分開屋蓋結(jié)構(gòu)開合屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

分開屋蓋結(jié)構(gòu)開合屋蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

0開口屋蓋結(jié)構(gòu)的提出實(shí)體蓋結(jié)構(gòu)的定義是：“實(shí)體蓋結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)，可能會在短時間內(nèi)移動和關(guān)閉一些或所有的屋頂。建筑物可以移動到可以關(guān)閉的屋頂?shù)膬蓚€狀態(tài)中。”。即一個完整的屋蓋結(jié)構(gòu)按一定的規(guī)律劃分成幾個可動和固定單元,采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械技術(shù),使可動單元按照預(yù)期的軌跡移動或轉(zhuǎn)動,使各單元之間搭接、迭放來實(shí)現(xiàn)屋蓋的開合。開合屋蓋結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與人類體育事業(yè)的發(fā)展密切相關(guān),隨著物質(zhì)文化生活水平發(fā)展和提高,市民對體育娛樂活動運(yùn)動參與意識的提高,人們要求體育場館功能日益完美,人們既希望能在大自然的美好懷抱中觀看或參與各種體育、娛樂活動,也希望當(dāng)遇到惡劣的自然環(huán)境時能在封閉的場館中如期舉行各項(xiàng)活動。而與常規(guī)體育場館相比,開合式屋蓋結(jié)構(gòu)能滿足人們這兩種美好愿望,因此建造帶有開合屋蓋的大型體育建筑越來越成為一個重要發(fā)展趨勢。我國著名建筑大師馬國馨院士更把開合屋蓋建筑稱之為“第三代體育建筑”。1家庭蓋結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀(1)家庭及部隊(duì)使用的修理站在家庭或部隊(duì)使用的所有地面采空單該時期主要以小型結(jié)構(gòu)為主,并且主要用在非建筑領(lǐng)域,如家庭或部隊(duì)使用的各種帳篷、雨傘、照相機(jī)快門、天文觀測站可動屋面等。這些簡單開合結(jié)構(gòu)對近現(xiàn)代的大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展具有很好的啟發(fā)作用。(2)加拿大嚴(yán)格奧運(yùn)高爾夫球場1954年,在德國由FreiOtto領(lǐng)導(dǎo)的一個工作小組,開創(chuàng)性地研究和發(fā)展了開合膜結(jié)構(gòu),利用膜材料的可折疊性達(dá)到開合屋面的目的,在歐洲利用這種技術(shù)建成了許多這種類型的建筑物。在1976年,這種技術(shù)被應(yīng)用在加拿大蒙特利爾奧運(yùn)會體育場中,如圖1所示。該體育場中央開口直徑為120m,面積為18000m2,呈橢圓形。通過懸臂斜柱上懸掛的斜拉索將膜屋面折疊收縮于柱頂,屋面材料為PVC膜材,但開合機(jī)構(gòu)復(fù)雜,是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行開合任務(wù)的。它是屋面采用柔性膜材料以折疊方式進(jìn)行開合的規(guī)模最大的建筑。該開合屋蓋結(jié)構(gòu)把折疊膜開合方式的應(yīng)用推到了頂峰。20世紀(jì)50～80年代的開合屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)展,以膜折疊型式的開合方式為主。但是,這種以膜材料折疊形式的開合屋蓋結(jié)構(gòu)存在著一定的內(nèi)在缺陷,在使用中會出現(xiàn)開合運(yùn)行故障或膜材料被撕裂。所以其進(jìn)一步的發(fā)展受到了制約,目前只在小跨度建筑上采用。(3)現(xiàn)代愈合屋蓋結(jié)構(gòu)1961年美國建成的用現(xiàn)代牽引技術(shù)驅(qū)動的匹茲堡市民體育場,如圖2所示,該結(jié)構(gòu)屬于剛性開合屋蓋結(jié)構(gòu),其跨度為127m,至今仍具有開拓性意義。20世紀(jì)80年代以后的大部分開合屋蓋結(jié)構(gòu)的開合思想,來源于此。之后,世界上建造了上百個帶有剛性可動單元的開合屋蓋建筑,都屬于現(xiàn)代開合屋蓋結(jié)構(gòu)。如1989年加拿大多倫多建成了直徑208m的天空穹頂,如圖3所示;1993年5月建成了跨度110m的海洋穹頂;2001年建成的日本大分縣體育館等?，F(xiàn)代開合屋蓋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是,均采用了拱架、拱形網(wǎng)殼、部分球殼或平板網(wǎng)架等剛性鋼結(jié)構(gòu)作為移動屋蓋單元的受力結(jié)構(gòu),其屋面材料為膜材料、金屬板及其它輕質(zhì)材料。屋蓋系統(tǒng)分成若干個單元片,通過單元片的移動、轉(zhuǎn)動,使之各片之間的相互剛體運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)屋蓋的開合。(4)大型復(fù)雜復(fù)合屋頂結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用實(shí)例我國在開合屋蓋結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用方面還遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家,剛剛開始起步。目前,我國已建成幾座簡單的、較小跨度的開合屋蓋建筑運(yùn)行良好,如釣魚臺國賓館網(wǎng)球館采用“弓式預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)”,活動拱架跨度為41.5m;上海浦東某游泳池;2005年8月竣工的浙江省黃龍體育中心開合網(wǎng)球館,可動屋面布置在兩個主拱桁架中央,完全打開的水平投影面積為21m×35m(沿主拱方向)等,如圖4所示。大型復(fù)雜開合屋蓋結(jié)構(gòu)的建設(shè)也有突破性進(jìn)展,如已建成的上海旗忠森林網(wǎng)球中心;2006年3月竣工的江蘇南通體育場建筑面積4.8萬m2,擁有巨型開閉頂,活動屋蓋投影長度201.92m,如圖5所示。開合屋蓋結(jié)構(gòu)在我國的需求增長很快,有很多地區(qū)有建造大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)的想法。世界各國已建成的各種開合屋蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了良好的社會經(jīng)濟(jì)效果,并且大跨度開合屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展和完善,建造開合屋蓋結(jié)構(gòu)的前景將越來越好。然而,已建成的開合結(jié)構(gòu)也存在著這樣或那樣的問題,總的來說,開合屋蓋建筑技術(shù)的發(fā)展還處于起步階段,開合屋蓋結(jié)構(gòu)的理論和試驗(yàn)研究滯后于工程實(shí)踐,僅日本對現(xiàn)代開合屋蓋結(jié)構(gòu)提出了設(shè)計(jì)施工指針。本文以下內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)有研究文獻(xiàn),對現(xiàn)代剛性開合屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行簡單地歸納介紹。2開口房屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)(1)確定結(jié)構(gòu)形式傳統(tǒng)的屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,首先確定建筑方案,由此布置設(shè)備,最終根據(jù)建筑方案和設(shè)備布置來確定結(jié)構(gòu)形式,各工種設(shè)計(jì)基本是串行式的。由于開合屋蓋結(jié)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)行控制系統(tǒng)較為復(fù)雜,機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布置和建筑設(shè)計(jì)相互影響制約,導(dǎo)致各工種設(shè)計(jì)必須緊密配合,一并進(jìn)行,因而開合屋蓋結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多,基本設(shè)計(jì)流程如圖6所示。(2)屋頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)雖然開合屋蓋結(jié)構(gòu)已經(jīng)建成了兩百多座,但總的說來開合屋蓋結(jié)構(gòu)還是處在起步階段,目前還沒有任何關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的國家或地方的設(shè)計(jì)規(guī)范?，F(xiàn)在開合屋蓋設(shè)計(jì)的依據(jù),結(jié)構(gòu)方面主要采用各國的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范和日本等國的一些設(shè)計(jì)建議;機(jī)械設(shè)計(jì)方面國外主要參考各自的起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn),我國主要參考文獻(xiàn);此外還可參照已建工程。(3)屋頂開閉系統(tǒng)以保證荷載的質(zhì)量。在正常工況下,應(yīng)先對最高所謂開合屋蓋結(jié)構(gòu)的開合條件,是指確定在什么條件下才可以進(jìn)行開合移動(如風(fēng)荷載限值、雪荷載限值等)、開合運(yùn)行的具體條件(如啟動、運(yùn)行速度和剎車的加速度、開閉運(yùn)行時間等)、正常條件下屋蓋的?？课恢靡约疤厥鈼l件下屋蓋的停靠位置等。屋蓋的開合條件直接影響整個結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)以及相應(yīng)工作狀態(tài)下荷載的取值。因此,在設(shè)計(jì)階段的前期必須首先確定屋蓋的開合條件,然后再對開合條件下各種可能的工作狀態(tài)下的荷載情況作出正確的評定,進(jìn)而,對屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析、荷載工況組合、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。屋蓋的開合條件必須明確寫進(jìn)可動屋面使用操作手冊,并嚴(yán)格按照操作手冊進(jìn)行管理。(4)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)屋蓋體系的開合方式有水平移動、水平旋轉(zhuǎn)、空間移動、繞樞軸轉(zhuǎn)動、折疊方式及組合方式。任何開合方式的實(shí)現(xiàn)都需要采用一定機(jī)械運(yùn)行系統(tǒng),機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒有的,所以機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于結(jié)構(gòu)工程師來說是陌生的;而機(jī)械系統(tǒng)與建筑結(jié)合之后,對于機(jī)械工程師而言也是陌生的。因此,機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是開合屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時結(jié)構(gòu)工程師與機(jī)械工程師必須相互溝通,以避免設(shè)計(jì)矛盾的發(fā)生。(5)研發(fā)階段開放系統(tǒng)的狀態(tài)常規(guī)屋蓋只有一種工作狀態(tài),而開合屋蓋結(jié)構(gòu)一般有3種工作狀態(tài):完全閉合鎖定狀態(tài)、完全打開鎖定狀態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)。一些大型的開合屋蓋結(jié)構(gòu)還有第4種工作狀態(tài):即半打開的鎖定狀態(tài)。開合屋蓋結(jié)構(gòu)不光要承受常規(guī)屋蓋結(jié)構(gòu)要承受的各種常規(guī)作用:如恒荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、使用荷載、地震作用及溫度作用等,還要承受自己特殊的荷載:如啟動和剎車的慣性力和制動力、因軌道接頭或軌道不平產(chǎn)生的力、因輪軌間距離偏差及開合角度不準(zhǔn)確產(chǎn)生的軌道側(cè)向力等。在不同的工作狀態(tài)下使用情況各不相同,荷載工況也不相同,甚至常規(guī)荷載的取值也不一樣,因而開合屋蓋結(jié)構(gòu)荷載取值的最大特點(diǎn)就是:工作狀態(tài)與荷載取值相對應(yīng)。(6)單獨(dú)分析分析方法可動屋蓋和下部結(jié)構(gòu)是兩個相對獨(dú)立的部分,是通過鎖定點(diǎn)耦合聯(lián)系在一起的。對整個結(jié)構(gòu)在受載階段的分析存在如何考慮兩者相互耦合的問題。通常有整體分析法和單獨(dú)分析法兩種。整體分析法是指在鎖定位置通過鎖定點(diǎn)耦合活動屋蓋與下部結(jié)構(gòu)的三個線位移進(jìn)行協(xié)同受力變形分析。這種方法從整體上看更合理,結(jié)果也可以接受。但此種分析方法相對復(fù)雜,并且當(dāng)鎖定點(diǎn)較弱時得出的結(jié)果是偏不安全的,而且對于鎖定點(diǎn)局部分析時,由于該方法忽略了機(jī)械結(jié)構(gòu)的相對變形,計(jì)算所得的節(jié)點(diǎn)約束力偏大。單獨(dú)分析法則是先把可動屋蓋在鎖定點(diǎn)處固定進(jìn)行受力分析,得到的支座反力以集中荷載的形式施加到下部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行進(jìn)一步的受力分析。該分析方法概念明確,分析簡單,而且在下部結(jié)構(gòu)剛度較大時,采用該方法是偏安全的。在設(shè)計(jì)時,可同時采用這兩種方法進(jìn)行比較分析,以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠。3開屋蓋結(jié)構(gòu)的前景展望雖然大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)50年代才開始應(yīng)用和發(fā)展的,屬于一種新興的結(jié)構(gòu)形式,但是由于其使體育場具有了全天候復(fù)合型的使用功