鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
[摘 要] 開合屋蓋體育場是建筑、結構、機械、控制技術的集成。針對不同開合屋蓋，其機械系統一般采用：卷揚機牽引式、承載臺車自驅式、繞樞軸轉動式和齒輪齒條驅動式。本文結合具體工程實例，對開合屋蓋承載系統、驅動系統、檢測控制系統、安全系統進行了介紹，為今后相關工程的實踐提供參考。
[關鍵詞] 開合屋蓋機械系統；卷揚機牽引；自驅式；繞樞軸轉動；開合屋蓋體育場機械系統應用探討
1 引言
開合建筑結構是將傳統的建筑分為可動單元和固定單元，通過機電系統承載可動單元按預定軌道移動，從而實現不同的開合形式。
開合建筑結構主要應用在橋梁、體育場、步行街、娛樂中心、廠房等領域。其中應用最廣泛的是開合屋蓋體育場，與常規體育場相比，其主要優點是：
（1）不受惡劣天氣影響保證比賽順利進行；
（2）滿足全天候使用要求，人與自然和諧統一；
（3）減少照明與通風設備，節能環保綠色運營；
（4）吸引觀眾提高入座率，增加收益。
2 典型開合屋蓋機械系統介紹
按照開合屋蓋不同的移動方式，主要分為：水平移動、水平旋轉、空間移動、繞樞軸轉動等。開合屋蓋機械系統主要包括：承載系統、驅動系統、檢測控制系統、安全系統。
結合工程實例，現介紹幾種國內外最新的開合屋蓋機械系統。
2.1 卷揚機牽引系統
2.1.1工程概況
鄂爾多斯東勝體育中心，如圖1~2。開啟面積為9,300?，軌道梁拱最大跨度達251m。
兩片活動屋蓋采用卷揚機牽引對拉的方式，單片屋蓋重量為700t。
圖1 鄂爾多斯東勝體育場
圖2 卷揚機牽引系統組成
2.1.2 機械系統組成
（1）承載系統：兩片屋蓋由28部臺車支撐，每部臺車裝有液壓調整系統；
（2）驅動系統：采用4套雙倍率卷揚機系統驅動，卷揚機電機功率110kw；
（3）控制系統：位移、轉速、壓力閉環檢測，變頻同步控制；
（4）安全系統：鎖銷、車檔等。
2.1.3 關鍵技術
（1）屋蓋開合運行時，活動屋蓋與固定屋蓋間的相對位移變形較小，但活動屋蓋的卸載和安裝承載臺車時需要一個承載和位移調整機構，針對此工況，臺車豎向調整采用一個能承受支點荷載150t，位移調整50mm的超高壓千斤頂結構，此超高壓油缸只需用手動液壓泵進行控制調整，具有結構緊湊、承載可靠、調整方便的應用優點；
（2）臺車行走過程中采用雙液壓缸適時對側向位移進行調整，防止側向卡軌；
（3）通過對卷揚機轉速、鋼絲繩拉力、臺車位移的檢測反饋，保證兩側軌道牽引同步；
（4）機械零部件、電子元器件、液壓件、密封件選用耐低溫材料，液壓系統內設有油液加熱裝置，保證系統可靠性、耐久性。
鄂爾多斯東勝體育場開合屋蓋機械系統運用先進的機電液技術，通過實時檢測、反饋、控制、驅動系統，保證開合屋蓋正常、可靠工作見圖3`4。
2.2 自驅式系統
2.2.1 工程概況
昆山游泳館網球場工程總建筑面積24145 m2，網球館開啟面積6525m2，屋面桁架跨度66m。
2.2.2機械系統組成
網球館活動屋蓋在兩條水平軌道上運行，每條軌道上有4部臺車承載驅動，在軌道梁端部裝有緩沖限位裝置。
圖3 自驅式機械系統組成
圖4 昆山網球館活動屋蓋施工圖
2.2.3 關鍵技術
（1）臺車采用后輪驅動，通過變頻調速保證行走同步；
（2）活動屋蓋施工卸載后豎向撓度為30mm左右，因此臺車與活動屋蓋聯接處采用被動調整，安裝關節軸承釋放彎矩，側向采用位移緩沖裝置；
（3）開合屋蓋由減速電機上的電機制動器、電動推桿式的插銷結構、前后車檔、監測系統和控制系統構成安全系統；
該機械系統結構緊湊、簡單，既能保證順利開合運行，又可減小維護、保養費用，性價比較高。
2.3 繞樞軸轉動系統
2.3.1工程概況
上海旗忠網球中心屋蓋采用8片可繞各自樞軸轉動45°的活動屋蓋組成，形狀類似一朵玉蘭花如圖5。賽場直徑144m。活動屋蓋向內懸挑61.5m，屋蓋總質量約為1440t。
圖5 上海旗忠網球中心
2.3.2 機械系統組成
旗忠網球中心在固定環梁上安裝8套開合屋蓋機械傳動系統，每套系統組成如下：
（1）承載系統：1根固定轉軸、3部臺車、3個同心旋轉軌道；
（2）驅動系統：驅動鏈輪、鏈條、平衡論；
（3）控制系統：同步控制、故障檢測系統；
（4）安全系統：緩沖器、插銷裝置。
2.3.3 關鍵技術
（1）每片懸挑屋蓋通過臺車、同心軌道采用3點支撐，降低了屋蓋結構加工、拼裝難度；
（2）轉動心軸采用關節軸承聯接，軸承內孔與樞軸采用間隙配合，可沿軸承上下移動，承受活動屋蓋葉瓣豎向不均勻受力而產生的彎矩和扭矩；
（3）驅動部分采用鏈傳動，其中鏈條安裝在固定曲梁上，鏈輪與平衡輪安裝在支撐平臺上，支撐平臺可沿大型燕尾槽滑動。燕尾槽可補償半徑方向的變形，平衡輪與鏈輪成對安裝可保證，鏈輪鏈條很好的嚙合。同時鏈輪與驅動軸采用花鍵連接，間隙配合，可沿軸向運動，補償高度方向的偏差；
（4）屋蓋在開啟時3組臺車都承受壓力，當關閉狀態時，屋蓋葉瓣是懸臂結構，末端臺車承受拉力，因此安裝反鉤滾輪裝置見圖6~7。
旗忠網球中心開合屋蓋機械系統把傳統機械、結構設計與計算分析仿真相結合，把復雜問題簡單化、分解處理，實現建筑結構、機械一體化開合技術，值得借鑒。
圖6 繞樞軸轉動剖視圖
圖7 活動屋蓋承載臺車
2.4 齒輪齒條系統
2.4.1 工程概況
阿布扎比體育館活動屋蓋共重7500噸，屋蓋呈拱形結構，寬度290m,長度128m，每側有9個支撐點，兩側共18個支撐點，支撐點的最大計算載荷為1100噸，側支撐點最大載荷為500噸，運行行程約140 m。
2.4.2 機械系統組成
每片活動屋蓋由18臺運行小車支撐，每側在水平地面布置4根重型軌道，豎直墻面布置2根導向軌道，如圖8~9。
圖8 阿布扎比體育場圖
9 齒輪齒條驅動臺車
單片屋蓋每側主要機械系統組成如下：
（1）承載系統：9臺支撐小車、4根重型軌道、2根導向軌道；
（2）驅動系統：驅動小車、齒輪齒條、連接梁；
（3）控制系統：現場實時全自動控制、智能型手動可控制；
（4）安全系統：聯鎖功能、防風檢測、故障診斷。
2.4.3 關鍵技術
（1）由于活動屋蓋總跨度290m，每跨桁架之間的剛度比較小，為保證驅動臺車的同步性，采用齒輪齒條精確嚙合方式，見圖11。
（2）驅動臺車與支撐臺車之間用連接梁固定，兩端采用鉸接，既能保證沿軌道方向的剛度，又能適應軌道豎向變形；
（3）支撐臺車與活動屋蓋之間采用鉸接，可釋放結構支點彎矩；見圖10。
（4）控制系統設置多級聯鎖、故障診斷、自動排除功能，提高了系統可靠性；
（5）采用變頻同步控制系統，即可對位移控制，也可對速度進行控制，并在運行中采用實時監控，進行安全保護。
圖10 承載臺車剖視圖
圖11 齒輪齒條驅動臺車平面圖
3 結論
采用何種開合屋蓋機械系統首先取決于活動屋蓋的移動方式和整體結構形式，一般卷揚機牽引方式適用于對驅動轉矩比較大的空間移動屋蓋；自驅式機械系統主要用于水平軌道，驅動力主要克服摩擦阻力；繞樞軸轉動機械系統一般用于水平旋轉開合移動方式，且結構跨度比較小；齒輪齒條驅動方式對軌道精度要求比較高，當需要保證活動屋蓋結構沿軌道方向變形比較小、同步性較高時使用。
同時機械系統的設計依據主要有4大部分:1、建筑結構提供的支座反力標準值，決定機械零部件結構強度和剛度；2、開合條件下的綜合荷載，決定驅動系統的功率、轉矩；3、建筑結構形式、剛度、撓度、施工方法，決定機械系統適應性調整自由度和位移值；4、開合條件和環境要求，決定控制策略等。開合屋蓋機械系統設計、施工人員應與建筑、結構專業緊密配合，無間隙的溝通反饋，把現代設計仿真技術與傳統機械設計方法相結合，對設計、施工、運行、失效、維護全過程進行分析，這樣才能保證開合屋蓋系統整體的可靠性、安全性、經濟性、耐久性、適應性。
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[作者簡介] 張鋒（1985-），男，江蘇南通人，浙江精工鋼結構有限公司工程師，碩士，建筑機械工程
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