紹興體育場分開屋蓋結(jié)構(gòu)性能分析

紹興體育場分開屋蓋結(jié)構(gòu)性能分析

1活動(dòng)屋蓋整體布置紹興網(wǎng)球場位于紹興西北的科北新城和東部開發(fā)區(qū)?？偨ㄖ娣e77500m2,觀眾座位40000席。屋蓋采用開合結(jié)構(gòu),開啟面積12350m2,是國內(nèi)目前可容納觀眾數(shù)最多的開合式體育場。紹興體育場屋蓋部分長軸:260m,短軸:200m,水平投影總面積為41878m2,其中固定部分31690m2,開口面積10188m2,活動(dòng)屋蓋分為兩塊,水平投影面積總計(jì)12660m2。罩棚圍護(hù)采用膜材料,固定屋蓋采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu),沿周圈設(shè)置環(huán)桁架,中部根據(jù)罩棚開口設(shè)“井”字形空間主桁架,環(huán)桁架與主桁架之間通過空間次桁架連接。井字主桁架高度為19m,次桁架高為5m。井字桁架中兩道南北方向桁架為活動(dòng)屋蓋軌道桁架。兩片活動(dòng)屋蓋采用平面桁架,每片活動(dòng)屋蓋由14臺(tái)移動(dòng)臺(tái)車與固定屋面連接。在主桁架下設(shè)置8個(gè)混凝土筒。其結(jié)構(gòu)布置見圖1。由于下部混凝土結(jié)構(gòu)通過溫度縫分成4個(gè)部分,工程鋼結(jié)構(gòu)在混凝土溫度縫兩邊的支點(diǎn)采用抗震支座,其余部分鋼結(jié)構(gòu)支點(diǎn)用固定鉸支座與下部混凝土柱及混凝土筒連接。2活動(dòng)屋蓋選型、結(jié)構(gòu)體系及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的確定開合屋蓋的設(shè)計(jì)是集鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)施工方案、起重液壓機(jī)械傳動(dòng)與自動(dòng)化控制為一體的綜合性系統(tǒng)工程,是跨學(xué)科的合作項(xiàng)目。開合屋蓋由固定屋蓋、活動(dòng)屋蓋及屋蓋驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)三個(gè)重要部分組成,三部分的設(shè)計(jì)不是孤立的,是相互制約、相互協(xié)調(diào)的過程。固定屋蓋是活動(dòng)屋蓋的基座,是開合屋蓋的一個(gè)重要組成部分,固定屋蓋的剛度及穩(wěn)定性直接影響到屋面系統(tǒng)的安全性與可靠性。固定屋蓋須有足夠的剛度和強(qiáng)度來保障活動(dòng)屋蓋運(yùn)行順暢,同時(shí)保證行走系統(tǒng)的軌道不致產(chǎn)生過大變形。固定屋蓋的具體尺寸見圖2?；顒?dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)選型應(yīng)遵循以下主要原則:1)活動(dòng)屋蓋的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)與屋蓋開啟方式緊密結(jié)合;2)結(jié)構(gòu)選型應(yīng)盡量與固定屋蓋的建筑風(fēng)格與結(jié)構(gòu)體系協(xié)調(diào)一致;3)嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)自重,減小移動(dòng)屋蓋對(duì)驅(qū)動(dòng)力的需求,優(yōu)先選擇重量輕的膜材或金屬屋面作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)采用折疊開啟方式的膜結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)選用可折疊的膜材;4)活動(dòng)屋蓋的整體剛度不應(yīng)過大,應(yīng)具有較大的變形適應(yīng)能力,屋面坡度應(yīng)有利于排水;5)活動(dòng)屋蓋支點(diǎn)的構(gòu)造要便于與驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合。單片活動(dòng)屋蓋平面圖為長方形和月牙形懸挑組成?；顒?dòng)屋蓋的具體尺寸見圖3。經(jīng)過綜合考慮可靠性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),對(duì)多種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后,最終確定采用鋼絲繩牽引與輪式驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。兩片活動(dòng)屋蓋通過28臺(tái)臺(tái)車支撐在固定屋蓋的軌道上,28個(gè)臺(tái)車中有12個(gè)為自驅(qū)動(dòng)臺(tái)車,其余16個(gè)為被動(dòng)臺(tái)車,自驅(qū)臺(tái)車與被動(dòng)臺(tái)車間隔布置。自驅(qū)小車與鋼絲繩共同提供驅(qū)動(dòng)力以牽引活動(dòng)屋蓋的開合。之所以采用兩種驅(qū)動(dòng)組合的方式,是由于紹興體育場活動(dòng)屋蓋的軌道曲率較小,活動(dòng)屋蓋的自重在軌道切線方向的分力并不足以讓活動(dòng)屋蓋克服摩擦力而滑下,活動(dòng)屋蓋開啟時(shí)就需要附加的驅(qū)動(dòng)力為活動(dòng)屋蓋提供動(dòng)力,而12臺(tái)自驅(qū)動(dòng)臺(tái)車將在活動(dòng)屋蓋下滑過程中提供動(dòng)力,其構(gòu)成見圖4。由于可能存在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同步、卡軌、結(jié)構(gòu)重量分布不均勻、受力不均、軌道摩擦不均等原因,將引起驅(qū)動(dòng)牽引不同步,屋蓋整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。因此,變形互動(dòng)和補(bǔ)償調(diào)整顯得十分重要。在運(yùn)行過程中臺(tái)車上的變形傳感器、測(cè)力銷等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將臺(tái)車運(yùn)行的各種參數(shù)傳遞給主控系統(tǒng),主控系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)調(diào)節(jié)臺(tái)車上的液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形及荷載變化。自動(dòng)控制系統(tǒng)要求臺(tái)車在運(yùn)行中能適應(yīng)結(jié)構(gòu)在對(duì)稱荷載及不對(duì)稱荷載作用下的變形影響。并在卡軌,斷索等情況下能及時(shí)采取措施。臺(tái)車可自行調(diào)整適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形的需要,即對(duì)支撐結(jié)構(gòu)變形有自適應(yīng)能力,同時(shí)為降低對(duì)機(jī)械及控制系統(tǒng)的高精度需求,也需要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,提高結(jié)構(gòu)性能,盡量減少主體結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的變形差異;二者需要相互適應(yīng),找到合適的適應(yīng)范圍。3打開結(jié)構(gòu)的主要負(fù)荷3.1結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度開合結(jié)構(gòu)一般都采用輕質(zhì)大跨的鋼結(jié)構(gòu)體系,對(duì)剛度要求較大,勢(shì)必會(huì)造成固定屋蓋的自重較大,屋蓋傳給支座的豎向荷載主要為結(jié)構(gòu)的自重。因此在設(shè)計(jì)過程中,如何根據(jù)建筑造型,選擇安全、有效、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式是開合屋蓋是否成功的一大要點(diǎn),也是節(jié)省造價(jià)的一個(gè)有效途徑。3.2大跨度固定屋蓋在開合屋蓋設(shè)計(jì)時(shí),受當(dāng)?shù)貧庀髼l件影響,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與活動(dòng)屋蓋運(yùn)行采用的極端最高溫度與極端最低溫度,一般應(yīng)保證開合屋蓋在絕大多數(shù)氣象溫度條件下能夠正常運(yùn)行。應(yīng)充分考慮不均勻變形引起活動(dòng)屋蓋無法正常行走的可能性。大跨度固定屋蓋一般不能考慮支座滑移釋放溫度應(yīng)力。溫度對(duì)固定屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的影響將顯得尤為重要。3.3風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)開放系統(tǒng)運(yùn)行的影響一般應(yīng)通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定開合屋蓋結(jié)構(gòu)建筑表面的風(fēng)壓分布情況。在確定風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)主要做了全開和全閉兩種狀態(tài)的風(fēng)洞試驗(yàn)。屋蓋運(yùn)行過程中可能遇到瞬時(shí)強(qiáng)風(fēng)的影響,設(shè)計(jì)中做了數(shù)值風(fēng)洞分析,對(duì)全開全閉及活動(dòng)屋蓋運(yùn)行過程中的風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算分析,同時(shí)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。在活動(dòng)屋蓋移動(dòng)過程中,對(duì)風(fēng)速進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控,要求活動(dòng)屋蓋開合時(shí)風(fēng)速在12m/s以下。3.4結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)開合屋蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)分別對(duì)全開與全閉兩個(gè)基本狀態(tài)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),此外還應(yīng)特別注意活動(dòng)屋蓋在移動(dòng)過程中發(fā)生地震時(shí)的安全性。當(dāng)進(jìn)行活動(dòng)屋蓋在非基本狀態(tài)與行走過程中抗震設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)建設(shè)地點(diǎn)、建筑功能以及活動(dòng)屋蓋使用情況,取用低于基本狀態(tài)的地震動(dòng)參數(shù),根據(jù)設(shè)定的地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。在活動(dòng)屋蓋移動(dòng)過程中發(fā)生大震的概率極低,但需要考慮防止出現(xiàn)脫軌、碰撞、晃動(dòng)等事故的措施。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)采用結(jié)構(gòu)整體模型,考慮活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋之間的相互作用,同時(shí)考慮水平力方向與垂直力方向的地震作用。應(yīng)分別進(jìn)行反應(yīng)譜計(jì)算與時(shí)程分析,并考慮幾何非線性與材料非線性效應(yīng)的影響。應(yīng)針對(duì)結(jié)構(gòu)部位與構(gòu)件重要性,采用不同的抗震性能指標(biāo),對(duì)重要與關(guān)鍵部位提出更高的性能要求,如固定屋蓋中支承軌道的桁架、連接活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋的臺(tái)車及連接件等,應(yīng)在罕遇地震作用時(shí)保持彈性,并提高主受力構(gòu)件的抗震等級(jí)。4結(jié)合剛度和計(jì)算模型為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性,工程建立了包括混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、臺(tái)車在內(nèi)的整體模型,計(jì)算中考慮臺(tái)車的剛度為3000kN/m。整體計(jì)算模型見圖5。除了計(jì)算了全開、全閉模型外,在兩者中間六等分計(jì)算了5個(gè)位置的情況,圖5(c)及圖5(d)分別為過程2和過程4的計(jì)算模型。以下為紹興體育場的計(jì)算結(jié)果。4.1軌道位移值的確定由于工程桁架跨度較大,固定屋蓋在臺(tái)車移動(dòng)過程中將產(chǎn)生豎向及水平向變形,為保證臺(tái)車在正常使用情況下能正常運(yùn)轉(zhuǎn),為臺(tái)車等驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù),須計(jì)算軌道在活動(dòng)屋蓋運(yùn)行過程中的位移值。取單條軌道的計(jì)算結(jié)果見表1。表1列出了活動(dòng)屋蓋運(yùn)行過程中,軌道在垂直軌道方向(X向)和豎向(Z向)的位移。根據(jù)以上數(shù)據(jù),并考慮適當(dāng)?shù)娜哂喽?取臺(tái)車的設(shè)計(jì)參數(shù)為:機(jī)械系統(tǒng)須適應(yīng)結(jié)構(gòu)豎向變形300mm,側(cè)向變形±100mm。根據(jù)所列數(shù)據(jù)可以看出,軌道跨度234m,從全閉狀態(tài)到全開狀態(tài),軌道X方向的位移差值為56.79-40.88=15.91mm,為跨度的1/14708;軌道豎向的位移差為127.29mm,為跨度的1/1838<1/1000。同時(shí)也說明固定屋蓋的剛度能夠?yàn)榛顒?dòng)屋蓋提供足夠的支撐。4.2環(huán)桁架對(duì)下錨面鋼結(jié)構(gòu)的影響根據(jù)溫度最高作用所得結(jié)果和最低工況所得結(jié)果,并考慮到結(jié)構(gòu)合攏溫度的不確定性,建議采用升溫+40℃,降溫-30℃計(jì)算結(jié)構(gòu)冬夏溫差。由此計(jì)算的結(jié)構(gòu)位移和軸力見表2。由表2數(shù)值可以看出,溫度作用下,鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的內(nèi)力及變形都較大,溫度對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用。為了保證上部鋼結(jié)構(gòu)在溫度作用下產(chǎn)生的變形及內(nèi)力不至于過大,從而影響下部混凝土結(jié)構(gòu)的受力情況,環(huán)桁架便起到了非常重要的變形約束及內(nèi)力傳遞作用。下部混凝土被溫度縫分成四個(gè)獨(dú)立單元,而上部鋼結(jié)構(gòu)固定屋蓋為一整體結(jié)構(gòu),兩者連接后形成連體結(jié)構(gòu)。由于下部混凝土結(jié)構(gòu)分縫處環(huán)桁架桿件截面較大,傳遞給下部混凝土結(jié)構(gòu)的水平反力也較大,為解決這一難題,設(shè)計(jì)中環(huán)桁架采用4.5m×5.5m的四邊形截面,并在環(huán)桁架下弦與下部混凝土柱頂之間增加樹狀支承。環(huán)桁架采用的四邊形截面,可以保證上部鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度;增加樹狀支承后,又可改善下部混凝土結(jié)構(gòu)分縫對(duì)環(huán)桁架造成的局部影響,同時(shí)減小上部鋼結(jié)構(gòu)對(duì)下部混凝土結(jié)構(gòu)的水平反力。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋環(huán)桁架樹狀支承下端立于下部84個(gè)混凝土柱柱頂,并通過支座相連(見圖6)。其中位于下部混凝土縫兩側(cè)的支座采用抗震支座,其余支座均采用固定鉸支座。4.3活動(dòng)屋蓋開啟特性大跨度空間結(jié)構(gòu)是風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu),為此委托了中國建筑科學(xué)研究院做了全開和全閉模型的風(fēng)洞試驗(yàn),同時(shí)建立數(shù)值模型進(jìn)行了風(fēng)洞模擬,計(jì)算了完全開啟狀態(tài);開啟2/3狀態(tài);開啟1/3狀態(tài);全封閉狀態(tài);微開啟狀態(tài)5個(gè)工況。表3列出了結(jié)構(gòu)在活動(dòng)屋蓋開啟過程中不同風(fēng)向角作用下的最大內(nèi)力及最大位移。根據(jù)表中數(shù)據(jù)規(guī)律可以看出,結(jié)構(gòu)內(nèi)力在90°風(fēng)向角作用下最大,且活動(dòng)屋蓋由全閉狀態(tài)逐漸開啟,直至全開狀態(tài),結(jié)構(gòu)內(nèi)力逐漸減小。隨著活動(dòng)屋蓋由全閉狀態(tài)逐漸開啟直至全開狀態(tài),軌道變形逐漸減小。軌道最大變形量為13.25mm,僅為跨度的1/17699。4.4結(jié)構(gòu)阻尼比的確定工程抗震設(shè)防烈度為6度,相應(yīng)的設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g;建筑抗震設(shè)防類別為乙類;建筑場地類別為Ⅲ類;設(shè)計(jì)地震分組:第一組,特征周期0.45s;結(jié)構(gòu)阻尼比:彈性、彈塑性分析,鋼結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05;計(jì)算常遇地震,當(dāng)僅考慮豎向地震作用時(shí),豎向地震作用至少取重力荷載代表值的10%和反應(yīng)譜法計(jì)算的較大值,抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0。屋蓋的抗震性能與分析方法見表4。工程采用MIDAS與ABAQUS兩個(gè)軟件分別計(jì)算,取前50個(gè)振型。比較了重力荷載代表值及周期。計(jì)算結(jié)果見表5,6,與表3內(nèi)力相比,可以看出地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小,不是主要的控制因素,圖7為其前兩階振型。5屋頂模型的互協(xié)調(diào)(1)開合屋蓋集鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工,液壓傳動(dòng)和自動(dòng)化控制為一體,其固定屋蓋、活動(dòng)屋蓋及