某大型體育場(chǎng)館開(kāi)合屋蓋變形監(jiān)測(cè)及分析

賈培軍 樊改榮

(1.內(nèi)蒙古科大建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 概述

1.1 開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

開(kāi)合結(jié)構(gòu)[1]與靜態(tài)建筑結(jié)構(gòu)相比，開(kāi)合屋頂?shù)慕M成結(jié)構(gòu)極大地影響了開(kāi)合屋蓋的受力情況。開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)的屋頂是由若干個(gè)單元組成的，在開(kāi)合的過(guò)程中各屋蓋又要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)合的功能，屋蓋的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的不同位置及狀態(tài)下，由于受到風(fēng)、溫度、雪、軌道行走狀況速度及地震等不可預(yù)知力的影響，其受力和受載狀態(tài)是復(fù)雜的。

1.2 開(kāi)合屋蓋荷載情況

開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)除了承受一般建筑都有的恒、活荷載外，在屋面移動(dòng)的過(guò)程中，還要承受一些軌道運(yùn)行中的特殊荷載如啟動(dòng)、剎車(chē)荷載、軌道荷載作用[2]，這與起重機(jī)的荷載十分相似，所以，開(kāi)合屋蓋特殊荷載可以參考起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的荷載來(lái)確定，按作用方向分為垂直于軌道的水平力、垂直于軌道的豎向力、沿軌道的水平力等。但對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)的可動(dòng)屋蓋設(shè)計(jì)荷載[3]需考慮周全，確定下來(lái)的荷載組合與常規(guī)結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但要特別注意運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 開(kāi)合屋蓋工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某體育場(chǎng)占地6.26萬(wàn)m2，設(shè)有35 107個(gè)觀眾席，體育場(chǎng)采用開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)，體育場(chǎng)開(kāi)合屋蓋的最大開(kāi)啟面積為10 076.2 m2。該體育場(chǎng)采用巨拱鋼索與空間桁架聯(lián)合作用的結(jié)構(gòu)體系，可以解決吊索間距小帶來(lái)的固定屋蓋在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的變形問(wèn)題。體育場(chǎng)的開(kāi)合屋蓋單片重達(dá)500 t，軌道兩側(cè)的臺(tái)車(chē)支承由鋼絲繩牽引，屋蓋結(jié)構(gòu)采用的是輕型管桁架結(jié)構(gòu)，屋面材料采用PTFE膜結(jié)構(gòu)，可以有效的適應(yīng)屋蓋出現(xiàn)的變形。

2.2 開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本情況

開(kāi)合屋蓋主要由兩個(gè)單元塊組成，在中間直線(xiàn)相交，閉合時(shí)可與固定屋蓋完全吻合。開(kāi)合屋蓋最大可開(kāi)啟尺寸的水平投影，長(zhǎng)為113.524 m、寬為88.758 m，處于全閉、全開(kāi)狀態(tài)時(shí)重心處的圓弧角分別為5.88°,15.11°。單片開(kāi)合屋蓋的結(jié)構(gòu)自重(含膜結(jié)構(gòu))約為500 t。

每片開(kāi)合屋蓋沿跨度方向共設(shè)置4道主桁架，采用三角形截面空間桁架。主桁架的平面布置與固定屋蓋的主桁架完全對(duì)應(yīng)。邊桁架作為主桁架的支承結(jié)構(gòu)，每片開(kāi)合屋蓋兩側(cè)各有7輛臺(tái)車(chē)安裝在邊桁架下方，通過(guò)臺(tái)車(chē)和軌道等部件的協(xié)同作用將開(kāi)合屋蓋的荷載傳至固定屋蓋。

開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，開(kāi)合屋蓋臺(tái)車(chē)位置如圖2所示，單個(gè)臺(tái)車(chē)自重約5 t。

3 開(kāi)合屋蓋開(kāi)閉合變形監(jiān)測(cè)

3.1 開(kāi)合屋蓋受力分析

某體育場(chǎng)單片活動(dòng)屋蓋由14個(gè)臺(tái)車(chē)支撐，屬于超靜定支撐結(jié)構(gòu)，臺(tái)車(chē)支反力的分布情況受多方面因素的影響，比如臺(tái)車(chē)的分布位置及拱架、活動(dòng)屋蓋的剛度及形狀尺寸都會(huì)影響臺(tái)車(chē)支反力的分布。在結(jié)構(gòu)自重的作用下，拱架及活動(dòng)屋蓋不僅會(huì)產(chǎn)生一定的縱向變形，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生橫向推力，伴隨縱向變形的發(fā)展，垂直于拱架(主桁架)方向的圓弧半徑增大，有向兩側(cè)伸展的趨勢(shì)，在橫向推力的作用下，臺(tái)車(chē)節(jié)點(diǎn)與固定拱架就會(huì)出現(xiàn)不同步的橫向變形。相對(duì)于活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋的兩個(gè)方向的變形來(lái)說(shuō)，活動(dòng)屋蓋的運(yùn)行位置不同，對(duì)應(yīng)的變形也會(huì)不同，當(dāng)屋蓋處于全閉的狀態(tài)時(shí)取到變形的最大值。施工過(guò)程中，由于溫度荷載等多種因素的影響，活動(dòng)屋蓋的臺(tái)車(chē)節(jié)點(diǎn)與固定屋蓋拱架(主桁架)在縱向和橫向也會(huì)產(chǎn)生附加的位移。為了確保安全，特對(duì)主桁架、環(huán)桁架以及活動(dòng)屋蓋的變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 主桁架、環(huán)桁架變形測(cè)量

固定屋蓋的幾何形態(tài)為球面，外徑359.5 m，鋼結(jié)構(gòu)由2榀主桁架、34榀次桁架、四周環(huán)向桁架組成。監(jiān)測(cè)分為主桁架合龍前、主桁架合龍后至支撐拉索張拉、活動(dòng)屋蓋調(diào)試、運(yùn)營(yíng)期4個(gè)階段。

主桁架初次監(jiān)測(cè)2010年5月19日，末次監(jiān)測(cè)2012年4月4日，期間共監(jiān)測(cè)48次。環(huán)桁架初次監(jiān)測(cè)2010年6月15日，末次監(jiān)測(cè)2012年4月4日，共監(jiān)測(cè)39次。監(jiān)測(cè)周期在施工期間，每周觀測(cè)1次，或根據(jù)施工需要進(jìn)行觀測(cè)；運(yùn)營(yíng)期2月1次。監(jiān)測(cè)方法采用05″級(jí)全站儀SOKKIA NET05極坐標(biāo)法觀測(cè)，測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)A,B,H。

3.3 主桁架數(shù)據(jù)分析

主桁架南北、東西及垂線(xiàn)方向的變形曲線(xiàn)如圖3所示。

主桁架結(jié)構(gòu)的主要變形出現(xiàn)在臨時(shí)支撐拆除和拉索張拉調(diào)試的施工過(guò)程中，2010年12月19日以后，主桁架的變形主要有兩個(gè)方面：

第一，在屋蓋開(kāi)—合的過(guò)程中，垂線(xiàn)方向，東側(cè)主桁架中部下降117 mm、西側(cè)主桁架下降75 mm；東西方向，東側(cè)主桁架的中部向西位移27 mm、西側(cè)主桁架的中部向東18 mm。

第二，季節(jié)因素，夏季到冬季，東側(cè)主桁架的高度下降112 mm、西側(cè)主桁架中部下降107 mm。

主桁架結(jié)構(gòu)變形滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.4 環(huán)桁架數(shù)據(jù)分析

環(huán)桁架的南北、東西及垂線(xiàn)方向的變形曲線(xiàn)如圖4所示。

環(huán)桁架結(jié)構(gòu)的主要變形出現(xiàn)在拉索張拉調(diào)試的施工過(guò)程中，2010年12月19日以后，環(huán)桁架的變形主要受季節(jié)的影響，夏季到冬季，環(huán)桁架向內(nèi)收縮20 mm；在屋蓋開(kāi)合的過(guò)程中，桁架變形不明顯。

3.5 活動(dòng)屋蓋變形測(cè)量

活動(dòng)屋蓋開(kāi)啟面積10 087 m2，由兩個(gè)單元塊組成，在中間直線(xiàn)相交，活動(dòng)屋蓋主桁架跨度為88 m,長(zhǎng)114 m。每個(gè)單元塊由4榀橫向主桁架、2榀縱向主桁架及縱向兩側(cè)邊桁架組成。

兩塊活動(dòng)屋蓋各設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示，監(jiān)測(cè)工作從2010年11月19日，巨拱完全合龍，至2012年4月4日，屋蓋調(diào)試期跟蹤監(jiān)測(cè)，運(yùn)營(yíng)期2月1次，共進(jìn)行18次監(jiān)測(cè)。采用05″級(jí)全站儀SOKKIA NET05極坐標(biāo)法觀測(cè)，測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)A,B,H。

兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 活動(dòng)屋蓋開(kāi)合過(guò)程?hào)|西方向位移量統(tǒng)計(jì)表

屋蓋開(kāi)合過(guò)程中，東西方向最大位移量63 mm，在臺(tái)車(chē)調(diào)整范圍內(nèi)，屋蓋可以正常開(kāi)合。

通過(guò)對(duì)主桁架、環(huán)桁架以及活動(dòng)屋蓋的變形曲線(xiàn)和變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出主桁架、環(huán)桁架以及活動(dòng)屋蓋的變形量在正常范圍，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。開(kāi)合屋蓋的施工安裝能夠確保整個(gè)開(kāi)合屋蓋工程使用的穩(wěn)定性和安全性，也能夠滿(mǎn)足體育場(chǎng)工程的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)主桁架、環(huán)桁架以及活動(dòng)屋蓋進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，定期采用05″級(jí)全站儀SOKKIA NET05并利用極坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)監(jiān)測(cè)，然后通過(guò)對(duì)主桁架、環(huán)桁架以及活動(dòng)屋蓋的變形量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并對(duì)其變形曲線(xiàn)和變形數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和分析，得出主桁架、環(huán)桁架以及活動(dòng)屋蓋的變形量在安全允許的范圍內(nèi)，開(kāi)合屋蓋施工設(shè)計(jì)能確保整個(gè)開(kāi)合屋蓋工程使用的穩(wěn)定性和安全性，滿(mǎn)足體育場(chǎng)工程的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

[1] 陳志華．開(kāi)合結(jié)構(gòu)[J]．建筑知識(shí)，2001(1)：37-40,63-64．

[2] 秦乃兵．大跨度開(kāi)合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用分析[J]．工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2005(12)：45-46．

[3] 賀擁軍．巨型網(wǎng)格開(kāi)合屋蓋靜力與穩(wěn)定性能研究[J]．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(4)：24-28．