中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
[摘 要] 開合屋蓋體育場是建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、控制技術(shù)的集成。針對不同開合屋蓋，其機(jī)械系統(tǒng)一般采用：卷揚(yáng)機(jī)牽引式、承載臺車自驅(qū)式、繞樞軸轉(zhuǎn)動式和齒輪齒條驅(qū)動式。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，對開合屋蓋承載系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，為今后相關(guān)工程的實(shí)踐提供參考。
[關(guān)鍵詞] 開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)；卷揚(yáng)機(jī)牽引；自驅(qū)式；繞樞軸轉(zhuǎn)動；開合屋蓋體育場機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用探討
1 引言
開合建筑結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)的建筑分為可動單元和固定單元，通過機(jī)電系統(tǒng)承載可動單元按預(yù)定軌道移動，從而實(shí)現(xiàn)不同的開合形式。
開合建筑結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在橋梁、體育場、步行街、娛樂中心、廠房等領(lǐng)域。其中應(yīng)用最廣泛的是開合屋蓋體育場，與常規(guī)體育場相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是：
（1）不受惡劣天氣影響保證比賽順利進(jìn)行；
（2）滿足全天候使用要求，人與自然和諧統(tǒng)一；
（3）減少照明與通風(fēng)設(shè)備，節(jié)能環(huán)保綠色運(yùn)營；
（4）吸引觀眾提高入座率，增加收益。
2 典型開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)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(zhuǎn)、空間移動、繞樞軸轉(zhuǎn)動等。開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)主要包括：承載系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、檢測控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)。
結(jié)合工程實(shí)例，現(xiàn)介紹幾種國內(nèi)外最新的開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)。
2.1 卷揚(yáng)機(jī)牽引系統(tǒng)
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(dá)251m。
兩片活動屋蓋采用卷揚(yáng)機(jī)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(yáng)機(jī)牽引系統(tǒng)組成
2.1.2 機(jī)械系統(tǒng)組成
（1）承載系統(tǒng)：兩片屋蓋由28部臺車支撐，每部臺車裝有液壓調(diào)整系統(tǒng)；
（2）驅(qū)動系統(tǒng)：采用4套雙倍率卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動，卷揚(yáng)機(jī)電機(jī)功率110kw；
（3）控制系統(tǒng)：位移、轉(zhuǎn)速、壓力閉環(huán)檢測，變頻同步控制；
（4）安全系統(tǒng)：鎖銷、車檔等。
2.1.3 關(guān)鍵技術(shù)
（1）屋蓋開合運(yùn)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(diào)整機(jī)構(gòu)，針對此工況，臺車豎向調(diào)整采用一個能承受支點(diǎn)荷載150t，位移調(diào)整50mm的超高壓千斤頂結(jié)構(gòu)，此超高壓油缸只需用手動液壓泵進(jìn)行控制調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載可靠、調(diào)整方便的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)；
（2）臺車行走過程中采用雙液壓缸適時對側(cè)向位移進(jìn)行調(diào)整，防止側(cè)向卡軌；
（3）通過對卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速、鋼絲繩拉力、臺車位移的檢測反饋，保證兩側(cè)軌道牽引同步；
（4）機(jī)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(tǒng)內(nèi)設(shè)有油液加熱裝置，保證系統(tǒng)可靠性、耐久性。
鄂爾多斯東勝體育場開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的機(jī)電液技術(shù)，通過實(shí)時檢測、反饋、控制、驅(qū)動系統(tǒng)，保證開合屋蓋正常、可靠工作見圖3`4。
2.2 自驅(qū)式系統(tǒng)
2.2.1 工程概況
昆山游泳館網(wǎng)球場工程總建筑面積24145 m2，網(wǎng)球館開啟面積6525m2，屋面桁架跨度66m。
2.2.2機(jī)械系統(tǒng)組成
網(wǎng)球館活動屋蓋在兩條水平軌道上運(yùn)行，每條軌道上有4部臺車承載驅(qū)動，在軌道梁端部裝有緩沖限位裝置。
圖3 自驅(qū)式機(jī)械系統(tǒng)組成
圖4 昆山網(wǎng)球館活動屋蓋施工圖
2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)
（1）臺車采用后輪驅(qū)動，通過變頻調(diào)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(lián)接處采用被動調(diào)整，安裝關(guān)節(jié)軸承釋放彎矩，側(cè)向采用位移緩沖裝置；
（3）開合屋蓋由減速電機(jī)上的電機(jī)制動器、電動推桿式的插銷結(jié)構(gòu)、前后車檔、監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成安全系統(tǒng)；
該機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，既能保證順利開合運(yùn)行，又可減小維護(hù)、保養(yǎng)費(fèi)用，性價比較高。
2.3 繞樞軸轉(zhuǎn)動系統(tǒng)
2.3.1工程概況
上海旗忠網(wǎng)球中心屋蓋采用8片可繞各自樞軸轉(zhuǎn)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(nèi)懸挑61.5m，屋蓋總質(zhì)量約為1440t。
圖5 上海旗忠網(wǎng)球中心
2.3.2 機(jī)械系統(tǒng)組成
旗忠網(wǎng)球中心在固定環(huán)梁上安裝8套開合屋蓋機(jī)械傳動系統(tǒng)，每套系統(tǒng)組成如下：
（1）承載系統(tǒng)：1根固定轉(zhuǎn)軸、3部臺車、3個同心旋轉(zhuǎn)軌道；
（2）驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動鏈輪、鏈條、平衡論；
（3）控制系統(tǒng)：同步控制、故障檢測系統(tǒng)；
（4）安全系統(tǒng)：緩沖器、插銷裝置。
2.3.3 關(guān)鍵技術(shù)
（1）每片懸挑屋蓋通過臺車、同心軌道采用3點(diǎn)支撐，降低了屋蓋結(jié)構(gòu)加工、拼裝難度；
（2）轉(zhuǎn)動心軸采用關(guān)節(jié)軸承聯(lián)接，軸承內(nèi)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(chǎn)生的彎矩和扭矩；
（3）驅(qū)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(bǔ)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(qū)動軸采用花鍵連接，間隙配合，可沿軸向運(yùn)動，補(bǔ)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(dāng)關(guān)閉狀態(tài)時，屋蓋葉瓣是懸臂結(jié)構(gòu)，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(wǎng)球中心開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)把傳統(tǒng)機(jī)械、結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析仿真相結(jié)合，把復(fù)雜問題簡單化、分解處理，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械一體化開合技術(shù)，值得借鑒。
圖6 繞樞軸轉(zhuǎn)動剖視圖
圖7 活動屋蓋承載臺車
2.4 齒輪齒條系統(tǒng)
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(jié)構(gòu)，寬度290m,長度128m，每側(cè)有9個支撐點(diǎn)，兩側(cè)共18個支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)的最大計算載荷為1100噸，側(cè)支撐點(diǎn)最大載荷為500噸，運(yùn)行行程約140 m。
2.4.2 機(jī)械系統(tǒng)組成
每片活動屋蓋由18臺運(yùn)行小車支撐，每側(cè)在水平地面布置4根重型軌道，豎直墻面布置2根導(dǎo)向軌道，如圖8~9。
圖8 阿布扎比體育場圖
9 齒輪齒條驅(qū)動臺車
單片屋蓋每側(cè)主要機(jī)械系統(tǒng)組成如下：
（1）承載系統(tǒng)：9臺支撐小車、4根重型軌道、2根導(dǎo)向軌道；
（2）驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動小車、齒輪齒條、連接梁；
（3）控制系統(tǒng)：現(xiàn)場實(shí)時全自動控制、智能型手動可控制；
（4）安全系統(tǒng)：聯(lián)鎖功能、防風(fēng)檢測、故障診斷。
2.4.3 關(guān)鍵技術(shù)
（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(qū)動臺車的同步性，采用齒輪齒條精確嚙合方式，見圖11。
（2）驅(qū)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(yīng)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(jié)構(gòu)支點(diǎn)彎矩；見圖10。
（4）控制系統(tǒng)設(shè)置多級聯(lián)鎖、故障診斷、自動排除功能，提高了系統(tǒng)可靠性；
（5）采用變頻同步控制系統(tǒng)，即可對位移控制，也可對速度進(jìn)行控制，并在運(yùn)行中采用實(shí)時監(jiān)控，進(jìn)行安全保護(hù)。
圖10 承載臺車剖視圖
圖11 齒輪齒條驅(qū)動臺車平面圖
3 結(jié)論
采用何種開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)首先取決于活動屋蓋的移動方式和整體結(jié)構(gòu)形式，一般卷揚(yáng)機(jī)牽引方式適用于對驅(qū)動轉(zhuǎn)矩比較大的空間移動屋蓋；自驅(qū)式機(jī)械系統(tǒng)主要用于水平軌道，驅(qū)動力主要克服摩擦阻力；繞樞軸轉(zhuǎn)動機(jī)械系統(tǒng)一般用于水平旋轉(zhuǎn)開合移動方式，且結(jié)構(gòu)跨度比較小；齒輪齒條驅(qū)動方式對軌道精度要求比較高，當(dāng)需要保證活動屋蓋結(jié)構(gòu)沿軌道方向變形比較小、同步性較高時使用。
同時機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)主要有4大部分:1、建筑結(jié)構(gòu)提供的支座反力標(biāo)準(zhǔn)值，決定機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度；2、開合條件下的綜合荷載，決定驅(qū)動系統(tǒng)的功率、轉(zhuǎn)矩；3、建筑結(jié)構(gòu)形式、剛度、撓度、施工方法，決定機(jī)械系統(tǒng)適應(yīng)性調(diào)整自由度和位移值；4、開合條件和環(huán)境要求，決定控制策略等。開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、施工人員應(yīng)與建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)緊密配合，無間隙的溝通反饋，把現(xiàn)代設(shè)計仿真技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計方法相結(jié)合，對設(shè)計、施工、運(yùn)行、失效、維護(hù)全過程進(jìn)行分析，這樣才能保證開合屋蓋系統(tǒng)整體的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、適應(yīng)性。
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[作者簡介] 張鋒（1985-），男，江蘇南通人，浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司工程師，碩士，建筑機(jī)械工程
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