文章编号:1000-6869(2005)04-0112-05
开合屋盖结构设计简介
关富玲1,程 媛1,余永辉1,吴开成2,沈佩蓓2
(1.浙江大学土木工程系空间结构研究中心,浙江杭州310027;2.浙江大学建筑结构设计研究院,浙江杭州310027)
摘要:开合屋盖结构在大型体育馆、多用途体育场都得到了广泛应用。开合屋盖结构由于其特有的多个状态,在很多方面不同于以往的常规屋盖结构。本文结合浙江省某网球中心比赛馆开合结构的设计实例,简要介绍了该工程的概况、背景及其结构形式,阐述了开合屋盖结构在结构方面需特别考虑的轨道系统选取的问题,叙述了该实例采用的索牵引系统的运作方式;说明了开合结构与普通结构在荷载取值和工况组合方面的区别;使用独立分析和协同分析两种结构方法计算分析结构,并且以三个方向的变形结果为依据,比较了两种方法,得出了独立分析比较可靠的结论。关键词:开合屋盖;大型屋盖结构设计;大型屋盖分析方法中图分类号:TU39313 文献标识码:A
Structuraldesignofretractableroofstructures
GUANFuling1,CHENGYuan1,YUYonghui1,WUKaicheng2,SHENPeibei2
(1.SpaceStructureResearchCenter,DepartmentofCivilEngineer,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.ArchitecturalDesignandResearchInstituteofZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)
Abstract:Retractableroofstructureshavebeenusedwidelyinbuildingengineering,especiallyinthefieldoflarge2sized
gymnasiumandmultipurposesportcenters.Structureswithretractableroofshavemanyworkconditionsandsotheyare
differentfromconventionalstructures.Thispaperconciselyintroducesthegeneralsituationandstructuralformofaretractable
roofstructurefortennisstadiuminZhejiangprovince,discussestherailproblemindesignofthestructure,introducesthe
pullingmethodanditsdifferentloadingcasesincomparisonwithconventionalstructures.Inthisproject,twokindsofstructural
analysismethods,theseparateanalysismethodandthecooperatinganalysismethod,havebeencomparedbasedontheresults
ofthedisplacementsinthreedirections.Theconclusionisthattheresultobtainedfromthesparatemethodissafer.
Keywords:retractableroofstructures;structuraldesignoflarge2sizedroof;analysismethodoflarge2sizedroof
作者简介:关富玲(1945- ),女,北京人,教授。收稿日期:2003年12月1 引言
开合屋盖结构以其独特的魅力,在发达国家,尤其
是在日本和美国得到了广泛的应用。而我国在开合屋
盖结构的研究方面还处于起步阶段,关于开合屋盖结
构研究的有参考价值的论文很少。尽管已经建成了简
单的、较小跨度的开合屋盖建筑,如跨度4115m钓鱼台
国宾馆网球馆、上海浦东某游泳池等,但到目前为止还
没有实现大型复杂开合屋盖结构零的突破。目前我国
许多地区都有建造大型开合屋盖结构的想法和需求,有的已经进行了建筑方案的准备工作,甚至到了扩初设计阶段。可以预见,在未来的几年,国内对开合屋盖结构的需求将更为强烈。开合屋盖结构因其独特的使用功能,使得其设计过程极为复杂,本文结合一个正在设计的开合屋盖结构,分析开合屋盖结构在结构设计方面需特别考虑的几个问题。
2 工程概况
该工程是浙江省某网球中心的比赛馆,结构布置如图1所示
,屋盖覆盖面积为39m半径的球冠形,周边
柱子布置在半径为3713m的圆形平面上,大拱桁架根据建筑要求和建筑红线的限制,采用了一端落地,另外
211第26卷第4期建 筑 结 构 学 报Vol.26,No.42005年8月JournalofBuildingStructuresAug12005
图1 开合屋盖结构布置图Fig11 Structuralplanofthetennisstadium
一端落在钢筋混凝土框架上,拱脚跨度为941
5m。可
动屋面布置在两个大拱桁架中央,完全打开的水平投
影面积为24m×35m(沿大拱方向),开启或闭合时间为
20min。根据建筑方案的要求,该工程采用了难度最高的
空间开合方式,轨道布置在两个大拱桁架顶部中央,两
块可动屋面沿大拱方向开合。
3 结构设计中需要特别考虑的几个问
题
与传统的屋盖形式相比,开合屋盖结构的设计更
为复杂,
除了要考虑结构因素外,还要考虑机械系统、
控制系统的影响。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其复杂性,导致各工种的
设计一定要并行进行,具体就是建筑方案、结构形式、
开合方式和机械牵引系统是相互影响,相互制衡的。
两者的设计流程示意见图2、3。
图2 传统屋盖结构设计流程图Fig12 Designprocessofconventionalstructures
图3 开合屋盖结构设计流程图Fig13 Designprocessofretractablestructures311 开合屋盖的设计准则虽然开合屋盖结构已经建成了两百多座,但总的
说来开合屋盖结构还是处在起步阶段,有不少已建工
程存在着这样或那样的问题,目前还没有任何关于这
种结构的国家或地方的设计规范。开合屋盖设计的依
据,结构方面主要是各国的建筑结构规范和表1所列
的设计建议;机械设计方面国外主要参考表2所列的
起重标准,我国有《起重机设计规范》(GB3811—83);此外还可参照已建工程[2]。
表1 开合屋盖结构的设计建议和指导方针Table1 SuggestionsandguidesforretractableroofstructuresIL25开合屋顶1972,轻型结构研究所(斯图加特大学)IL212开合充气结构1975,轻型结构研究所(斯图加特大学)空气支承结构设计建议IASS第7工作小组(马德里1985)开闭式屋盖结构设计指针1993,日本建筑协会开合膜结构设计指针1997,日本膜结构协会
表2 部分外国的起重标准Table2 CranestandardsofsomeforeigncountriesDIN15018Cranes2Steelstructures,VerificationandanalysesBS2573RulesforthedesignofcranesFEMFederationEuropeennedelaManutentionJIS8821Specificationsforthedesignofcranestructures
网球中心的设计主要采用了我国的建筑结构规
范,并参考日本建筑协会的《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《起重机设计规范》(GB3811—83)。
312 轨道系统的选取开合屋盖结构的开合方式有三大类,开合方式的
选取主要受建筑外形和使用功能的影响。对于最为复
杂的空间移动方式,比较成熟的是轮轨+牵引索这样
的行走系统。对于使用轮轨系统的开合屋盖结构,从
机械方面考虑轨道的优先级依次是:水平的直轨道、倾
斜的直轨道、曲线轨道、折线轨道。对于水平的直轨
道,在设计的时候可以直接套用桥式吊车的设计方法,安全、控制系统的设计也非常简单,这样的屋盖通常周
边有女儿墙围绕,所以屋面的风荷载也比较简单。对
于倾斜的直轨道,所需的牵引力比较大,以克服自重沿
轨道的分量,在坡度比较缓的时候,可以部分参照矿山
巷道运输系统的设计。对于曲线轨道这类空间移动方
式,牵引力要克服自重沿轨道的分量,而且存在的最大
问题就是在移动过程中,若保持恒定的移动速度不变
311的话,牵引力时刻要变化,因此在索端必须加上力传感
器,以监测索的牵引力,防止事故发生。折线轨道是曲
线轨道的一种延伸,因为轨道每一段都是直线段,牵引
力比较明确,但是轮子在通过转折点时会产生冲击荷
载,所以从机械方面考虑反而会更加难以处理。
根据建筑外形的要求,网球中心的开合系统采用
轨道系统,驱动方式采用电机牵引缆索的驱动方式,如
图4所示。轨道曲率半径为76m,每块可动屋面的单
边轨道上布置两个轮子,轨道布置在大拱桁架的中心。
牵引电机安装在大拱桁架内部,牵引索分别布置在大
拱桁架靠近上、下弦处,通过底部的导向轮实现转向。
检修便道也布置在大拱桁架内部,方便对驱动系统的
检查和维修。单边索需要的最小牵引力为140kN。若
可动屋面面积较小,在每边轨道上只需采用两个轮子
相连时,可以把轨道改进为抛物线轨道,使得在完全开
启状态下可动屋面自重产生的沿轨道分量小一点,以
减小所需的牵引力。
图4 开合机构系统示意图Fig14 Mechanismofthetennisstadium
313 荷载与状态相对常规屋盖只有一种状态而言,开合屋盖结构
一般有三种状态:完全闭合锁定状态、完全打开锁定状
态、运动状态。一些大型的开合屋盖结构还有第四种
状态:半打开的锁定状态。因为不同的状态对应于不
同的使用情况,所以开合屋盖结构的荷载考虑要点就
是:状态与荷载相对应。
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,为了开合的安全,可动屋面移动的时候风速不能太大,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:闭合状态取荷载规范规定的建筑场地的基本风压;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0114～0125kN/m2,对应于6～8级风;移动状态因为持续时间在20min以内,所以
用阵风风速为参考值,一般取阵风风速20m/s。另外,在不同的状态下,结构的体形系数也有不同,从网球中
心的风洞试验结果可以很明显地看出这个特点,风洞
试验结果表明在完全闭合锁定状态的风压值较大[1]。
基本风压值的选取与场馆的使用情况密切相关,使用时必须按照相应的可动屋面使用操作手册进行管
理才能保证安全,否则若台风到来时,屋面仍处在开启
状态,那么结构就非常的危险了。此外风速探测仪也
是不可缺少的,屋面的开合应该在风速探测仪的监测
下进行,探测到的风速值作为自动化控制的输入条件。
风荷载如何取值是开合屋盖结构设计的一个关
键,如果笼统地按建筑场地的最大风压基本值进行考
虑,既不经济,也不科学。考虑到国内对于场馆使用的
管理水平较低,网球中心开启状态的基本风压取
014kN/m2。虽然这是过于保守,但相对于国内的管理
水平而言,是有道理的,而且这个取值也不会和我国的
荷载规范中基本风压值不得小于013kN/m2的条文相
冲突。若能保证建成后场馆的使用严格按照操作手册
进行管理,开启状态的基本风压可以取得小一点。
开合屋盖结构有一个非常特殊的运动状态,这个
状态下对应的荷载要特别加以考虑。为保证开合的安
全,操作手册应规定在有屋面积雪的情况下不允许进
行开合操作,因此运动状态不用考虑雪荷载,同理,屋
面活荷载也不需要考虑。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上,开合屋盖可动
部分一般不安装照明、音响等设备,所以可以不考虑设
备荷载。但是因为屋面是移动的,所以要考虑伴随着
屋面运动产生的一系列的特殊荷载,这些特殊荷载会
根据开合屋盖类型的不同而有所不同,主要是水平荷
载。特殊荷载主要包括可动屋面的制动力和惯性力、
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在荷载作用下有可能不再严格平行,所以考虑了轮压的10%作为垂直于轨道的横向荷载。
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