开合屋盖结构设计简介

文章编号:1000-6869(2005)04-0112-05

开合屋盖结构设计简介

关富玲1,程　媛1,余永辉1,吴开成2,沈佩蓓2

(1.浙江大学土木工程系空间结构研究中心,浙江杭州310027;2.浙江大学建筑结构设计研究院,浙江杭州310027)

摘要:开合屋盖结构在大型体育馆、多用途体育场都得到了广泛应用。开合屋盖结构由于其特有的多个状态,在很多方面不同于以往的常规屋盖结构。本文结合浙江省某网球中心比赛馆开合结构的设计实例,简要介绍了该工程的概况、背景及其结构形式,阐述了开合屋盖结构在结构方面需特别考虑的轨道系统选取的问题,叙述了该实例采用的索牵引系统的运作方式;说明了开合结构与普通结构在荷载取值和工况组合方面的区别;使用独立分析和协同分析两种结构方法计算分析结构,并且以三个方向的变形结果为依据,比较了两种方法,得出了独立分析比较可靠的结论。关键词:开合屋盖;大型屋盖结构设计;大型屋盖分析方法中图分类号:T U39313 文献标识码:A

Structural design of retractable roof structures

G UAN Fuling 1,CHE NG Y uan 1,Y U Y onghui 1,W U K aicheng 2,SHE N Peibei 2

(1.S pace Structure Research Center ,Department of Civil Engineer ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China ;

2.Architectural Design and Research Institute of Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )Abstract :Retractable roof structures have been used widely in building engineering ,especially in the field of large 2sized gymnasium and multipurpose sport centers.Structures with retractable roofs have many w ork conditions and s o they are different from conventional structures.This paper concisely introduces the general situation and structural form of a retractable roof structure for tennis stadium in Zhejiang province ,discusses the rail problem in design of the structure ,introduces the pulling method and its different loading cases in com paris on with conventional structures.In this project ,tw o kinds of structural analysis methods ,the separate analysis method and the cooperating analysis method ,have been com pared based on the results of the displacements in three directions.The conclusion is that the result obtained from the sparate method is safer.K eyw ords :retractable roof structures ;structural design of large 2sized roof ;analysis method of large 2sized roof

作者简介:关富玲(1945-　

),女,北京人,教授。收稿日期:2003年12月

1　引言

开合屋盖结构以其独特的魅力,在发达国家,尤其是在日本和美国得到了广泛的应用。而我国在开合屋盖结构的研究方面还处于起步阶段,关于开合屋盖结构研究的有参考价值的论文很少。尽管已经建成了简单的、较小跨度的开合屋盖建筑,如跨度4115m 钓鱼台国宾馆网球馆、上海浦东某游泳池等,但到目前为止还没有实现大型复杂开合屋盖结构零的突破。目前我国许多地区都有建造大型开合屋盖结构的想法和需求,

有的已经进行了建筑方案的准备工作,甚至到了扩初设计阶段。可以预见,在未来的几年,国内对开合屋盖结构的需求将更为强烈。

开合屋盖结构因其独特的使用功能,使得其设计过程极为复杂,本文结合一个正在设计的开合屋盖结构,分析开合屋盖结构在结构设计方面需特别考虑的几个问题。

2　工程概况

该工程是浙江省某网球中心的比赛馆,结构布置如图1所示,屋盖覆盖面积为39m 半径的球冠形,周边柱子布置在半径为3713m 的圆形平面上,大拱桁架根据建筑要求和建筑红线的限制,采用了一端落地,另外

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11第26卷第4期建　筑　结　构　学　报V ol.26,N o.42005年8月

Journal of Building Structures

Aug 12005

图1　开合屋盖结构布置图

Fig 11　S tructural plan of the tennis stadium

一端落在钢筋混凝土框架上,拱脚跨度为941

5m 。可动屋面布置在两个大拱桁架中央,完全打开的水平投影面积为24m ×35m (沿大拱方向),开启或闭合时间为20min 。

根据建筑方案的要求,该工程采用了难度最高的空间开合方式,轨道布置在两个大拱桁架顶部中央,两块可动屋面沿大拱方向开合。

3　结构设计中需要特别考虑的几个问

题

与传统的屋盖形式相比,开合屋盖结构的设计更为复杂,除了要考虑结构因素外,还要考虑机械系统、控制系统的影响。传统的屋盖结构各工种的设计是串行式的,而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,具体就是建筑方案、结构形式、开合方式和机械牵引系统是相互影响,相互制衡的。两者的设计流程示意见图2、3。

图2　传统屋盖结构设计流程图

Fig 12　Design process of conventional structures

图3　开合屋盖结构设计流程图Fig 13　Design process of retractable structures

311　开合屋盖的设计准则

虽然开合屋盖结构已经建成了两百多座,但总的说来开合屋盖结构还是处在起步阶段,有不少已建工程存在着这样或那样的问题,目前还没有任何关于这种结构的国家或地方的设计规范。开合屋盖设计的依据,结构方面主要是各国的建筑结构规范和表1所列的设计建议;机械设计方面国外主要参考表2所列的

起重标准,我国有《起重机设计规范》(G B 3811—83);此外还可参照已建工程[2]。

表1　开合屋盖结构的设计建议和指导方针

Table 1　Sugge stions and guide s for retractable roof structure s

I L 25开合屋顶1972,轻型结构研究所(斯图加特大学)

I L 212开合充气结构

1975,轻型结构研究所(斯图加特大学)空气支承结构设计建议

IASS 第7工作小组(马德里1985)开闭式屋盖结构设计指针1993,日本建筑协会开合膜结构设计指针

1997,日本膜结构协会

表2　部分外国的起重标准

Table 2　Crane standards of some foreign countrie s

DIN 15018Cranes 2S teel structures ,Verification and analyses BS 2573Rules for the design of cranes

FE M Federation Europeenne de la M anutention J IS 8821

S pecifications for the design of crane structures

网球中心的设计主要采用了我国的建筑结构规范,并参考日本建筑协会的《开闭式屋盖结构设计指针》,机械部分考虑到我国的机械制造及安装水平,主

要参考我国的《起重机设计规范》(G B 3811—83)。312　轨道系统的选取

开合屋盖结构的开合方式有三大类,开合方式的选取主要受建筑外形和使用功能的影响。对于最为复杂的空间移动方式,比较成熟的是轮轨+牵引索这样的行走系统。对于使用轮轨系统的开合屋盖结构,从机械方面考虑轨道的优先级依次是:水平的直轨道、倾斜的直轨道、曲线轨道、折线轨道。对于水平的直轨

道,在设计的时候可以直接套用桥式吊车的设计方法,安全、控制系统的设计也非常简单,这样的屋盖通常周边有女儿墙围绕,所以屋面的风荷载也比较简单。对于倾斜的直轨道,所需的牵引力比较大,以克服自重沿轨道的分量,在坡度比较缓的时候,可以部分参照矿山巷道运输系统的设计。对于曲线轨道这类空间移动方

式,牵引力要克服自重沿轨道的分量,而且存在的最大问题就是在移动过程中,若保持恒定的移动速度不变

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