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钢屋盖开顶结构机械结构综合技术的探索与实践 0 加强内部矛盾分析方法,提高产品的可靠性和安全性 打开和关闭房屋的屋顶结构。因为屋顶可以移动，所以有很多技术问题。要确保开合屋盖结构具有同常规结构有同等的安全性、可靠性,这必须以结构体系、机械系统、控制系统各自的安全与可靠为前提。合理地进行屋盖开合全过程的各位形受力分析是开合屋盖结构在结构设计方面的大难题。从己建成的开合屋盖结构来看,机械系统可动部件常有故障发生,因此,要求开合屋盖结构机械系统的构造应尽可能简单,这样既可提高机械系统的可靠性,又便于故障后维修。 在施工方面,大型开合屋盖结构对施工技术、测量技术、检测技术提出更高的要求。对于使用最广泛的轮轨系统开合屋盖结构,支承结构的安装精度对屋顶的运行性能有直接的影响。运行轨道的不平整将会引起行走台车蛇行运动而使屋盖左右摇晃、上下振动,甚至因行走台车车轮反力不均匀而引起车轮空转、脱轨等事故,也有可能出现主动台车动力不足、从动台车受力不均匀、构件疲劳破坏等一系列问题。 开合屋盖结构由于其复杂性,导致各工种的设计一定要并行进行,建筑方案、结构形式、机械牵引和控制系统、施工方案之间是相互影响、相互制衡的。 1 活动屋盖体系 南通市体育会展中心体育场(图1)屋盖几何形状为球冠,分为固定屋盖部分和活动屋盖部分。固定屋盖采用拱支单层网壳结构,拱架系统由六道主拱、五道副拱和两道斜拱组成。活动屋盖有两片,平面形状呈半椭圆形,采用周边加强的单层网壳结构,单片重量达1 050t。两片活动屋盖分别由22台台车支承在固定屋盖的主拱上,台车上端连接在活动屋盖的网壳节点上,下端支承在固定屋盖主拱的轨道梁上。 工程中活动屋盖采用卷扬机驱动(图2)。活动屋盖对应固定屋盖主拱架的位置设置了6道台车带,其中内侧4道主拱为主动驱动,在活动屋盖的对应位置上设置钢丝绳,钢索通过卷扬机收紧,则活动屋盖上行,屋盖闭合;钢索放松则下行,屋盖开启。靠外边南北两端的主拱架上行驶从动台车,不设牵引钢丝绳。所设定的开启或闭合全程分别需20min。 工程的屋盖系统,总面积和开口面积分别为40 470m2和17 807m2,开口面积占总面积的44%,开口面积和开口率(开口面积与总面积的比值)迄今为国内最大,在全球范围内看也属于超大型开合屋盖体系。屋盖的开口越大,对设计、施工和开闭运行的要求就越高。活动屋盖的开闭运动在球状曲面上进行,即活动屋盖是在空间曲面上移动,既与平面移动方式不同,也与沿单曲率表面(如柱面)移动的活动屋盖不同。 运行过程中,伴随着各台车带不等线速度、不等侧向位移等问题。活动屋盖特殊的运动方式要求结构系统和机械系统在设计、安装、调试各阶段根据实际情况不断的修正和改进。工程设计和施工的主要有以下问题和难点。 (1)实现机械-结构的综合技术研发与应用,达到结构体系成为机械设备的可靠保证,机械设备成为结构体系的一部分,使结构体系在受力、变形上满足机械设备的要求,两者高度协调。 (2)屋盖体系中固定屋盖既是屋盖系统一部分,又是活动屋盖的支承结构,机械系统平稳运行的关键取决于固定屋盖主拱架的变形情况。如何消化、吸收固定屋盖的自重变形,解决活动屋盖-固定屋盖的变形协调问题,是确保传动机械设备-台车稳定运行的关键。 (3)由于机械系统对支承结构变形的敏感性,设计阶段需对活动屋盖运行全过程进行数值模拟。根据分析结果制定机械设备的技术参数,如何精确模拟屋盖开启全过程,如何对附属于结构上的机械设备(牵引机制、传动机制、制动机制等)进行数值简化,如何根据结构分析结果制定合理的机械技术参数等问题贯穿整个设计调试阶段。 (4)机械设备的布置与安装,与固定屋盖和下部运行轨道的连接方式,驱动设备的传动方式及其结构传导构件的设置方式,运行轨道的支撑结构形式,结构变形和制造精度对机械传动的影响分析及修正模式,两片屋盖的自控同步精度控制等机械设计问题。 (5)大型空间结构体系施工中的难题,如大直径钢管精确弯制、大型钢结构现场预拼装及吊装方案的确定,屋盖体系支承方案及合理的卸载方案设计等。以及由于屋盖开闭体系的特殊性带来的活动屋盖拼装技术的专项研究、高精度曲线轨道的制造和安装等一系列其他问题。 (6)密封、排水系统,活动屋盖的速度、加速度模式,活动屋盖开、闭位形的固定措施等其他综合问题。 2 研究和设计 2.1 结构体系分析在车改工程中的应用进展 面对困难和挑战,为保证工程顺利展开,进行了一系列结构设计分析和试验研究工作:进行了屋盖不同位形(全开启、开启不同角度、全闭合)、不同风向荷载作用下的风洞试验研究;针对多管相贯节点的搭接、内加劲措施等进行了分析和必要的试验研究;展开了对活动屋盖、固定屋盖的刚度匹配问题的专项研究。上述设计分析解决了以下关键结构技术问题。 (1)分析制定了设计控制基本原则:1)根据功能要求