開合屋蓋行走機械系統結構載荷的研究

摘要:本文結合實例探討開合屋蓋機械傳動類型，介紹了目前建成的開合屋蓋的行走機械結構載荷的分析方法，并對其進行了分析。

關鍵詞:開合屋蓋 行走機械 結構載荷

0 引言

目國際上已建成二百余座開合屋面建筑，為當地帶來了很好的經濟和社會效益。而我國對開合結構的研究還處于起步階段，國內已建成的數座小跨度開合屋蓋建筑結構形式，開合機理較為簡單。隨著經濟技術的發展，我國許多地區開始有了建造大型開合屋蓋結構的想法和需求，有的已進入設計和施工階段。

在施工方面，開合屋蓋對施工機械提出了更高的要求。對于采用輪軌系統的開合屋蓋結構，軌道的安裝精度隊伍定的運行性能有直接的影響[1]。軌道不平整將會引起行走臺車上浮，可動部件蛇形運動而使屋頂左右搖晃、上下振動，甚至因行走臺車車輪反力不均勻而引起車輪空轉、脫軌等事故。由此可見，在未來的幾年內對這種機械進行深入系統的研究刻不容緩。

1 行走機械系統結構載荷的分析

開合屋蓋結構的實現是把一個完整的屋頂結構按照一定的規律分成幾個可動的固定單元，采用適當的機械技術，使可動的單元按照預期的軌跡移動，達到屋頂開合的目的。開合屋蓋的建筑結構形式決定了它的開合方式，開合屋蓋的移動方式有水平移動方式、空間移動方式、繞豎軸旋轉方式和組合移動方式四種。其中，空間移動方式是開合屋蓋結構最近的發展趨勢。可動屋面沿著有坡度的曲線軌道移動，由于可動屋面的自重將產生一定的移動阻力，所以可動屋面一般面積不會太大，其采用輕型屋面材料為主，且能滿足建筑外形的美觀需要，所以越來越受到青睞。

可動屋蓋的運動軌跡越簡單越好，移動方式種類越少越好，多種運動形式組合會大大增加傳動機械部分的技術難題及機械故障發生率。驅動方式應根據屋蓋系統及載荷情況綜合確定，驅動與機械要簡單，可動部分盡量少，優先采用已有的可靠技術。

1.1 開合屋蓋機械傳動類型 在開合屋蓋的應用實例中，類似起重機結構的驅動方法較為常見。這是由于起重機設計技術成熟、可靠，能夠保證可開合屋蓋的功能，通過查詢、提取和調整實例庫中同類建筑的求解方法，來獲得當前建筑的求解方法。開合屋蓋中機械系統的核心是其行走功能的實現，由行走功能的需求轉化為運動行為需要對機械傳動系統求解，最后轉化為物理結構一即確定各種傳動機構。這種方法把運動行為作為實現功能一結構的橋梁。成功用于開合屋蓋的機械傳動類型有以下幾種:①電力傳動。以電機驅動輪組，輪子在水平的軌道上移動。②纜繩傳動。通過纜繩拉動臺車在上升或下降軌道上移動。③齒輪傳動。驅動齒輪在齒條軌道上移動帶動屋蓋移動。④液壓傳動。千斤頂用于驅動移動屋蓋。

在諸多的驅動方式中如表2-1，由于電機、輪驅動方式方式可靠性高，技術最為成熟，造價較低;是最多采用的驅動方式[2]。

1.2 行走機械結構載荷的分析方法 開合屋蓋行走裝置的作用是使可動屋蓋沿著規定的方向移動，并把可動屋蓋的載荷傳遞到下部支承結構上。行走裝置的受力是由開合屋蓋的受力特點決定的，同時行走屋蓋的結構形式也決定了上部可動屋蓋的邊界條件，影響可動屋蓋的受力性能。

同類開合屋蓋的行走機械系統的結構載荷具有一定的規律性，雖然無法有具體的數學公式來表達這一規律性，但是可以找出結構載荷的與主要結構影響因素的關系。當結構影響因素變化時，便可以通過所得出的規律進行結構載荷的分析。因此，采用結構比擬的方法，將具體的結構近似等效為規則結構，建立規則結構力學模型，而后進行修正。如圖2-1所示。

1.3 行走機械系統結構載荷 由行走機械系統的輪軌約束可知，在沿軌道界面上，開合屋蓋沿導軌垂直和側向的變形受到行走機械系統的約束，即開合屋蓋在機械系統的輪軌約束下變形。作為移開合屋蓋支座，行走臺車將產生很大的支反力，即機械系統的輪軌約束將阻礙開合屋蓋結構的變形，行走機械系統將受結構載荷的作用。

開合屋蓋兩側的軌道的變形在以下等因素的作用下產生:基礎沉降;屋蓋自重載荷;風、雨、雪等外部載荷;熱變形;安裝誤差和焊接收縮等。

下面就行走機械系統因開合屋蓋變形收到的結構載荷進行分析:

開合屋蓋通常由兩片球面屋蓋組成，其中，兩邊外側的供肋上有兩臺行走支承臺車，不設牽引驅動裝置;中間兩道主供各設五臺行走支承臺車，同時各設兩套牽引驅動裝置;與之相鄰的兩道主供各設四臺臺車，各設兩套牽引驅動裝置。

垂直方向的變形造成兩側產生一定的高度差，從而使得移動屋蓋做彎曲變形，在輪軌副的約束下，機械系統受到如圖2-2所示的載荷。其中開合屋蓋支點施加了彎矩M1力F，行走導軌施加了彎矩M2和力N，測向導軌施加了靜摩力f和彎矩M3，整個系統是一個超靜定系統。

側向的變形使得移動屋蓋處于側向受拉或受壓狀態，機械系統受到如圖2-3所示的載荷。其中移動屋蓋支點施加了載荷F，行走導軌施加了一個靜摩擦力f和一支持力N1，側向導軌施加了一支持力N2，側相變形的原因之一是溫度變形，因此側向變形時所受的結構載荷可通過溫度應力的計算方法近似計算[3]。

通常，建筑系統往往會同時出現垂向和側向的變形，可以看成是上面所述的兩個方向受載的疊加。因此我們計算分析時，可把各種變形分解為垂向和側向兩個分量，然后計算所受結構載荷，作為機械系統設計和驗算的依據。開合屋蓋拼裝完成后，對每一臺行走臺車的實際承載，逐一進行測量，并進行臺車載荷的初始化重新調整，使每一臺行走機械的實際承載基本均勻。對整個開合屋蓋進行進行整體聯動調試，以確保個部分工作均達到設計的要求，且運行工況均勻準確。

1.4 行走機械結構載荷的影響因素 影響行走機械系統結構載荷的因素有:開合屋蓋的結構形式，行走機械的約束形式和開合屋蓋的變形量[4]。開合屋蓋的結構形式決定屋蓋變形的力學性能，開合屋蓋剛度越大則結構載荷越大。機械系統系統的輪軌約束決定了開合屋蓋變形的邊界條件，從而決定了開合屋蓋的變形類型。當開合屋蓋的結構形式和機械系統的約束確定以后，開合屋蓋的變形量決定了結構載荷的大小。

2 結束語

21世紀我國的經濟穩步快速發展，科學技術水平逐步提升，這位中國的建筑師和機械工程師提供了一個廣闊的舞臺，提供了設計開合屋蓋這一建筑藝術品的機會。開合屋蓋建筑使我國城市建設、城市文化出現這樣新的都市亮點，開合屋蓋技術得到越來越多的運用。

參考文獻:

[1]謝飛，瀟然，張河新.開閉屋頂結構及其驅動控制形式的綜合分析[J].建筑科學.2007(9).

[2]余永輝.開合屋蓋結構的設計[D].杭州:浙江大學，2004.

[3]徐風波.HRBS00級鋼筋混凝土集正截面受力性能試驗及理論研究[D].2007.

[4]關富玲，楊治，程媛，楊大彬.杭州黃龍體育中心網球館開合屋面設計[J].2005(02).