中國首個(gè)大型開合屋蓋核心團(tuán)隊(duì)
開合屋蓋國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制單位
行業(yè)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)品牌
活動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
由于實(shí)際工程中存在軌道制作、安裝的誤差,加之活動(dòng)屋蓋在運(yùn)行時(shí)引起的變形、溫度變形、基礎(chǔ)不均勻沉降等因素,軌道的幾何位形不可避免地存在偏差。當(dāng)活動(dòng)屋蓋運(yùn)行時(shí),將造成各支點(diǎn)之間的不均勻變形。這些邊界條件的變化將對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生影響,且隨結(jié)構(gòu)形式、跨度、支座變形量的變化而有所不同。因此,在進(jìn)行屋蓋計(jì)算分析時(shí),應(yīng)考慮軌道不平整、驅(qū)動(dòng)裝置誤差對(duì)活動(dòng)屋蓋及下部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)與變形的影響,根據(jù)情況對(duì)臺(tái)車位置變形差異的影響,考慮相應(yīng)的邊界條件。
對(duì)于大型活動(dòng)屋蓋,運(yùn)行機(jī)構(gòu)數(shù)量較多,如果活動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)剛度較大,支座反力將有很大差異。因此,活動(dòng)屋蓋應(yīng)盡量采用對(duì)邊界條件不敏感的柔性結(jié)構(gòu)形式。活動(dòng)屋蓋的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)于主體結(jié)構(gòu)安裝偏差、極端氣象條件(如溫度、風(fēng)荷載、雪荷載)作用下結(jié)構(gòu)變形的充分適應(yīng)能力,確保在軌道不平整等情況下活動(dòng)屋蓋正常運(yùn)行。此外,活動(dòng)屋蓋質(zhì)量分布應(yīng)比較均勻,并能保證閉合后板塊之間接縫處的防雨構(gòu)造貼合緊密。
在進(jìn)行開合屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)符合安全可靠、適用耐久的原則,確保活動(dòng)屋蓋順暢運(yùn)行。不同于普通大跨度結(jié)構(gòu),活動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)選型應(yīng)遵循以下主要原則:一是活動(dòng)屋蓋的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)與屋蓋開啟方式緊密結(jié)合;二是結(jié)構(gòu)選型應(yīng)盡量與固定屋蓋的建筑風(fēng)格與結(jié)構(gòu)體系協(xié)調(diào)一致;三是嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)自重,減小屋蓋移動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的需求,優(yōu)先選擇重量輕的膜材或金屬屋面作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用折疊開啟方式的膜結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)選用可折疊的膜材;四是活動(dòng)屋蓋的整體剛度不應(yīng)過大,應(yīng)具有較大的變形適應(yīng)能力,屋面坡度應(yīng)有利于排水;五是活動(dòng)屋蓋支點(diǎn)的構(gòu)造便于與驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合。
國家體育場(chǎng)原活動(dòng)屋蓋分為南、北兩部分,兩部分之間以富有傳統(tǒng)特色的“陰陽”曲線形狀在中間相接。每片屋蓋跨度約75米,長(zhǎng)度約70米。從平面投影來看,活動(dòng)屋蓋主次構(gòu)件布置方式與固定屋蓋完全一致,使活動(dòng)屋蓋在全開狀態(tài)啟及全閉狀態(tài)時(shí),可與固定屋蓋完全吻合。
活動(dòng)屋蓋在固定屋蓋的頂面移動(dòng),它的底面與固定屋蓋結(jié)構(gòu)的上表面大約有1.8米的間隙。活動(dòng)屋蓋的上表面沿跨度方向剖面呈拋物線形,主桁架最大高度為8.5米,在兩側(cè)及后部下降至3米。
活動(dòng)屋蓋南、北部分均被分為5個(gè)板塊,各塊的結(jié)構(gòu)由主桁架與次桁架組成,主桁架構(gòu)件端部支承于兩端的臺(tái)車之上,次桁架用于保證主桁架的側(cè)向穩(wěn)定、形成屋蓋的外輪廓與懸挑結(jié)構(gòu)、支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu),并將荷載傳至主桁架。每個(gè)板塊均為三角形或具有三角形布置的主桁架。這種分離式的結(jié)構(gòu)形式具有以下優(yōu)點(diǎn):一是對(duì)于三角形板塊,每個(gè)板塊的三個(gè)角點(diǎn)總能與固定屋蓋保持接觸,對(duì)固定屋蓋的變形適應(yīng)性很強(qiáng),臺(tái)車荷載容易控制,這將使支撐有更大的適應(yīng)性。二是分塊式的屋蓋對(duì)溫度變形不敏感。三是屋蓋板塊可以在地面制作拼裝,整體吊裝,可以大大縮短現(xiàn)場(chǎng)的施工時(shí)間。
在兩個(gè)相鄰板塊的邊上,主桁架之間留有縫隙,空隙與弦桿寬度之和,與固定屋蓋構(gòu)件總寬度非常接近。
開合屋蓋沿著固定屋蓋之上的曲線軌道運(yùn)行,最內(nèi)側(cè)的板塊在全閉狀態(tài)重心位置與水平面的夾角為0.23度,在全開狀態(tài)重心位置與水平面的夾角為4.77度;最外側(cè)的板塊在全閉狀態(tài)重心位置與水平面的夾角為3.48度,在全開狀態(tài)重心位置與水平面的夾角為8.02度。活動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)總用鋼量約為1500噸。
鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)開合屋蓋由兩個(gè)單元塊組成,在中間直線相交,閉合時(shí)可與固定屋蓋完全吻合。活動(dòng)屋蓋最大可開啟面積(水平投影)長(zhǎng)113.524米,寬88.758米,全閉狀態(tài)時(shí)重心處的圓弧角為5.88度,全開狀態(tài)重心處的圓弧角15.11度,活動(dòng)屋蓋最大爬坡角度9.41度,單片活動(dòng)屋蓋自重(含膜結(jié)構(gòu))約為500噸。
該工程活動(dòng)屋蓋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本方式是活動(dòng)屋蓋沿著圓弧形軌道從兩側(cè)向屋蓋中心移動(dòng)閉合或反向移動(dòng)開啟。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到保證結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性等目標(biāo)。采用鋼纜繩牽引的驅(qū)動(dòng)方式,通過卷揚(yáng)機(jī)、鋼纜繩牽引活動(dòng)屋蓋。每片活動(dòng)屋蓋兩邊各有7個(gè)臺(tái)車。活動(dòng)屋蓋通過臺(tái)車、軌道等部件將活動(dòng)屋蓋的荷載傳至固定屋蓋。
每片活動(dòng)屋蓋沿跨度方向共設(shè)置4道主桁架,主桁架跨度為83.758米,主桁架最大高度約6米,最小高度為2.5米,寬度為4.5米,平面位置與固定屋蓋完全對(duì)應(yīng)。沿活動(dòng)屋蓋縱向布置兩道桁架,增強(qiáng)主桁架的側(cè)向穩(wěn)定性,并為尾部的弧形造型提供支撐。
邊桁架作為主桁架的支承結(jié)構(gòu),每片活動(dòng)屋蓋兩側(cè)各有7個(gè)臺(tái)車安裝于邊桁架下方,支承整個(gè)活動(dòng)屋蓋。邊桁架在臺(tái)車之間保持直線狀態(tài),傳力直接。牽引鋼索通過邊桁架下弦前部的均衡梁,將驅(qū)動(dòng)拉力傳遞給活動(dòng)屋蓋。屋面采用交叉檁條體系,作為活動(dòng)屋蓋水平支承與膜結(jié)構(gòu)的支撐桿件。活動(dòng)屋蓋屋面采用PTFE膜結(jié)構(gòu),可有效適應(yīng)活動(dòng)屋蓋的變形,防水性能優(yōu)越。
國家網(wǎng)球中心新館
在國家網(wǎng)球中心新館開合屋蓋設(shè)計(jì)過程中,先后采用了折疊移動(dòng)式與平行移動(dòng)式兩種方案。
①折疊移動(dòng)式方案,沿跨度方向共設(shè)置10榀三角形空間桁架,桁架跨度為72米,兩側(cè)臺(tái)車的位置相對(duì)應(yīng)。活動(dòng)屋蓋采用上弦支承形式,在縱向布置可滑動(dòng)式剛性系桿,增強(qiáng)桁架的側(cè)向穩(wěn)定性。屋面采用PTFE膜結(jié)構(gòu),材料強(qiáng)度高,透光性好,可折疊性能好。膜結(jié)構(gòu)在活動(dòng)屋蓋開合過程中,始終處于張緊狀態(tài)。活動(dòng)屋蓋為雙向?qū)﹂_式,在中間對(duì)接處采用密閉防水構(gòu)造措施,采取防風(fēng)、沙塵、雨雪措施,實(shí)現(xiàn)活動(dòng)屋蓋關(guān)閉后的舒適室內(nèi)環(huán)境。
②平行移動(dòng)式方案,活動(dòng)屋蓋采用雙層弓式結(jié)構(gòu),通過滑移軌道放置于固定屋蓋中弦層之上。活動(dòng)屋蓋由四個(gè)單元構(gòu)成,上層兩個(gè)單元寬度為16米,跨度為74.6米,下層兩個(gè)單元寬度為16米,跨度為71米。
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