分開屋蓋結構開合屋蓋結構的發(fā)展與設計特點

分開屋蓋結構開合屋蓋結構的發(fā)展與設計特點

0開口屋蓋結構的提出實體蓋結構的定義是：“實體蓋結構是一種結構，可能會在短時間內移動和關閉一些或所有的屋頂。建筑物可以移動到可以關閉的屋頂的兩個狀態(tài)中?！?。即一個完整的屋蓋結構按一定的規(guī)律劃分成幾個可動和固定單元,采用適當的機械技術,使可動單元按照預期的軌跡移動或轉動,使各單元之間搭接、迭放來實現(xiàn)屋蓋的開合。開合屋蓋結構的出現(xiàn)與人類體育事業(yè)的發(fā)展密切相關,隨著物質文化生活水平發(fā)展和提高,市民對體育娛樂活動運動參與意識的提高,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活動。而與常規(guī)體育場館相比,開合式屋蓋結構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家庭蓋結構的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀(1)家庭及部隊使用的修理站在家庭或部隊使用的所有地面采空單該時期主要以小型結構為主,并且主要用在非建筑領域,如家庭或部隊使用的各種帳篷、雨傘、照相機快門、天文觀測站可動屋面等。這些簡單開合結構對近現(xiàn)代的大型開合屋蓋結構的研究和發(fā)展具有很好的啟發(fā)作用。(2)加拿大嚴格奧運高爾夫球場1954年,在德國由FreiOtto領導的一個工作小組,開創(chuàng)性地研究和發(fā)展了開合膜結構,利用膜材料的可折疊性達到開合屋面的目的,在歐洲利用這種技術建成了許多這種類型的建筑物。在1976年,這種技術被應用在加拿大蒙特利爾奧運會體育場中,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,但開合機構復雜,是利用計算機系統(tǒng)執(zhí)行開合任務的。它是屋面采用柔性膜材料以折疊方式進行開合的規(guī)模最大的建筑。該開合屋蓋結構把折疊膜開合方式的應用推到了頂峰。20世紀50～80年代的開合屋蓋結構發(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構存在著一定的內在缺陷,在使用中會出現(xiàn)開合運行故障或膜材料被撕裂。所以其進一步的發(fā)展受到了制約,目前只在小跨度建筑上采用。(3)現(xiàn)代愈合屋蓋結構1961年美國建成的用現(xiàn)代牽引技術驅動的匹茲堡市民體育場,如圖2所示,該結構屬于剛性開合屋蓋結構,其跨度為127m,至今仍具有開拓性意義。20世紀80年代以后的大部分開合屋蓋結構的開合思想,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)代開合屋蓋結構。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)代開合屋蓋結構的特點是,均采用了拱架、拱形網殼、部分球殼或平板網架等剛性鋼結構作為移動屋蓋單元的受力結構,其屋面材料為膜材料、金屬板及其它輕質材料。屋蓋系統(tǒng)分成若干個單元片,通過單元片的移動、轉動,使之各片之間的相互剛體運動來實現(xiàn)屋蓋的開合。(4)大型復雜復合屋頂結構在我國的應用實例我國在開合屋蓋結構的研究和應用方面還遠落后于發(fā)達國家,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行良好,如釣魚臺國賓館網球館采用“弓式預應力鋼結構”,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。大型復雜開合屋蓋結構的建設也有突破性進展,如已建成的上海旗忠森林網球中心;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。開合屋蓋結構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構的想法。世界各國已建成的各種開合屋蓋結構產生了良好的社會經濟效果,并且大跨度開合屋蓋結構技術也得到了進一步的發(fā)展和完善,建造開合屋蓋結構的前景將越來越好。然而,已建成的開合結構也存在著這樣或那樣的問題,總的來說,開合屋蓋建筑技術的發(fā)展還處于起步階段,開合屋蓋結構的理論和試驗研究滯后于工程實踐,僅日本對現(xiàn)代開合屋蓋結構提出了設計施工指針。本文以下內容根據現(xiàn)有研究文獻,對現(xiàn)代剛性開合屋蓋結構的設計特點進行簡單地歸納介紹。2開口房屋蓋結構的設計特點(1)確定結構形式傳統(tǒng)的屋蓋結構設計時,首先確定建筑方案,由此布置設備,最終根據建筑方案和設備布置來確定結構形式,各工種設計基本是串行式的。由于開合屋蓋結構的機械系統(tǒng)、運行控制系統(tǒng)較為復雜,機械設計、結構布置和建筑設計相互影響制約,導致各工種設計必須緊密配合,一并進行,因而開合屋蓋結構比傳統(tǒng)屋蓋結構的設計要復雜得多,基本設計流程如圖6所示。(2)屋頂結構的設計雖然開合屋蓋結構已經建成了兩百多座,但總的說來開合屋蓋結構還是處在起步階段,目前還沒有任何關于這種結構的國家或地方的設計規(guī)范?，F(xiàn)在開合屋蓋設計的依據,結構方面主要采用各國的建筑結構規(guī)范和日本等國的一些設計建議;機械設計方面國外主要參考各自的起重機標準,我國主要參考文獻;此外還可參照已建工程。(3)屋頂開閉系統(tǒng)以保證荷載的質量。在正常工況下,應先對最高所謂開合屋蓋結構的開合條件,是指確定在什么條件下才可以進行開合移動(如風荷載限值、雪荷載限值等)、開合運行的具體條件(如啟動、運行速度和剎車的加速度、開閉運行時間等)、正常條件下屋蓋的?？课恢靡约疤厥鈼l件下屋蓋的?？课恢玫取Ｎ萆w的開合條件直接影響整個結構的工作狀態(tài)以及相應工作狀態(tài)下荷載的取值。因此,在設計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,進而,對屋蓋結構進行內力分析、荷載工況組合、結構構件設計。屋蓋的開合條件必須明確寫進可動屋面使用操作手冊,并嚴格按照操作手冊進行管理。(4)機械系統(tǒng)設計屋蓋體系的開合方式有水平移動、水平旋轉、空間移動、繞樞軸轉動、折疊方式及組合方式。任何開合方式的實現(xiàn)都需要采用一定機械運行系統(tǒng),機械系統(tǒng)設計是常規(guī)結構設計中沒有的,所以機械系統(tǒng)設計對于結構工程師來說是陌生的;而機械系統(tǒng)與建筑結合之后,對于機械工程師而言也是陌生的。因此,機械系統(tǒng)設計是開合屋蓋結構設計中的重點和難點。在進行設計時結構工程師與機械工程師必須相互溝通,以避免設計矛盾的發(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),而開合屋蓋結構一般有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)和運動狀態(tài)。一些大型的開合屋蓋結構還有第4種工作狀態(tài):即半打開的鎖定狀態(tài)。開合屋蓋結構不光要承受常規(guī)屋蓋結構要承受的各種常規(guī)作用:如恒荷載、風荷載、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生的力、因輪軌間距離偏差及開合角度不準確產生的軌道側向力等。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,因而開合屋蓋結構荷載取值的最大特點就是:工作狀態(tài)與荷載取值相對應。(6)單獨分析分析方法可動屋蓋和下部結構是兩個相對獨立的部分,是通過鎖定點耦合聯(lián)系在一起的。對整個結構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分析法兩種。整體分析法是指在鎖定位置通過鎖定點耦合活動屋蓋與下部結構的三個線位移進行協(xié)同受力變形分析。這種方法從整體上看更合理,結果也可以接受。但此種分析方法相對復雜,并且當鎖定點較弱時得出的結果是偏不安全的,而且對于鎖定點局部分析時,由于該方法忽略了機械結構的相對變形,計算所得的節(jié)點約束力偏大。單獨分析法則是先把可動屋蓋在鎖定點處固定進行受力分析,得到的支座反力以集中荷載的形式施加到下部結構上進行進一步的受力分析。該分析方法概念明確,分析簡單,而且在下部結構剛度較大時,采用該方法是偏安全的。在設計時,可同時采用這兩種方法進行比較分析,以保證結構設計的安全可靠。3開屋蓋結構的前景展望雖然大型開合屋蓋結構是20世紀50年代才開始應用和發(fā)展的,屬于一種新興的結構形式,但是由于其使體育場具有了全天候復合型的使用功