水平分開(kāi)方式的巨型網(wǎng)格分開(kāi)屋蓋設(shè)計(jì)

封閉房屋是現(xiàn)代體育建筑的發(fā)展趨勢(shì)。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)體育的熱情日益高漲，對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)的需求也在增加。然而，到目前為止，中國(guó)僅有很少的房屋和房屋開(kāi)放介置的項(xiàng)目實(shí)例。隨著上海景忠國(guó)際網(wǎng)的中心主比賽和南通體育中心主籃球場(chǎng)的建設(shè)，中國(guó)的大型開(kāi)放式房屋開(kāi)始逐步增加。對(duì)于開(kāi)放式房屋的結(jié)構(gòu)而言，屋頂?shù)拈_(kāi)口是打開(kāi)和空間分布的主要指標(biāo)。更早的開(kāi)放式房屋的開(kāi)口是盡可能大的打開(kāi)等級(jí)，并且在開(kāi)放空間內(nèi)沒(méi)有屋頂、天空屋頂和井岡山等結(jié)構(gòu)。這些建筑取得了良好的使用效果，但大的開(kāi)放度顯著增加了建筑的成本，占用了很大的土地。近年來(lái)，隨著部分小開(kāi)放建筑的建設(shè)，在滿足應(yīng)用功能的情況下，人們傾向于嘗試盡可能小的開(kāi)放度，這反映了開(kāi)放程度與經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和其他因素之間的平衡。小松頂、杭州黃龍?bào)w育中心、網(wǎng)球館等。然而，這種小的開(kāi)放式房屋的活動(dòng)屋頂由固定屋頂支撐，對(duì)下部固定屋頂?shù)淖冃畏浅Ｃ舾?，并且容易產(chǎn)生卡誤差和泄漏，因此無(wú)法執(zhí)行盒子的開(kāi)孔過(guò)程。變形小，整體剛性強(qiáng)，適合大規(guī)模結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是一種新的空間結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的張力性。整體剛性結(jié)構(gòu)適用于大范圍結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種新的空間結(jié)構(gòu)體系，具有很強(qiáng)的強(qiáng)度。一般剛度是大傾角結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的小網(wǎng)格形狀適合局部開(kāi)著的小網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。因此，這項(xiàng)工作提出了一個(gè)巨大的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的方案。1水平移動(dòng)大網(wǎng)格閉合方式的設(shè)計(jì)開(kāi)合屋蓋開(kāi)合方式主要有:水平移動(dòng)方式、水平旋轉(zhuǎn)方式、空間移動(dòng)方式、繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng)方式和組合移動(dòng)方式.開(kāi)合方式的選取主要受建筑外形和使用功能的影響,但結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性也是不可忽視的重要因素.一般來(lái)說(shuō),活動(dòng)屋蓋的運(yùn)行軌跡越簡(jiǎn)單越好,直線最好,移動(dòng)方式種類越少越好,單一運(yùn)動(dòng)形式最好;多種運(yùn)動(dòng)的組合會(huì)大大增加傳動(dòng)機(jī)械部分的技術(shù)難題,以及機(jī)械故障發(fā)生的概率.依據(jù)以上原則,結(jié)合巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),本文提出水平移動(dòng)開(kāi)合方式的巨型網(wǎng)格開(kāi)合屋蓋.結(jié)構(gòu)布置如圖1所示(為了表現(xiàn)清楚,圖1中端部固定子結(jié)構(gòu)未全畫(huà)出),活動(dòng)屋蓋向端部移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)屋蓋開(kāi)啟.在這種開(kāi)合方式中,子結(jié)構(gòu)分為活動(dòng)子結(jié)構(gòu)和固定子結(jié)構(gòu).固定子結(jié)構(gòu)分布于結(jié)構(gòu)周邊,作為固定屋蓋嵌于大網(wǎng)格內(nèi);活動(dòng)子結(jié)構(gòu)作為活動(dòng)屋蓋,對(duì)邊支承于縱向立體桁架梁上.屋蓋的開(kāi)合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示,屋蓋的開(kāi)合以縱向立體桁架梁為運(yùn)行軌道,活動(dòng)屋蓋通過(guò)設(shè)置在其下弦的驅(qū)動(dòng)輪來(lái)移動(dòng),當(dāng)活動(dòng)屋蓋水平移動(dòng)至端部與下邊的固定屋蓋重疊時(shí),屋蓋實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟.這種開(kāi)合方式運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單,機(jī)械設(shè)計(jì)可直接參考國(guó)內(nèi)的吊車規(guī)范,技術(shù)很成熟,能確保結(jié)構(gòu)的安全.2體桁架梁高本文建立一個(gè)如圖3所示的水平移動(dòng)開(kāi)合方式的巨型網(wǎng)格開(kāi)合屋蓋.開(kāi)合屋蓋跨度為80m,立體桁架梁高3.3m,矢跨比取0.2,桿件截面面積為30cm2,固定屋蓋和活動(dòng)屋蓋高度取1.2m,桿件截面面積為10cm2;采用兩縱邊上下弦固定鉸支.屋面均布荷載取1kN/m2,按靜力等效作用于結(jié)構(gòu)的上弦節(jié)點(diǎn).采用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析.2.1全閉狀態(tài)的建模在結(jié)構(gòu)分析時(shí),如何選取開(kāi)合結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài),是建模時(shí)遇到的首要問(wèn)題.因?yàn)榛顒?dòng)屋蓋在不同位置時(shí),結(jié)構(gòu)上的荷載是不同的,全閉狀態(tài)時(shí)活荷載作用的面積最大,全開(kāi)狀態(tài)時(shí)活荷載作用的面積最小,所以在進(jìn)行分析時(shí)選用全閉和全開(kāi)2種狀態(tài).除此之外,根據(jù)文獻(xiàn)的建議,又選用了活動(dòng)屋蓋處于中間位置的一種狀態(tài),稱為半開(kāi)狀態(tài).在建模時(shí),先建好全閉狀態(tài)的結(jié)構(gòu)模型,然后把全閉狀態(tài)中的中間4片活動(dòng)屋蓋分別移動(dòng)至結(jié)構(gòu)端部,得到結(jié)構(gòu)的全開(kāi)狀態(tài),把全閉狀態(tài)的中間4片活動(dòng)屋蓋分別移動(dòng)至結(jié)構(gòu)端部距離的一半處,得到結(jié)構(gòu)的半開(kāi)狀態(tài).全閉、半開(kāi)、全開(kāi)3種狀態(tài)的計(jì)算模型如圖3所示.2.2協(xié)同分析過(guò)程由于活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋是相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系,在進(jìn)行分析的時(shí)候有2種分析方法可以選擇,即整體協(xié)同分析法和單獨(dú)分析法.整體協(xié)同分析法是通過(guò)活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋在驅(qū)動(dòng)輪作用處耦合3個(gè)線位移進(jìn)行協(xié)同分析;單獨(dú)分析法則是先把活動(dòng)屋蓋在驅(qū)動(dòng)輪處固定進(jìn)行受力分析,得到的支座反力以集中荷載的形式施加到固定屋蓋上,然后做進(jìn)一步的受力分析.對(duì)于一個(gè)特定的工程,究竟哪種分析方法更能夠真實(shí)反映實(shí)際受力情況并方便計(jì)算,要根據(jù)具體的活動(dòng)屋面支承方式而定.對(duì)于活動(dòng)屋蓋支承在混凝土結(jié)構(gòu)這類剛度非常大的開(kāi)合屋蓋,由于下部支承結(jié)構(gòu)剛度大,所以活動(dòng)屋蓋和固定屋蓋之間的相互變形較小,采用單獨(dú)分析就足夠了.但對(duì)于活動(dòng)屋蓋支承在剛度較小的下部結(jié)構(gòu)上的開(kāi)合屋蓋,則要具體分析.下面通過(guò)比較2種方法在開(kāi)合屋蓋結(jié)構(gòu)軌道變形計(jì)算上的差別,得出該設(shè)計(jì)方法的一些特點(diǎn)和規(guī)律.2.3全閉狀態(tài)的變形圖4和圖5為采用2種分析方法得出的全閉和全開(kāi)狀態(tài)的軌道變形值.圖4和圖5中橫軸為軌道上各控制節(jié)點(diǎn)(由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱,軌道控制節(jié)點(diǎn)取一半,位置如圖6所示),縱軸為軌道上各控制節(jié)點(diǎn)沿x,y,z向的變形.x向?yàn)樗矫嫜剀壍赖姆较?y向?yàn)樗矫娲怪避壍赖姆较?z向?yàn)樨Q直方向.從圖4和圖5可以很明顯地看出,2種分析方法得出軌道x向和z向變形和全開(kāi)狀態(tài)的y向變形基本吻合;全閉狀態(tài)下的y向變形有明顯的差別,由整體協(xié)同分析法得出的y向變形較小.從結(jié)構(gòu)體系角度可以做如下解釋:開(kāi)合屋蓋x向和z向剛度較y向剛度大很多,活動(dòng)屋蓋參與承載與否對(duì)x向和z向變形影響較小.因此出現(xiàn)2種分析方法得出軌道x向和z向變形基本吻合的現(xiàn)象.在全閉狀態(tài)下,采用整體協(xié)同分析法時(shí),活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋的耦合增強(qiáng)了活動(dòng)屋蓋區(qū)域縱向桁架梁的側(cè)向剛度,而單獨(dú)分析法沒(méi)有.因此在全閉狀態(tài)下,若在開(kāi)啟區(qū)域的桁架梁跨中增加側(cè)向支撐以增強(qiáng)側(cè)向剛度,可以預(yù)計(jì)2種分析法得出的各向變形幾乎都沒(méi)有差別.另外由圖4和圖5可以明顯看出,軌道的變形以z向?yàn)橹?x向和y向變形與z向相比可以忽略不計(jì);全閉狀態(tài)下的z向變形變化均不大,為-23～-31.2mm,而軌道的長(zhǎng)度為80m,所以整個(gè)軌道的撓度小于L/2300,考慮到軌道端部本身就有-23mm的變形,所以實(shí)際撓度會(huì)更小.全開(kāi)狀態(tài)下,整個(gè)軌道z向變形變化很大,邊跨的軌道z向變形比中間跨大得多,整個(gè)軌道的變形為-51.4～-5.8mm,整個(gè)軌道的撓度小于L/1556.同樣考慮到軌道端部本身就有-5.8mm的變形,結(jié)構(gòu)的實(shí)際撓度也會(huì)更小.3初始應(yīng)力剛度變化開(kāi)合屋蓋在線性屈曲情況下,屈曲前結(jié)構(gòu)處于初始構(gòu)形的平衡態(tài),并且不考慮荷載引起的結(jié)構(gòu)形狀的變化,所以無(wú)論是T.L.列式還是U.L.列式,特征值屈曲分析的控制方程均可表示為:(KL+λKG)φ=0.(1)式中:KL為彈性剛度矩陣;KG為初始應(yīng)力剛度矩陣;φ為位移特征向量(屈曲模態(tài));λ為特征值,即通常意義上的荷載因子.與式(1)對(duì)應(yīng)的特征方程為:|KL+λKG|=0.(2)由此可見(jiàn),線性特征值屈曲分析最終歸結(jié)為廣義特征值問(wèn)題,其特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量分別表征各階極限荷載的大小及相應(yīng)的屈曲模態(tài).對(duì)于大型結(jié)構(gòu)的廣義特征值的求解,多采用子空間迭代法或Blocklanczos法.3.1結(jié)構(gòu)全閉狀態(tài)表1分別列出了開(kāi)合屋蓋3種狀態(tài)下,單獨(dú)分析和協(xié)同分析的線性屈曲特征值(前3階).通過(guò)表中數(shù)據(jù)可知:1)從3種狀態(tài)對(duì)比結(jié)果來(lái)看,單獨(dú)分析時(shí),各階特征值全開(kāi)狀態(tài)最大,半開(kāi)次之,全閉最小.這是因?yàn)殚_(kāi)合屋蓋開(kāi)合區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),隨著屋蓋由全閉、半開(kāi)到全開(kāi)狀態(tài),活動(dòng)屋蓋的等效集中荷載作用越來(lái)越遠(yuǎn)離開(kāi)啟區(qū)域,這對(duì)結(jié)構(gòu)的抗屈曲性能有利.而協(xié)同分析時(shí),全閉狀態(tài)各階特征值最大,半開(kāi)狀態(tài)次之,全開(kāi)狀態(tài)又次之.因?yàn)殡S著屋蓋由全閉、半開(kāi)到全開(kāi)狀態(tài),活動(dòng)屋蓋的移動(dòng)造成了結(jié)構(gòu)整體水平拱向剛度的削弱.2)特征值分析通常最關(guān)心最低階特征值的大小,即第一階特征值.分析結(jié)果表明:無(wú)論采用哪種分析方法,開(kāi)合屋蓋3種狀態(tài)下的第一階特征值相差不大.對(duì)于同一種狀態(tài),單獨(dú)分析時(shí)的結(jié)構(gòu)第一階特征值均小于協(xié)同分析的.3.2結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析如前所述,由于線性特征值屈曲通常會(huì)高估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力,且無(wú)法反映結(jié)構(gòu)的荷載位移全過(guò)程工作性能.然而,眾多結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力恰恰是由結(jié)構(gòu)的屈曲后性能決定的,因此有必要對(duì)巨型網(wǎng)格開(kāi)合屋蓋進(jìn)行荷載位移全過(guò)程的非線性分析.表2對(duì)比了2種分析方法情況下開(kāi)合屋蓋3種狀態(tài)的非線性屈曲極限荷載,圖7和圖8分別給出了2種分析方法情況下開(kāi)合屋蓋3種狀態(tài)的荷載-位移曲線.根據(jù)非線性屈曲分析結(jié)果可得到以下結(jié)論:1)與前一節(jié)中特征值屈曲的計(jì)算結(jié)果相比,2種分析方法情況下,開(kāi)合屋蓋3種狀態(tài)的非線性屈曲的極限荷載僅為線性屈曲極限荷載的70%左右,由此說(shuō)明了進(jìn)行非線性分析的必要性.2)開(kāi)合屋蓋3種狀態(tài)下,協(xié)同分析時(shí)的穩(wěn)定承載力都高于相應(yīng)的單獨(dú)分析.這說(shuō)明考慮活動(dòng)屋蓋參與承載提高了結(jié)構(gòu)的極限承載能力.3)從圖7和圖8可看出,2種分析方法情況下開(kāi)合屋蓋3種狀態(tài)的荷載-位移曲線的線形較為相似.即當(dāng)荷載大小達(dá)到極限荷載時(shí)(第一個(gè)臨界點(diǎn)處的荷載值),結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲,屈曲后在節(jié)點(diǎn)位移不斷增加的同時(shí),荷載呈小幅下降趨勢(shì).4復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析1)本文首先依據(jù)開(kāi)合方式宜簡(jiǎn)單的原則并結(jié)合巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),提出了