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[摘 要] 開(kāi)合屋蓋體育場(chǎng)是建筑、結構、機械、控制技術(shù)的集成。針對不同開(kāi)合屋蓋，其機械系統一般采用：卷?yè)P機牽引式、承載臺車(chē)自驅式、繞樞軸轉動(dòng)式和齒輪齒條驅動(dòng)式。本文結合具體工程實(shí)例，對開(kāi)合屋蓋承載系統、驅動(dòng)系統、檢測控制系統、安全系統進(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(kāi)合屋蓋機械系統；卷?yè)P機牽引；自驅式；繞樞軸轉動(dòng)；開(kāi)合屋蓋體育場(chǎng)機械系統應用探討

 
      1 引言
      開(kāi)合建筑結構是將傳統的建筑分為可動(dòng)單元和固定單元，通過(guò)機電系統承載可動(dòng)單元按預定軌道移動(dòng)，從而實(shí)現不同的開(kāi)合形式。
      開(kāi)合建筑結構主要應用在橋梁、體育場(chǎng)、步行街、娛樂(lè )中心、廠(chǎng)房等領(lǐng)域。其中應用最廣泛的是開(kāi)合屋蓋體育場(chǎng)，與常規體育場(chǎng)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(mǎn)足全天候使用要求，人與自然和諧統一；
      （3）減少照明與通風(fēng)設備，節能環(huán)保綠色運營(yíng)；
      （4）吸引觀(guān)眾提高入座率，增加收益。
      2 典型開(kāi)合屋蓋機械系統介紹
      按照開(kāi)合屋蓋不同的移動(dòng)方式，主要分為：水平移動(dòng)、水平旋轉、空間移動(dòng)、繞樞軸轉動(dòng)等。開(kāi)合屋蓋機械系統主要包括：承載系統、驅動(dòng)系統、檢測控制系統、安全系統。
      結合工程實(shí)例，現介紹幾種國內外最新的開(kāi)合屋蓋機械系統。
      2.1 卷?yè)P機牽引系統
      2.1.1工程概況
      鄂爾多斯東勝體育中心，如圖1~2。開(kāi)啟面積為9,300?，軌道梁拱最大跨度達251m。
      兩片活動(dòng)屋蓋采用卷?yè)P機牽引對拉的方式，單片屋蓋重量為700t。

圖1 鄂爾多斯東勝體育場(chǎng) 



圖2 卷?yè)P機牽引系統組成
 

    2.1.2 機械系統組成
      （1）承載系統：兩片屋蓋由28部臺車(chē)支撐，每部臺車(chē)裝有液壓調整系統；
      （2）驅動(dòng)系統：采用4套雙倍率卷?yè)P機系統驅動(dòng)，卷?yè)P機電機功率110kw；
      （3）控制系統：位移、轉速、壓力閉環(huán)檢測，變頻同步控制；
      （4）安全系統：鎖銷(xiāo)、車(chē)檔等。
      2.1.3 關(guān)鍵技術(shù)
      （1）屋蓋開(kāi)合運行時(shí)，活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋間的相對位移變形較小，但活動(dòng)屋蓋的卸載和安裝承載臺車(chē)時(shí)需要一個(gè)承載和位移調整機構，針對此工況，臺車(chē)豎向調整采用一個(gè)能承受支點(diǎn)荷載150t，位移調整50mm的超高壓千斤頂結構，此超高壓油缸只需用手動(dòng)液壓泵進(jìn)行控制調整，具有結構緊湊、承載可靠、調整方便的應用優(yōu)點(diǎn)；
      （2）臺車(chē)行走過(guò)程中采用雙液壓缸適時(shí)對側向位移進(jìn)行調整，防止側向卡軌；
      （3）通過(guò)對卷?yè)P機轉速、鋼絲繩拉力、臺車(chē)位移的檢測反饋，保證兩側軌道牽引同步；
      （4）機械零部件、電子元器件、液壓件、密封件選用耐低溫材料，液壓系統內設有油液加熱裝置，保證系統可靠性、耐久性。
      鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)開(kāi)合屋蓋機械系統運用先進(jìn)的機電液技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測、反饋、控制、驅動(dòng)系統，保證開(kāi)合屋蓋正常、可靠工作見(jiàn)圖3`4。
      2.2 自驅式系統
      2.2.1 工程概況
      昆山游泳館網(wǎng)球場(chǎng)工程總建筑面積24145 m2，網(wǎng)球館開(kāi)啟面積6525m2，屋面桁架跨度66m。
      2.2.2機械系統組成
      網(wǎng)球館活動(dòng)屋蓋在兩條水平軌道上運行，每條軌道上有4部臺車(chē)承載驅動(dòng)，在軌道梁端部裝有緩沖限位裝置。

           

圖3  自驅式機械系統組成



圖4  昆山網(wǎng)球館活動(dòng)屋蓋施工圖
 

2.2.3 關(guān)鍵技術(shù)
      （1）臺車(chē)采用后輪驅動(dòng)，通過(guò)變頻調速保證行走同步；
      （2）活動(dòng)屋蓋施工卸載后豎向撓度為30mm左右，因此臺車(chē)與活動(dòng)屋蓋聯(lián)接處采用被動(dòng)調整，安裝關(guān)節軸承釋放彎矩，側向采用位移緩沖裝置；
      （3）開(kāi)合屋蓋由減速電機上的電機制動(dòng)器、電動(dòng)推桿式的插銷(xiāo)結構、前后車(chē)檔、監測系統和控制系統構成安全系統；
      該機械系統結構緊湊、簡(jiǎn)單，既能保證順利開(kāi)合運行，又可減小維護、保養費用，性?xún)r(jià)比較高。
      2.3 繞樞軸轉動(dòng)系統
      2.3.1工程概況
上海旗忠網(wǎng)球中心屋蓋采用8片可繞各自樞軸轉動(dòng)45°的活動(dòng)屋蓋組成，形狀類(lèi)似一朵玉蘭花如圖5。賽場(chǎng)直徑144m?；顒?dòng)屋蓋向內懸挑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 機械系統組成
       旗忠網(wǎng)球中心在固定環(huán)梁上安裝8套開(kāi)合屋蓋機械傳動(dòng)系統，每套系統組成如下：
      （1）承載系統：1根固定轉軸、3部臺車(chē)、3個(gè)同心旋轉軌道；
      （2）驅動(dòng)系統：驅動(dòng)鏈輪、鏈條、平衡論；
      （3）控制系統：同步控制、故障檢測系統；
      （4）安全系統：緩沖器、插銷(xiāo)裝置。
      2.3.3 關(guān)鍵技術(shù)
      （1）每片懸挑屋蓋通過(guò)臺車(chē)、同心軌道采用3點(diǎn)支撐，降低了屋蓋結構加工、拼裝難度；
      （2）轉動(dòng)心軸采用關(guān)節軸承聯(lián)接，軸承內孔與樞軸采用間隙配合，可沿軸承上下移動(dòng)，承受活動(dòng)屋蓋葉瓣豎向不均勻受力而產(chǎn)生的彎矩和扭矩；
      （3）驅動(dòng)部分采用鏈傳動(dòng)，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(dòng)。燕尾槽可補償半徑方向的變形，平衡輪與鏈輪成對安裝可保證，鏈輪鏈條很好的嚙合。同時(shí)鏈輪與驅動(dòng)軸采用花鍵連接，間隙配合，可沿軸向運動(dòng)，補償高度方向的偏差；
      （4）屋蓋在開(kāi)啟時(shí)3組臺車(chē)都承受壓力，當關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，屋蓋葉瓣是懸臂結構，末端臺車(chē)承受拉力，因此安裝反鉤滾輪裝置見(jiàn)圖6~7。
      旗忠網(wǎng)球中心開(kāi)合屋蓋機械系統把傳統機械、結構設計與計算分析仿真相結合，把復雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、分解處理，實(shí)現建筑結構、機械一體化開(kāi)合技術(shù)，值得借鑒。

 
圖6 繞樞軸轉動(dòng)剖視圖
 

圖7 活動(dòng)屋蓋承載臺車(chē)
 

2.4 齒輪齒條系統
      2.4.1 工程概況
      阿布扎比體育館活動(dòng)屋蓋共重7500噸，屋蓋呈拱形結構，寬度290m,長(cháng)度128m，每側有9個(gè)支撐點(diǎn)，兩側共18個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)的最大計算載荷為1100噸，側支撐點(diǎn)最大載荷為500噸，運行行程約140 m。
      2.4.2 機械系統組成
      每片活動(dòng)屋蓋由18臺運行小車(chē)支撐，每側在水平地面布置4根重型軌道，豎直墻面布置2根導向軌道，如圖8~9。

圖8 阿布扎比體育場(chǎng)圖

        
9 齒輪齒條驅動(dòng)臺車(chē)
 

      單片屋蓋每側主要機械系統組成如下：
      （1）承載系統：9臺支撐小車(chē)、4根重型軌道、2根導向軌道；
      （2）驅動(dòng)系統：驅動(dòng)小車(chē)、齒輪齒條、連接梁；
      （3）控制系統：現場(chǎng)實(shí)時(shí)全自動(dòng)控制、智能型手動(dòng)可控制；
      （4）安全系統：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(dòng)屋蓋總跨度290m，每跨桁架之間的剛度比較小，為保證驅動(dòng)臺車(chē)的同步性，采用齒輪齒條精確嚙合方式，見(jiàn)圖11。
      （2）驅動(dòng)臺車(chē)與支撐臺車(chē)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，又能適應軌道豎向變形；
      （3）支撐臺車(chē)與活動(dòng)屋蓋之間采用鉸接，可釋放結構支點(diǎn)彎矩；見(jiàn)圖10。
      （4）控制系統設置多級聯(lián)鎖、故障診斷、自動(dòng)排除功能，提高了系統可靠性；
      （5）采用變頻同步控制系統，即可對位移控制，也可對速度進(jìn)行控制，并在運行中采用實(shí)時(shí)監控，進(jìn)行安全保護。

圖10  承載臺車(chē)剖視圖 


圖11 齒輪齒條驅動(dòng)臺車(chē)平面圖
 

3 結論

采用何種開(kāi)合屋蓋機械系統首先取決于活動(dòng)屋蓋的移動(dòng)方式和整體結構形式，一般卷?yè)P機牽引方式適用于對驅動(dòng)轉矩比較大的空間移動(dòng)屋蓋；自驅式機械系統主要用于水平軌道，驅動(dòng)力主要克服摩擦阻力；繞樞軸轉動(dòng)機械系統一般用于水平旋轉開(kāi)合移動(dòng)方式，且結構跨度比較??；齒輪齒條驅動(dòng)方式對軌道精度要求比較高，當需要保證活動(dòng)屋蓋結構沿軌道方向變形比較小、同步性較高時(shí)使用。
      同時(shí)機械系統的設計依據主要有4大部分:1、建筑結構提供的支座反力標準值，決定機械零部件結構強度和剛度；2、開(kāi)合條件下的綜合荷載，決定驅動(dòng)系統的功率、轉矩；3、建筑結構形式、剛度、撓度、施工方法，決定機械系統適應性調整自由度和位移值；4、開(kāi)合條件和環(huán)境要求，決定控制策略等。開(kāi)合屋蓋機械系統設計、施工人員應與建筑、結構專(zhuān)業(yè)緊密配合，無(wú)間隙的溝通反饋，把現代設計仿真技術(shù)與傳統機械設計方法相結合，對設計、施工、運行、失效、維護全過(guò)程進(jìn)行分析，這樣才能保證開(kāi)合屋蓋系統整體的可靠性、安全性、經(jīng)濟性、耐久性、適應性。

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      [作者簡(jiǎn)介]  張鋒（1985-），男，江蘇南通人，浙江精工鋼結構有限公司工程師，碩士，建筑機械工程