开合拱形屋顶设计技术难点与对策

开合拱形屋顶设计技术难点与对策

1.金属波纹拱形屋盖结构形式的选择选择合理的开合屋盖结构形式是开合屋盖设计的基础，也是保证开合屋盖达到安全使用、经济、合理的重要基础。开合屋盖结构形式的选择需要面临以下几个重要的技术难点：

1)屋盖结构跨度大，由于屋盖中包含开启部分，因此屋盖结构的设计跨度要远远大于正常的屋盖结构；

2)结构设计时需要考虑屋盖在开启和封闭时不同的受力作用，考虑在分全开、全闭和开关途中状态几种不同工况下，各种力的综合作用；

3)结构设计时需要考虑屋盖移动过程中所产生的移动荷载；

4)结构设计时要对开启部分的屋盖动态位移进行控制。南通体育场的开启式屋盖钢结构主体部分由主拱桁架、副拱桁架和斜拱组成。其中主拱桁架最大跨度262m，矢高 55.4m。

    整个拱形屋顶钢结构用量1.1万t，其中，活动屋盖每片约1130t。活动屋盖靠其设在下面的每边22台，共44台台车，及设置在两侧地下室机房内的 8 台卷扬机牵引在六根主拱架上的轨道上运行。南通体育场是世界上首次将机电液压技术、移动台车多点支撑用于巨型钢材活动结构；是我国有史以来活动屋盖规模最大、设计功能最全、建设标准最高、难度最大的现代化体育会展设施。屋盖完整开闭需移动距离近120m，移动时间大约 25min 左右。采用了先进的机电液压计算机控制技术，防止屋盖在运行时对电网冲击，大大提高了屋盖运行的安全性；加之44台液压装置的台车的精确调整，精确控制屋盖动态位移，解决了目前一些国家难以解决的球面屋顶带来多点驱动超静、因钢结构挠曲变形所引起的活动屋盖与固定屋盖难以吻合适配等难题(图５)。

2.拱形屋顶开启方式的选择开合屋盖体育建筑特殊的开闭方式直接决定了建筑功能的实现、建筑室内外的效果，而开闭方式的选择和实现突出体现了建筑、结构、机械、控制等诸多方面的综合性技术，非常强调各方面技术的综合应用、相辅相成。对于开合屋盖结构建筑而言，屋盖系统的开闭方式是最重要的内容，根据开闭机理的不同，屋盖体系的开闭移动方式可以分为6种(表2)：水平移动式、水平旋转移动式、空间移动式、绕枢轴转动式、折叠移动式、组合移动式。空间移动型是近年流行的开闭屋盖形式，早期由于这种开闭方式屋盖开启率低，屋盖运行轨道和驱动行走机构也较为复杂，增加了运行故障的发生率，因此这种开闭方式采用不多。

    近年来流行一个很重要原因是根据使用功能选择合理的开启率，并根据屋面形式确定较简单的行走轨迹，这些措施可以解决采用这种开闭方式所带来的一系列问题。空间移动型开闭屋盖一般采用局部块状划分方法区确定移动屋盖单元，移动屋盖单元沿着平行的空间轨道运行，移动屋盖一般只由向相反方向移动的两块屋盖组成，平面一般有两个以上垂直方向的对称轴，移动屋盖沿着其中一个对称轴移动。这种开闭方式适用于棒球、垒球、篮球、游泳、田径等项目。利用日本小松穹顶、日本大分县穹顶、荷兰阿姆斯特丹体育场开闭屋盖都是采用这种移动方式。南通市体育场屋盖开闭方式也为空间移动方式，东、西两片可动屋盖沿空间轨迹移动，达到屋面开闭的目的(图6-9)。

    拱形屋顶分为可动结构单元和固定不动结构单元。在开启空间内保留部分不影响功能的支承结构，体现了开闭方式与经济技术的平衡。体育场整体移动屋盖为一个单层网格屋面，移动屋盖与固定屋盖共用拱形支撑结构体系。整体支撑结构由6道主拱和5道次拱组成，并在开启口边缘设置空间椭圆形桁架梁，在基础部分设置抗拉环，这种开闭结构体系优点是由于移动屋盖沿6条主拱移动，在主拱上按一定间距布置固定式滚动台车，因而移动屋盖可以适应开闭过程中的各拱架间的较小位移差，且使滚动台车受力均匀合理，同时在固定屋盖侧向支撑下以落地拱形支承结构，保证位移不敏感，但结构受力非常合理，缺点是开启空间内留有结构物在场地上产生的阴影，可能会在一定程度上影响比赛效果。

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