鋼屋蓋開頂結(jié)構(gòu)機械結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)的探索與實踐

鋼屋蓋開頂結(jié)構(gòu)機械結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)的探索與實踐

0加強內(nèi)部矛盾分析方法,提高產(chǎn)品的可靠性和安全性打開和關(guān)閉房屋的屋頂結(jié)構(gòu)。因為屋頂可以移動，所以有很多技術(shù)問題。要確保開合屋蓋結(jié)構(gòu)具有同常規(guī)結(jié)構(gòu)有同等的安全性、可靠性,這必須以結(jié)構(gòu)體系、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)各自的安全與可靠為前提。合理地進行屋蓋開合全過程的各位形受力分析是開合屋蓋結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的大難題。從己建成的開合屋蓋結(jié)構(gòu)來看,機械系統(tǒng)可動部件常有故障發(fā)生,因此,要求開合屋蓋結(jié)構(gòu)機械系統(tǒng)的構(gòu)造應(yīng)盡可能簡單,這樣既可提高機械系統(tǒng)的可靠性,又便于故障后維修。在施工方面,大型開合屋蓋結(jié)構(gòu)對施工技術(shù)、測量技術(shù)、檢測技術(shù)提出更高的要求。對于使用最廣泛的輪軌系統(tǒng)開合屋蓋結(jié)構(gòu),支承結(jié)構(gòu)的安裝精度對屋頂?shù)倪\行性能有直接的影響。運行軌道的不平整將會引起行走臺車蛇行運動而使屋蓋左右搖晃、上下振動,甚至因行走臺車車輪反力不均勻而引起車輪空轉(zhuǎn)、脫軌等事故,也有可能出現(xiàn)主動臺車動力不足、從動臺車受力不均勻、構(gòu)件疲勞破壞等一系列問題。開合屋蓋結(jié)構(gòu)由于其復(fù)雜性,導(dǎo)致各工種的設(shè)計一定要并行進行,建筑方案、結(jié)構(gòu)形式、機械牽引和控制系統(tǒng)、施工方案之間是相互影響、相互制衡的。1活動屋蓋體系南通市體育會展中心體育場(圖1)屋蓋幾何形狀為球冠,分為固定屋蓋部分和活動屋蓋部分。固定屋蓋采用拱支單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),拱架系統(tǒng)由六道主拱、五道副拱和兩道斜拱組成?；顒游萆w有兩片,平面形狀呈半橢圓形,采用周邊加強的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),單片重量達1050t。兩片活動屋蓋分別由22臺臺車支承在固定屋蓋的主拱上,臺車上端連接在活動屋蓋的網(wǎng)殼節(jié)點上,下端支承在固定屋蓋主拱的軌道梁上。工程中活動屋蓋采用卷揚機驅(qū)動(圖2)?；顒游萆w對應(yīng)固定屋蓋主拱架的位置設(shè)置了6道臺車帶,其中內(nèi)側(cè)4道主拱為主動驅(qū)動,在活動屋蓋的對應(yīng)位置上設(shè)置鋼絲繩,鋼索通過卷揚機收緊,則活動屋蓋上行,屋蓋閉合;鋼索放松則下行,屋蓋開啟?？客膺吥媳眱啥说闹鞴凹苌闲旭倧膭优_車,不設(shè)牽引鋼絲繩。所設(shè)定的開啟或閉合全程分別需20min。工程的屋蓋系統(tǒng),總面積和開口面積分別為40470m2和17807m2,開口面積占總面積的44%,開口面積和開口率(開口面積與總面積的比值)迄今為國內(nèi)最大,在全球范圍內(nèi)看也屬于超大型開合屋蓋體系。屋蓋的開口越大,對設(shè)計、施工和開閉運行的要求就越高?；顒游萆w的開閉運動在球狀曲面上進行,即活動屋蓋是在空間曲面上移動,既與平面移動方式不同,也與沿單曲率表面(如柱面)移動的活動屋蓋不同。運行過程中,伴隨著各臺車帶不等線速度、不等側(cè)向位移等問題?；顒游萆w特殊的運動方式要求結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和機械系統(tǒng)在設(shè)計、安裝、調(diào)試各階段根據(jù)實際情況不斷的修正和改進。工程設(shè)計和施工的主要有以下問題和難點。(1)實現(xiàn)機械-結(jié)構(gòu)的綜合技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,達到結(jié)構(gòu)體系成為機械設(shè)備的可靠保證,機械設(shè)備成為結(jié)構(gòu)體系的一部分,使結(jié)構(gòu)體系在受力、變形上滿足機械設(shè)備的要求,兩者高度協(xié)調(diào)。(2)屋蓋體系中固定屋蓋既是屋蓋系統(tǒng)一部分,又是活動屋蓋的支承結(jié)構(gòu),機械系統(tǒng)平穩(wěn)運行的關(guān)鍵取決于固定屋蓋主拱架的變形情況。如何消化、吸收固定屋蓋的自重變形,解決活動屋蓋-固定屋蓋的變形協(xié)調(diào)問題,是確保傳動機械設(shè)備-臺車穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。(3)由于機械系統(tǒng)對支承結(jié)構(gòu)變形的敏感性,設(shè)計階段需對活動屋蓋運行全過程進行數(shù)值模擬。根據(jù)分析結(jié)果制定機械設(shè)備的技術(shù)參數(shù),如何精確模擬屋蓋開啟全過程,如何對附屬于結(jié)構(gòu)上的機械設(shè)備(牽引機制、傳動機制、制動機制等)進行數(shù)值簡化,如何根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果制定合理的機械技術(shù)參數(shù)等問題貫穿整個設(shè)計調(diào)試階段。(4)機械設(shè)備的布置與安裝,與固定屋蓋和下部運行軌道的連接方式,驅(qū)動設(shè)備的傳動方式及其結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)構(gòu)件的設(shè)置方式,運行軌道的支撐結(jié)構(gòu)形式,結(jié)構(gòu)變形和制造精度對機械傳動的影響分析及修正模式,兩片屋蓋的自控同步精度控制等機械設(shè)計問題。(5)大型空間結(jié)構(gòu)體系施工中的難題,如大直徑鋼管精確彎制、大型鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場預(yù)拼裝及吊裝方案的確定,屋蓋體系支承方案及合理的卸載方案設(shè)計等。以及由于屋蓋開閉體系的特殊性帶來的活動屋蓋拼裝技術(shù)的專項研究、高精度曲線軌道的制造和安裝等一系列其他問題。(6)密封、排水系統(tǒng),活動屋蓋的速度、加速度模式,活動屋蓋開、閉位形的固定措施等其他綜合問題。2研究和設(shè)計2.1結(jié)構(gòu)體系分析在車改工程中的應(yīng)用進展面對困難和挑戰(zhàn),為保證工程順利展開,進行了一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計分析和試驗研究工作:進行了屋蓋不同位形(全開啟、開啟不同角度、全閉合)、不同風(fēng)向荷載作用下的風(fēng)洞試驗研究;針對多管相貫節(jié)點的搭接、內(nèi)加勁措施等進行了分析和必要的試驗研究;展開了對活動屋蓋、固定屋蓋的剛度匹配問題的專項研究。上述設(shè)計分析解決了以下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)技術(shù)問題。(1)分析制定了設(shè)計控制基本原則:1)根據(jù)功能要求確定以屋蓋開啟狀態(tài)為主要狀態(tài);2)確定了開閉運行的限制條件(風(fēng)力不超過8級、無積雪、無地震);3)提出了結(jié)構(gòu)需考慮極限狀況分析的概念。(2)建立了集成鋼筋混凝土環(huán)梁基礎(chǔ)-固定屋蓋-臺車-活動屋蓋為一體的復(fù)雜系統(tǒng)力學(xué)模型,以及包含其中的臺車設(shè)備抽象模型。依托該模型,提供了結(jié)構(gòu)變形的準(zhǔn)確范圍,對制作、安裝、臺車系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)確定起了決定性作用。提供了超大型空間結(jié)構(gòu)考慮地基-結(jié)構(gòu)-可動設(shè)備一體化分析的成功實例。(3)對支承和運行于有限剛度曲面上的超靜定開閉頂結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性地提出了剛度適配的概念和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,確定了超大型開閉頂建筑的概念性結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的合理指導(dǎo)方針,有效降低了運行風(fēng)險和經(jīng)濟成本。(4)提出分解變形成分、分類吸收處理的設(shè)計原則。將結(jié)構(gòu)變形區(qū)分為自重變形、運動變形和環(huán)境因素變形,通過可調(diào)構(gòu)造、安裝順序等措施釋放自重變形中的主要成分,使臺車運行-控制設(shè)計集中于適應(yīng)運動變形和環(huán)境因素變形,為簡化機械-控制系統(tǒng)提供條件。(5)確定了關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)節(jié)點技術(shù),如用于單層網(wǎng)架鋼管結(jié)構(gòu)的環(huán)肋形鑄鋼,基于試驗數(shù)據(jù),在大型管結(jié)構(gòu)施工中第一次明確制定和實施了搭接相貫節(jié)點隱蔽部位焊接的技術(shù)要求,高精度與安裝可調(diào)式軌道梁的構(gòu)造技術(shù)等。(6)針對開閉頂建筑的使用、受力、極限狀態(tài)等條件,提出了牽引式開閉頂結(jié)構(gòu)偶然狀態(tài)下極限分析方法的原則。對現(xiàn)行規(guī)范不能按統(tǒng)計方法提出設(shè)計要求的特殊工況進行了設(shè)定,采用非線性靜力-動力方法對以下方面進行了分析:1)局部牽引鋼絲破斷及動力過程;2)活動屋蓋控制失效下的非對稱運行;3)失速下滑的動力過程;4)活動屋蓋居于拱頂?shù)凹軅?cè)向約束的小概率事件等條件下的結(jié)構(gòu)安全性。2.2活動屋蓋承接板的組成機械系統(tǒng)是實現(xiàn)活動屋蓋順利開閉的關(guān)鍵,也是結(jié)構(gòu)體系、制作安裝工藝應(yīng)全力配合滿足的中心環(huán)節(jié)。機械設(shè)計上,充分考慮大型結(jié)構(gòu)變形影響,運用三維數(shù)值模擬技術(shù)進行空間建模和設(shè)計,及時將結(jié)構(gòu)因素、制作安裝因素等與機械設(shè)計相結(jié)合,集成過程中引出許多結(jié)構(gòu)、制作單方面未能全面考慮的問題,再將疑問反饋給各專業(yè),便于各專業(yè)及時修改設(shè)計。在各專業(yè)的協(xié)同設(shè)計過程中,機械系統(tǒng)設(shè)計向總體工藝設(shè)計提供技術(shù)邊界條件,在開閉式屋蓋體系的綜合技術(shù)設(shè)計中起到重要作用。工程機械系統(tǒng)設(shè)計中首次將液壓伺服傳動系統(tǒng)運用于在大型體育場開合屋蓋整體支撐和自反饋調(diào)整系統(tǒng)。運用了行走臺車安裝橫向和縱向液壓調(diào)整油缸的糾偏技術(shù),使屋蓋支撐及行走臺車在主觀控制系統(tǒng)的主導(dǎo)下實現(xiàn)力和位移的自適應(yīng)功能。適應(yīng)性調(diào)整共有五項可調(diào)部位:主動調(diào)整兩項,為臺車的豎向液壓油缸調(diào)整與橫向液壓油缸調(diào)整;被動調(diào)整三項,為軌道梁支座、軌道梁、主頂油缸法蘭盤。靈巧的設(shè)計構(gòu)造滿足了適應(yīng)性多方位調(diào)整的需要。南通體育場活動屋蓋順利開閉的保障來源于控制的適應(yīng)性能實時地彌補鋼結(jié)構(gòu)的施工誤差,保證機械系統(tǒng)的運行條件。適配性控制的實施策略能保證結(jié)構(gòu)與機械部件的內(nèi)力不超限,變形能力相匹配,尋求技術(shù)性能與經(jīng)濟指標(biāo)平衡點指標(biāo)。機械系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件——活動屋蓋支承臺車(圖3)主要由橫向調(diào)整裝置(油缸)、臺車主架、主軸、滑動關(guān)節(jié)組件、縱向調(diào)整油缸、臺車附架、車輪組件、電控箱、導(dǎo)向輪組件、液壓站、反鉤(輪)組件等部分組成。臺車主架和附架是臺車受力的結(jié)構(gòu)部件,它們通過主軸連接,主、附架之間可以沿主軸線略微擺動?；瑒雨P(guān)節(jié)組件內(nèi)有自潤滑關(guān)節(jié)軸承和滑動軸承,它在主軸上可橫向滑移,與之相聯(lián)的縱向調(diào)整油缸可以相對與主軸(臺車)擺動一定的角度?？v向調(diào)整油缸直接與活動屋蓋相連,活動屋蓋的載荷通過縱向調(diào)整油缸作用在臺車上,通過縱向調(diào)整油缸可以調(diào)節(jié)縱向高度和臺車的縱向力。在橫向調(diào)整裝置上裝有調(diào)整油缸和位移傳感器,可以檢測和調(diào)整臺車滑動關(guān)節(jié)組件的橫向偏移量。導(dǎo)向輪組件保證臺車沿著軌道行走,它裝有兩個測力銷,可以檢測導(dǎo)向輪在運行過程中承受的側(cè)向力。電控箱作為臺車的智能控制單元,在運行過程中負(fù)責(zé)檢測臺車的各種參數(shù)傳遞給主控設(shè)備,并接受主控設(shè)備的指令實現(xiàn)對液壓站、縱向調(diào)整油缸及橫向調(diào)整裝置的控制。液壓站是整個的臺車的液壓動力單元,通過高壓油管與縱向和橫向調(diào)整油缸相連,液壓站上的電磁閥組實現(xiàn)縱向調(diào)整油缸和橫向調(diào)整油缸的動作控制。四個車輪組件安裝在臺車主架和附架上,是臺車在軌道上行走的車輪?；顒游萆w開行過程中,支承臺車的輪壓是不斷變化的。少數(shù)臺車由于其位置的特殊性,反力值隨著活動屋蓋位形改變而發(fā)生較大變化,局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力亦隨之而發(fā)生較大變化。3生產(chǎn)和安裝3.1軌道梁安裝精度控制活動屋蓋的機械設(shè)備是在工廠精加工制造,鋼結(jié)構(gòu)的下料和相貫線切割以及空間曲線彎管加工都在工廠進行,由于體型巨大,鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)拼裝及焊接等只能在現(xiàn)場進行。機械傳動系統(tǒng)中,曲線軌道梁的加工制造難度最大。軌道梁(圖4)是支撐開啟式屋蓋的圓弧形箱體結(jié)構(gòu),直接承載臺車,是活動屋蓋與固定屋蓋聯(lián)系的重要樞紐,軌道梁的最終安裝精度是臺車能否順利行走、活動屋蓋能否順利閉合的關(guān)鍵所在。因此制作時必須控制好各段軌道梁的外形尺寸精度、直線度、矢高等影響軌道梁制作及安裝精度的各因素。軌道梁通過軌道梁支座與主桁架相連,兩軌道梁在軌道梁支托處栓接,軌道梁以軌道梁支座處的自然分段為制作分段,見圖5。鑒于軌道梁使用工況的特點和重要性,必須對其進行嚴(yán)格驗收,為此特制定了驗收標(biāo)準(zhǔn),見表1。不論設(shè)備還是結(jié)構(gòu)的制造,為了實現(xiàn)活動屋蓋順利開合,各部件的數(shù)據(jù)指標(biāo)都應(yīng)比常規(guī)要求更嚴(yán)格,唯一的辦法就是在加工制造的各環(huán)節(jié)加強測量檢驗和質(zhì)量控制。實際操作中,更應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行全過程質(zhì)量控制原則,保證各環(huán)節(jié)的制造精度,為現(xiàn)場順利安裝打下良好的基礎(chǔ)。3.2高空散工安裝方案的確定由于活動屋蓋通過臺車連接固定屋蓋,采用怎樣的順序安裝活動屋蓋及臺車,如何消除活動屋蓋安裝對臺車及屋蓋開合的影響成為確定安裝方案的關(guān)鍵。針對活動屋蓋的布置條件及特點,初步設(shè)想兩種方法安裝活動屋蓋,鑒于高空累積滑移法:1)不能消除屋蓋安裝過程中的自重變形對臺車的影響;2)需要將原兩條邊拱軌道延長至活動屋蓋邊緣以下;3)需要在中間四道副拱間增設(shè)臨時滑移軌道;4)活動屋蓋網(wǎng)殼及封邊桁架的整體性被破壞;5)由于施工中結(jié)構(gòu)與設(shè)計完成狀態(tài)結(jié)構(gòu)不同,大大增加了施工中適應(yīng)性變形的控制難度。最終確定采用高空散拼安裝方案,其優(yōu)點是:1)活動屋蓋安裝過程可消除自重變形對臺車的影響;2)可多臺吊機、多工作面施工,有利于縮短施工工期。缺點是支撐量較大,高空焊接量大。3.3軌道梁的安裝控制軌道梁在結(jié)構(gòu)中起到承上啟下的作用,是鋼結(jié)構(gòu)與機械傳動部分結(jié)合的載體,因此軌道梁的安裝質(zhì)量精度控制是工程的重中之重。工程中軌道梁為圓弧形箱體結(jié)構(gòu),分別安裝在6條主拱上,拱架最大跨度為262m,最小跨度為191m,最大矢高55.4m。軌道梁制作的分段長度約6m,現(xiàn)場拼裝成總長不等的整根軌道梁。由于機械系統(tǒng)對鋼結(jié)構(gòu)安裝的精度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國家規(guī)范的規(guī)定,為此需結(jié)合機械系統(tǒng)要求制定特殊的驗收標(biāo)準(zhǔn),編制詳細(xì)的施工方案,采取有效措施控制軌道梁的安裝質(zhì)量。根據(jù)理想幾何狀態(tài)確定的結(jié)構(gòu)位置采用多系統(tǒng)耦合模型進行的詳細(xì)分析表明,在最外側(cè)拱架處,活動屋蓋、固定屋蓋最大相對變形將達145mm,而這一相對變形中約60%(85mm)是在結(jié)構(gòu)安裝后由于結(jié)構(gòu)自重引起的曲面結(jié)構(gòu)變形所致,反觀因溫度變化引起的上下部結(jié)構(gòu)相對變形數(shù)值較小。最終考慮采用合理施工順序進行調(diào)整:固定屋蓋安裝后即行卸載,使其變形得以充分發(fā)展,在固定屋蓋自重作用下的變形發(fā)展后安裝軌道梁,并在活動屋蓋拼裝后再行軌道調(diào)直。而為適應(yīng)軌道梁的安裝過程中的位置調(diào)整需要,采取了兩次安裝的方法:首先用螺栓將軌道梁安裝就位,相應(yīng)的螺栓孔都設(shè)置為長條狀,根據(jù)計算的偏差調(diào)整范圍留足調(diào)整空隙,在釋放結(jié)構(gòu)變形和調(diào)準(zhǔn)運行軌道后再進行軌道梁的安裝定位,此后采用焊接連接予以固定。4設(shè)計、施工過程的協(xié)調(diào)南通市體育會展中心開閉式屋蓋體育場已于2006年5月交付使用,建成后已順利承擔(dān)了江蘇省第十六屆省運會的開、閉幕式,并舉辦了多場大型文藝演出。新穎的活動屋蓋大大提升了公共空間的使用功能和社會效益,發(fā)展前景廣闊。南通市體育會展中心開閉式體育場的設(shè)計和施工實踐表明,機械-結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)并沒有想象中的那么復(fù)雜和不可逾越,以我國工程人員的科研能力,結(jié)合全面細(xì)致的專業(yè)協(xié)調(diào)、方案設(shè)計以及完善的工程設(shè)計和施工工藝,完全有能力在這一領(lǐng)域打造屬于自己的成果。整個設(shè)計和施工過程中,深切體會到:項目技術(shù)負(fù)責(zé)人需具有全面復(fù)合的專業(yè)知識和工程領(lǐng)域的權(quán)威性,并有能力協(xié)調(diào)各專業(yè)的配合工作;方案