某大型體育場館開合屋蓋變形監測及分析

賈培軍 樊改榮

(1.內蒙古科大建筑設計有限責任公司，內蒙古 包頭 014010; 2.內蒙古第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭 014010)

1 概述

1.1 開合屋蓋結構特點

開合結構[1]與靜態建筑結構相比，開合屋頂的組成結構極大地影響了開合屋蓋的受力情況。開合屋蓋結構的屋頂是由若干個單元組成的，在開合的過程中各屋蓋又要進行運動以實現開合的功能，屋蓋的開合運動過程中的不同位置及狀態下，由于受到風、溫度、雪、軌道行走狀況速度及地震等不可預知力的影響，其受力和受載狀態是復雜的。

1.2 開合屋蓋荷載情況

開合屋蓋結構除了承受一般建筑都有的恒、活荷載外，在屋面移動的過程中，還要承受一些軌道運行中的特殊荷載如啟動、剎車荷載、軌道荷載作用[2]，這與起重機的荷載十分相似，所以，開合屋蓋特殊荷載可以參考起重機設計規范的荷載來確定，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。但對于靜止狀態的可動屋蓋設計荷載[3]需考慮周全，確定下來的荷載組合與常規結構類似，但要特別注意運動狀態。

2 開合屋蓋工程應用

2.1 工程概況

某體育場占地6.26萬m2，設有35 107個觀眾席，體育場采用開合屋蓋結構，體育場開合屋蓋的最大開啟面積為10 076.2 m2。該體育場采用巨拱鋼索與空間桁架聯合作用的結構體系，可以解決吊索間距小帶來的固定屋蓋在運行過程中產生的變形問題。體育場的開合屋蓋單片重達500 t，軌道兩側的臺車支承由鋼絲繩牽引，屋蓋結構采用的是輕型管桁架結構，屋面材料采用PTFE膜結構，可以有效的適應屋蓋出現的變形。

2.2 開合屋蓋結構設計的基本情況

開合屋蓋主要由兩個單元塊組成，在中間直線相交，閉合時可與固定屋蓋完全吻合。開合屋蓋最大可開啟尺寸的水平投影，長為113.524 m、寬為88.758 m，處于全閉、全開狀態時重心處的圓弧角分別為5.88°,15.11°。單片開合屋蓋的結構自重(含膜結構)約為500 t。

每片開合屋蓋沿跨度方向共設置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應。邊桁架作為主桁架的支承結構，每片開合屋蓋兩側各有7輛臺車安裝在邊桁架下方，通過臺車和軌道等部件的協同作用將開合屋蓋的荷載傳至固定屋蓋。

開合屋蓋結構布置如圖1所示，開合屋蓋臺車位置如圖2所示，單個臺車自重約5 t。

3 開合屋蓋開閉合變形監測

3.1 開合屋蓋受力分析

某體育場單片活動屋蓋由14個臺車支撐，屬于超靜定支撐結構，臺車支反力的分布情況受多方面因素的影響，比如臺車的分布位置及拱架、活動屋蓋的剛度及形狀尺寸都會影響臺車支反力的分布。在結構自重的作用下，拱架及活動屋蓋不僅會產生一定的縱向變形，同時還會產生橫向推力，伴隨縱向變形的發展，垂直于拱架(主桁架)方向的圓弧半徑增大，有向兩側伸展的趨勢，在橫向推力的作用下，臺車節點與固定拱架就會出現不同步的橫向變形。相對于活動屋蓋與固定屋蓋的兩個方向的變形來說，活動屋蓋的運行位置不同，對應的變形也會不同，當屋蓋處于全閉的狀態時取到變形的最大值。施工過程中，由于溫度荷載等多種因素的影響，活動屋蓋的臺車節點與固定屋蓋拱架(主桁架)在縱向和橫向也會產生附加的位移。為了確保安全，特對主桁架、環桁架以及活動屋蓋的變形量進行監測。

3.2 主桁架、環桁架變形測量

固定屋蓋的幾何形態為球面，外徑359.5 m，鋼結構由2榀主桁架、34榀次桁架、四周環向桁架組成。監測分為主桁架合龍前、主桁架合龍后至支撐拉索張拉、活動屋蓋調試、運營期4個階段。

主桁架初次監測2010年5月19日，末次監測2012年4月4日，期間共監測48次。環桁架初次監測2010年6月15日，末次監測2012年4月4日，共監測39次。監測周期在施工期間，每周觀測1次，或根據施工需要進行觀測；運營期2月1次。監測方法采用05″級全站儀SOKKIA NET05極坐標法觀測，測量監測點的三維坐標A,B,H。

3.3 主桁架數據分析

主桁架南北、東西及垂線方向的變形曲線如圖3所示。

主桁架結構的主要變形出現在臨時支撐拆除和拉索張拉調試的施工過程中，2010年12月19日以后，主桁架的變形主要有兩個方面：

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

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

主桁架結構變形滿足設計要求。

3.4 環桁架數據分析

環桁架的南北、東西及垂線方向的變形曲線如圖4所示。

環桁架結構的主要變形出現在拉索張拉調試的施工過程中，2010年12月19日以后，環桁架的變形主要受季節的影響，夏季到冬季，環桁架向內收縮20 mm；在屋蓋開合的過程中，桁架變形不明顯。

3.5 活動屋蓋變形測量

活動屋蓋開啟面積10 087 m2，由兩個單元塊組成，在中間直線相交，活動屋蓋主桁架跨度為88 m,長114 m。每個單元塊由4榀橫向主桁架、2榀縱向主桁架及縱向兩側邊桁架組成。

兩塊活動屋蓋各設1個監測點，如圖5所示，監測工作從2010年11月19日，巨拱完全合龍，至2012年4月4日，屋蓋調試期跟蹤監測，運營期2月1次，共進行18次監測。采用05″級全站儀SOKKIA NET05極坐標法觀測，測量監測點的三維坐標A,B,H。

兩個測點的變形量統計見表1。

表1 活動屋蓋開合過程東西方向位移量統計表

屋蓋開合過程中，東西方向最大位移量63 mm，在臺車調整范圍內，屋蓋可以正常開合。

通過對主桁架、環桁架以及活動屋蓋的變形曲線和變形數據進行分析，得出主桁架、環桁架以及活動屋蓋的變形量在正常范圍，滿足設計要求。開合屋蓋的施工安裝能夠確保整個開合屋蓋工程使用的穩定性和安全性，也能夠滿足體育場工程的設計規范要求。

4 結語

對主桁架、環桁架以及活動屋蓋進行測點布置，定期采用05″級全站儀SOKKIA NET05并利用極坐標法進行觀測監測，然后通過對主桁架、環桁架以及活動屋蓋的變形量進行統計,并對其變形曲線和變形數據進行檢測和分析，得出主桁架、環桁架以及活動屋蓋的變形量在安全允許的范圍內，開合屋蓋施工設計能確保整個開合屋蓋工程使用的穩定性和安全性，滿足體育場工程的設計規范要求。

[1] 陳志華．開合結構[J]．建筑知識，2001(1)：37-40,63-64．

[2] 秦乃兵．大跨度開合網格結構的動力相互作用分析[J]．工程建設與設計，2005(12)：45-46．

[3] 賀擁軍．巨型網格開合屋蓋靜力與穩定性能研究[J]．湖南大學學報，2009(4)：24-28．