一種斗型升降屏的鋼結構設計及分析

雷 鵬

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

1 概 述

隨著我國經濟、科技、社會的發展，體育運動產業所蘊含的巨大經濟功能和價值不斷顯現出來。體育運動產業作為一種“朝陽產業”，其所帶來的經濟增長在國民生產總值中的比重越來越大。體育場館是體育運動產業發展的重要物質基礎，是各項競技體育運動的訓練和比賽場地，是全民健身和社會交往的重要場所，也是一個城市和地區現代化建設成就的重要標志。體育場館建設的數量和質量，直接關系著體育運動的廣度和深度，關系著人們的生活質量，是衡量體育事業和社會經濟發展的重要尺度。因此，體育場館的建設越來越被各級政府所重視[1-2]。

體育場館的中央懸掛顯示系統——斗型屏是體育場館多媒體信息顯示、交互的重要載體，主要完成電視轉播、計時記分顯示、信息發布以及廣告投放等多媒體信息的分發顯示，是整個場館顯示系統的核心。

傳統的斗形屏一般自上而下由上環屏、八面屏、中環屏、四面屏及下環屏這5 組屏組成，其圍成的圓或多邊形的直徑由上而下縮小，側面看形如漏斗，因此也叫漏斗屏。斗形屏主要用于籃球館、冰球館等體育館，懸掛于場地中央上空，懸掛高度是固定的，需要給比賽留出足夠空間[3]。

本文的研究依托于某省體育館，斗型升降屏是該體育館的中央懸掛顯示設備。本系統設計的最大亮點就是斗型屏設計為可升降式的，主要有以下幾個優點。

斗形屏采用多臺同步環鏈電動葫蘆升降傳動系統，可以根據不同的商業運作（如球類賽事、演藝場效、展視、發布及各類商業運營）需求，調整斗形屏在體育館中的懸掛高度，有力地拓展了體育館的運營功能和場景。

斗形屏與體育館內主體鋼構實現柔性分離，有效地達到結構體的整體承載性能與LED 屏體的形位受力安全，增加了整個系統的可靠性和抗震性能。

系統維護時，可將斗型屏下降到距離地面1 m處，提高了系統維護的便捷性。

2 設計要點及標準

2.1 結構設計要點

基于體育館的實際情況和運營需求，本文的設計主要有以下要點。

（1）安全第一，在滿足斗形屏金屬結構框架強度的情況下，采用優質國標輕鋼型材，對屏體在多種靜止和運行狀態的受力進行分析，取值大于5 ～10 倍的安全系數進行設計。

（2）金屬鋼結構框架采用功能分解方式，部件工廠專用精密金工平臺生產、組合、調試，現場組合安裝，使各組合部件的產品品質得到有效的生產保證。

（3）斗形屏的鋼結構與體育館內主體鋼構實現柔性分離，斗型屏鋼結構上的4 個主吊點通過電動葫蘆鎖鏈吊裝到體育館的主體鋼構上，四周裝有4個手動保護鎖鏈連接到主體鋼構上，以增加系統的安全性能。

2.2 設計依據與標準

本文的設計主要參考以下標準和文獻：《鋼結構設計標準(附條文說明[另冊])》（GB 50017—2017），《劇場建筑設計規范》（JGJ 57—2016），《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012），《機械設計手冊》以及《起重機械安全規程 第1 部分：總則》（GB 6067.1—2010）。

3 鋼結構設計

斗型屏采用三層結構設計，如圖1 所示。上層計分屏為8 塊（3.2 m×2.4 m）全彩室內LED 比分顯視屏，中層為文字屏，屏尺寸為26.88 m×0.64 m，是1 塊環形屏；下層為視頻屏，由4 塊尺寸為5.76 m×3.2 m 的LED 組成。

圖1 斗型屏的分層組成

本結構采用鋼結構框架斜撐及平面桁架體系。該結構總高度6.11 m，鋼結構總重4.3 t，所有桿件采用軋制方鋼管。本結構設計安全等級為二級，設計使用年限為50 年。結構為室內鋼索吊掛結構，故不考慮風荷載、雪荷載作用。

所有的構件材料均采用鋼Q345B。Q345B 鋼的焊接采用E50 型焊條。當采用自動焊（或CO2 保護焊）時，應選擇與鋼材相匹配的專用焊絲與焊劑。兩種不同強度等級的鋼材焊接時，采用與強度等級較低的鋼材匹配的焊接材料。

3.1 總體結構

總體結構分為四部分，如圖2 所示。其中，井字型框架及支撐是主承力件，是斗屏結構的結構主體；上屏桁架、中屏桁架及下屏桁架分別焊接在井字型框架及支撐上，用來安裝計分屏、環形文字屏及視頻屏。

圖2 斗型屏的總體結構

3.2 井字型框架及支撐

井字型框架及支撐的結構形式如圖3 所示。

圖3 斗型屏的井字型框架及支撐結構

井字型框架及支撐主要用3 種鋼件型材。其中，豎直方向的主承重結構構件用RHS170×140×4規格的型材，水平方向的承重結構構件用RHS140×140×4 規格的型材，斜向的結構構件直接框架用RHS40×40×3 規格的型材。結構構件各個部分的型號如圖4 所示。

圖4 井字型框架及支撐的構件長度

3.3 上屏桁架

上屏桁架的結構形式如圖5 所示。

圖5 上屏桁架的結構

井字型框架及支撐主要用2 種鋼件型材。其中，上下外圈的主框架結構構件用RHS40×40×3 規格的型材，中間連接加強的結構構件用RHS30×30×3規格的型材。結構構件各個部分的型號如圖6所示。

圖6 上屏桁架的構件長度

3.4 中屏桁架

中屏桁架的結構形式如圖7 所示。

圖7 中屏桁架的結構

井字型框架及支撐主要用2 種鋼件型材。其中，上下外圈的主框架結構構件用RHS40×40×3 規格的型材，中間豎向連接的結構構件用RHS30×30×3規格的型材。結構構件各個部分的型號如圖8 所示。

圖8 中屏桁架的構件長度

3.5 下屏桁架

下屏桁架的結構形式如圖9 所示。

圖9 下屏桁架的結構

井字型框架及支撐主要用2 種鋼件型材。其中，上下外圈的主框架結構構件用RHS40×40×3 規格的型材，中間連接加強的結構構件用RHS30×30×3 規格的型材。結構構件各個部分的型號如圖10 所示。

圖10 下屏桁架的構件長度

斗型屏鋼結構之所以設計成這種形式，是考慮到工程實際情況。鋼結構總體尺寸過于龐大，如果在加工廠制作焊接完成，則會出現運輸成本過大和鋼結構無法進入體育館內的問題。因此，先在加工廠把每一根鋼構型材根據實際的尺寸切割好，然后在體育館施工現場進行拼裝焊接。施工時，先把井字型框架、上屏桁架、中屏桁架及下屏桁架這4 部分分別拼裝焊接成一個整體鋼構件，然后再把上屏桁架、中屏桁架及下屏桁架吊裝焊接到井字型框架上，最后再把支撐梁焊接到主體鋼構件上，完成組裝焊接。

4 模型的分析與計算

本方案采用目前國內外通用的有限元設計分析軟件Sap2000 進行結構分析與計算。Sap2000 是結構分析與設計的通用有限元計算軟件，自誕生以來，已經成為結構分析與設計方法的最經典的工具。Sap2000 軟件采用有限元分析技術，能夠基于中國規范進行線性、非線性分析、動力地震分析及靜力Pushover。Sap2000 軟件已有30 年的研發歷史，計算快捷，分析結果合理可靠，其權威性和可靠性得到了業界的一致肯定[3-5]。本項目基于Sap2000 V15版本，對Sap2000 軟件的計算結果進行了復核計算，最終確定分析模型。

4.1 模型的建立

首先建立模型，如圖11 所示。

圖11 鋼結構的建模

4.2 輸入載荷

斗型升降屏系統各部分質量統計如表1 所示。

表1 斗型屏系統各部分質量統計表

整個斗型屏總質量為9.8 t。把將斗型屏各個節點的荷載轉換為集中荷載，施加到桁架節點上，各個節點的載荷如圖12 所示。

圖12 鋼結構各個節點的載荷

4.3 分析計算

經過分析計算，得到各個部分的軸力圖如圖13—圖16 所示。

圖13 井字形框架及支撐軸力圖

圖14 上屏桁架軸力圖

圖15 中屏桁架軸

圖16 下屏桁架軸力圖

軸力圖各個節點上的數字表示此桁架節點上產生的應力。其中，藍色的是正值，代表的是壓力；紅色的是負值，代表的是拉力，單位為N。

由此得到的應力比云圖如圖17—圖20 所示。

圖17 井字形框架及支撐應力比云圖

圖18 上屏桁架應力比云圖

圖19 中屏桁架應力比云圖

圖20 底屏桁架應力比云圖

應力比指的是試件循環加載時的最小載荷與最大載荷之比（或者試件最小應力與最大應力之比）。由結果顯示，各個桿件應力比均未超過0.1，表明該結構具有較高的安全系數。

4.4 模態分析

模態分析是研究結構動力特性的一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比及模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得。這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析[6]。本設計利用大型有限元軟件Sap2000 進行了模態分析，取前6 階進行分析。由于在比例系數為1 的情況下結構變形非常小，故將結構的變形擴大為500 倍，以方便觀察。其中f為頻率，即在此模態下的特定的固有頻率，T為幅值傳遞比，即振動系統在此模態下受迫振動時，響應幅值與外加激勵幅值的比值。

圖21 第1 階模態（T=0.067 78，f=14.753 96）

圖22 第2 階模態（T=0.067 08，f=14.907 59）

圖23 第3 階模態（T=0.050 73，f=19.713 99）

圖24 第4 階模態（T=0.049 23，f=20.314 00）

圖25 第5 階模態（T=0.039 26，f=25.470 34）

圖26 第6 階模態（T=0.038 48，f=25.989 73）

在此過程中，產生的節點位移如表2 所示。整個鋼結構中一共有610 個節點，由于篇幅限制，只列舉了其中一部分數據。其中，U1代表X軸方向位移，U2代表Y軸方向位移，U3代表Z軸方向位移。

表2 各個節點的位移統計表

由表2 中的數據可知，各個節點的位移量均小于0.1 mm，所產生的形變極小，符合設計要求，整個鋼結構有極高的安全性能。

4.5 工程實現

本系統依托于某省體育館，經過現場施工單位及監理單位的不懈努力，工程已經全部完成驗收并交付甲方使用。

該體育館已經在2021 年秋正式投入運營，是該省最大的、技術性能最強的室內運動場館，填補了該省大型綜合性體育館的空白，極大地改善了該省體育運動訓練和全民健身條件，取得了極好的經濟效益和社會效應。該體育館內斗型升降屏實體如圖27 所示。

圖27 斗型升降屏實體圖

5 結 語

本文系統地介紹了一種斗型升降屏的主體鋼結構設計及其受力分析和模態分析，并運用于工程實踐。現代斗形屏的設計是“機械、鋼構、娛樂”三大類不同學科相融一體的一項邊緣工程，設計中也存在著“剛性鋼構與LED 屏體柔性的安裝”及“兩種不同效應鋼構之間的有效聯接和傳導”等問題。本文的設計有效地解決了斗形屏設計制造和運行中的應力效應釋放問題，并為多點輕便升降傳動系統提供了負載平臺和準確的垂直定位質量，可以為其他類似的工程設計與實踐提供參考。