高产品的可靠性和安全性打开和关闭房屋的屋顶结构。因为屋顶可以移动，所以有很多技术问题。要确保开合屋盖结构具有同常规结构有同等的安全性、可靠性,这必须以结构体系、机械系统、控制系统各自的安全与可靠为前提。合理地进行屋盖开合全过程的各位形受力分析是开合屋盖结构在结构设计方面的大难题。从己建成的开合屋盖结构来看,机械系统可动部件常有故障发生,因此,要求开合屋盖结构机械系统的构造应尽可能简单,这样既可提高机械系统的可靠性,又便于故障后维修。在施工方面,大型开合屋盖结构对施工技术、测量技术、检测技术提出更高的要求。对于使用最广泛的轮轨系统开合屋盖结构,支承结构的安装精度对屋顶的运行性能有直接的影响。运行轨道的不平整将会引起行走台车蛇行运动而使屋盖左右摇晃、上下振动,甚至因行走台车车轮反力不均匀而引起车轮空转、脱轨等事故,也有可能出现主动台车动力不足、从动台车受力不均匀、构件疲劳破坏等一系列问题。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,建筑方案、结构形式、机械牵引和控制系统、施工方案之间是相互影响、相互制衡的。1活动屋盖体系南通市体育会展中心体育场(图1)屋盖几何形状为球冠,分为固定屋盖部分和活动屋盖部分。固定屋盖采用拱支单层网壳结构,拱架系统由六道主拱、五道副拱和两道斜拱组成。活动屋盖有两片,平面形状呈半椭圆形,采用周边加强的单层网壳结构,单片重量达1050t。两片活动屋盖分别由22台台车支承在固定屋盖的主拱上,台车上端连接在活动屋盖的网壳节点上,下端支承在固定屋盖主拱的轨道梁上。工程中活动屋盖采用卷扬机驱动(图2)。活动屋盖对应固定屋盖主拱架的位置设置了6道台车带,其中内侧4道主拱为主动驱动,在活动屋盖的对应位置上设置钢丝绳,钢索通过卷扬机收紧,则活动屋盖上行,屋盖闭合;钢索放松则下行,屋盖开启。靠外边南北两端的主拱架上行驶从动台车,不设牵引钢丝绳。所设定的开启或闭合全程分别需20min。工程的屋盖系统,总面积和开口面积分别为40470m2和17807m2,开口面积占总面积的44%,开口面积和开口率(开口面积与总面积的比值)迄今为国内最大,在全球范围内看也属于超大型开合屋盖体系。屋盖的开口越大,对设计、施工和开闭运行的要求就越高。活动屋盖的开闭运动在球状曲面上进行,即活动屋盖是在空间曲面上移动,既与平面移动方式不同,也与沿单曲率表面(如柱面)移动的活动屋盖不同。运行过程中,伴随着各台车带不等线速度、不等侧向位移等问题。活动屋盖特殊的运动方式要求结构系统和机械系统在设计、安装、调试各阶段根据实际情况不断的修正和改进。工程设计和施工的主要有以下问题和难点。(1)实现机械-结构的综合技术研发与应用,达到结构体系成为机械设备的可靠保证,机械设备成为结构体系的一部分,使结构体系在受力、变形上满足机械设备的要求,两者高度协调。(2)屋盖体系中固定屋盖既是屋盖系统一部分,又是活动屋盖的支承结构,机械系统平稳运行的关键取决于固定屋盖主拱架的变形情况。如何消化、吸收固定屋盖的自重变形,解决活动屋盖-固定屋盖的变形协调问题,是确保传动机械设备-台车稳定运行的关键。(3)由于机械系统对支承结构变形的敏感性,设计阶段需对活动屋盖运行全过程进行数值模拟。根据分析结果制定机械设备的技术参数,如何精确模拟屋盖开启全过程,如何对附属于结构上的机械设备(牵引机制、传动机制、制动机制等)进行数值简化,如何根据结构分析结果制定合理的机械技术参数等问题贯穿整个设计调试阶段。(4)机械设备的布置与安装,与固定屋盖和下部运行轨道的连接方式,驱动设备的传动方式及其结构传导构件的设置方式,运行轨道的支撑结构形式,结构变形和制造精度对机械传动的影响分析及修正模式,两片屋盖的自控同步精度控制等机械设计问题。(5)大型空间结构体系施工中的难题,如大直径钢管精确弯制、大型钢结构现场预拼装及吊装方案的确定,屋盖体系支承方案及合理的卸载方案设计等。以及由于屋盖开闭体系的特殊性带来的活动屋盖拼装技术的专项研究、高精度曲线轨道的制造和安装等一系列其他问题。(6)密封、排水系统,活动屋盖的速度、加速度模式,活动屋盖开、闭位形的固定措施等其他综合问题。2研究和设计2.1结构体系分析在车改工程中的应用进展面对困难和挑战,为保证工程顺利展开,进行了一系列结构设计分析和试验研究工作:进行了屋盖不同位形(全开启、开启不同角度、全闭合)、不同风向荷载作用下的风洞试验研究;针对多管相贯节点的搭接、内加劲措施等进行了分析和必要的试验研究;展开了对活动屋盖、固定屋盖的刚度匹配问题的专项研究。上述设计分析解决了以下关键结构技术问题。(1)分析制定了设计控制基本原则:1)根据功能要求确定以屋盖开启状态为主要状态;2)确定了开闭运行的限制条件(风力不超过8级、无积雪、无地震);3)提出了结构需考虑极限状况分析的概念。(2)建立了集成钢筋混凝土环梁基础-固定屋盖-台车-活动屋盖为一体的复杂系统力学模型,以及包含其中的台车设备抽象模型。依托该模型,提供了结构变形的准确范围,对制作、安装、台车系统的设计参数确定起了决定性作用。提供了超大型空间结构考虑地基-结构-可动设备一体化分析的成功实例。(3)对支承和运行于有限刚度曲面上的超静定开闭顶结构创造性地提出了刚度适配的概念和结构设计方案,确定了超大型开闭顶建筑的概念性结构设计技术的合理指导方针,有效降低了运行风险和经济成本。(4)提出分解变形成分、分类吸收处理的设计原则。将结构变形区分为自重变形、运动变形和环境因素变形,通过可调构造、安装顺序等措施释放自重变形中的主要成分,使台车运行-控制设计集中于适应运动变形和环境因素变形,为简化机械-控制系统提供条件。(5)确定了关联的结构节点技术,如用于单层网架钢管结构的环肋形铸钢,基于试验数据,在大型管结构施工中第一次明确制定和实施了搭接相贯节点隐蔽部位焊接的技术要求,高精度与安装可调式轨道梁的构造技术等。(6)针对开闭顶建筑的使用、受力、极限状态等条件,提出了牵引式开闭顶结构偶然状态下极限分析方法的原则。对现行规范不能按统计方法提出设计要求的特殊工况进行了设定,采用非线性静力-动力方法对以下方面进行了分析:1)局部牵引钢丝破断及动力过程;2)活动屋盖控制失效下的非对称运行;3)失速下滑的动力过程;4)活动屋盖居于拱顶但失去对拱架侧向约束的小概率事件等条件下的结构安全性。2.2活动屋盖承接板的组成机械系统是实现活动屋盖顺利开闭的关键,也是结构体系、制作安装工艺应全力配合满足的中心环节。机械设计上,充分考虑大型结构变形影响,运用三维数值模拟技术进行空间建模和设计,及时将结构因素、制作安装因素等与机械设计相结合,集成过程中引出许多结构、制作单方面未能全面考虑的问题,再将疑问反馈给各专业,便于各专业及时修改设计。在各专业的协同设计过程中,机械系统设计向总体工艺设计提供技术边界条件,在开闭式屋盖体系的综合技术设计中起到重要作用。工程机械系统设计中首次将液压伺服传动系统运用于在大型体育场开合屋盖整体支撑和自反馈调整系统。运用了行走台车安装横向和纵向液压调整油缸的纠偏技术,使屋盖支撑及行走台车在主观控制系统的主导下实现力和位移的自适应功能。适应性调整共有五项可调部位:主动调整两项,为台车的竖向液压油缸调整与横向液压油缸调整;被动调整三项,为轨道梁支座、轨道梁、主顶油缸法兰盘。灵巧的设计构造满足了适应性多方位调整的需要。南通体育场活动屋盖顺利开闭的保障来源于控制的适应性能实时地弥补钢结构的施工误差,保证机械系统的运行条件。适配性控制的实施策略能保证结构与机械部件的内力不超限,变形能力相匹配,寻求技术性能与经济指标平衡点指标。机械系统中的关键部件——活动屋盖支承台车(图3)主要由横向调整装置(油缸)、台车主架、主轴、滑动关节组件、纵向调整油缸、台车附架、车轮组件、电控箱、导向轮组件、液压站、反钩(轮)组件等部分组成。台车主架和附架是台车受力的结构部件,它们通过主轴连接,主、附架之间可以沿主轴线略微摆动。滑动关节组件内有自润滑关节轴承和滑动轴承,它在主轴上可横向滑移,与之相联的纵向调整油缸可以相对与主轴(台车)摆动一定的角度。纵向调整油缸直接与活动屋盖相连,活动屋盖的载荷通过纵向调整油缸作用在台车上,通过纵向调整油缸可以调节纵向高度和台车的纵向力。在横向调整装置上装有调整油缸和位移传感器,可以检测和调整台车滑动关节组件的横向偏移量。导向轮组件保证台车沿着轨道行走,它装有两个测力销,可以检测导向轮在运行过程中承受的侧向力。电控箱作为台车的智能控制单元,在运行过程中负责检测台车的各种参数传递给主控设备,并接受主控设备的指令实现对液压站、纵向调整油缸及横向调整装置的控制。液压站是整个的台车的液压动力单元,通过高压油管与纵向和横向调整油缸相连,液压站上的电磁阀组实现纵向调整油缸和横向调整油缸的动作控制。四个车轮组件安装在台车主架和附架上,是台车在轨道上行走的车轮。活动屋盖开行过程中,支承台车的轮压是不断变化的。少数台车由于其位置的特殊性,反力值随着活动屋盖位形改变而发生较大变化,局部结构构件内力亦随之而发生较大变化。3生产和安装3.1轨道梁安装精度控制活动屋盖的机械设备是在工厂精加工制造,钢结构的下料和相贯线切割以及空间曲线弯管加工都在工厂进行,由于体型巨大,钢结构的预拼装及焊接等只能在现场进行。机械传动系统中,曲线轨道梁的加工制造难度最大。轨道梁(图4)是支撑开启式屋盖的圆弧形箱体结构,直接承载台车,是活动屋盖与固定屋盖联系的重要枢纽,轨道梁的最终安装精度是台车能否顺利行走、活动屋盖能否顺利闭合的关键所在。因此制作时必须控制好各段轨道梁的外形尺寸精度、直线度、矢高等影响轨道梁制作及安装精度的各因素。轨道梁通过轨道梁支座与主桁架相连,两轨道梁在轨道梁支托处栓接,轨道梁以轨道梁支座处的自然分段为制作分段,见图5。鉴于轨道梁使用工况的特点和重要性,必须对其进行严格验收,为此特制定了验收标准,见表1。不论设备还是结构的制造,为了实现活动屋盖顺利开合,各部件的数据指标都应比常规要求更严格,唯一的办法就是在加工制造的各环节加强测量检验和质量控制。实际操作中,更应严格执行全过程质量控制原则,保证各环节的制造精度,为现场顺利安装打下良好的基础。3.2高空散工安装方案的确定由于活动屋盖通过台车连接固定屋盖,采用怎样的顺序安装活动屋盖及台车,如何消除活动屋盖安装对台车及屋盖开合的影响成为确定安装方案的关键。针对活动屋盖的布置条件及特点,初步设想两种方法安装活动屋盖,鉴于高空累积滑移法:1)不能消除屋盖安装过程中的自重变形对台车的影响;2)需要将原两条边拱轨道延长至活动屋盖边缘以下;3)需要在中间四道副拱间增设临时滑移轨道;4)活动屋盖网壳及封边桁架的整体性被破坏;5)由于施工中结构与设计完成状态结构不同,大大增加了施工中适应性变形的控制难度。最终确定采用高空散拼安装方案,其优点是:1)活动屋盖安装过程可消除自重变形对台车的影响;2)可多台吊机、多工作面施工,有利于缩短施工工期。缺点是支撑量较大,高空焊接量大。3.3轨道梁的安装控制轨道梁在结构中起到承上启下的作用,是钢结构与机械传动部分结合的载体,因此轨道梁的安装质量精度控制是工程的重中之重。工程中轨道梁为圆弧形箱体结构,分别安装在6条主拱上,拱架最大跨度为262m,最小跨度为191m,最大矢高55.4m。轨道梁制作的分段长度约6m,现场拼装成总长不等的整根轨道梁。由于机械系统对钢结构安装的精度要求远远大于国家规范的规定,为此需结合机械系统要求制定特殊的验收标准,编制详细的施工方案,采取有效措施控制轨道梁的安装质量。根据理想几何状态确定的结构位置采用多系统耦合模型进行的详细分析表明,在最外侧拱架处,活动屋盖、固定屋盖最大相对变形将达145mm,而这一相对变形中约60%(85mm)是在结构安装后由于结构自重引起的曲面结构变形所致,反观因温度变化引起的上下部结构相对变形数值较小。最终考虑采用合理施工顺序进行调整:固定屋盖安装后即行卸载,使其变形得以充分发展,在固定屋盖自重作用下的变形发展后安装轨道梁,并在活动屋盖拼装后再行轨道调直。而为适应轨道梁的安装过程中的位置调整需要,采取了两次安装的方法:首先用螺栓将轨道梁安装就位,相应的螺栓孔都设置为长条状,根据计算的偏差调整范围留足调整空隙,在释放结构变形和调准运行轨道后再进行轨道梁的安装定位,此后采用焊接连接予以固定。4设计、施工过程的协调南通市体育会展中心开闭式屋盖体育场已于2006年5月交付使用,建成后已顺利承担了江苏省第十六届省运会的开、闭幕式,并举办了多场大型文艺演出。新颖的活动屋盖大大提升了公共空间的使用功能和社会效益,发展前景广阔。南通市体育会展中心开闭式体育场的设计和施工实践表明,机械-结构综合技术并没有想象中的那么复杂和不可逾越,以我国工程人员的科研能力,结合全面细致的专业协调、方案设计以及完善的工程设计和施工工艺,完全有能力在这一领域打造属于自己的成果。整个设计和施工过程中,深切体会到:项目技术负责人需具有全面复合的专业知识和工程领域的权威性,并有能力协调各专业的配合工作;方案