某大型体育场馆开合屋盖变形监测及分析

贾培军 樊改荣

(1.内蒙古科大建筑设计有限责任公司，内蒙古 包头 014010; 2.内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古 包头 014010)

1 概述

1.1 开合屋盖结构特点

开合结构[1]与静态建筑结构相比，开合屋顶的组成结构极大地影响了开合屋盖的受力情况。开合屋盖结构的屋顶是由若干个单元组成的，在开合的过程中各屋盖又要进行运动以实现开合的功能，屋盖的开合运动过程中的不同位置及状态下，由于受到风、温度、雪、轨道行走状况速度及地震等不可预知力的影响，其受力和受载状态是复杂的。

1.2 开合屋盖荷载情况

开合屋盖结构除了承受一般建筑都有的恒、活荷载外，在屋面移动的过程中，还要承受一些轨道运行中的特殊荷载如启动、刹车荷载、轨道荷载作用[2]，这与起重机的荷载十分相似，所以，开合屋盖特殊荷载可以参考起重机设计规范的荷载来确定，按作用方向分为垂直于轨道的水平力、垂直于轨道的竖向力、沿轨道的水平力等。但对于静止状态的可动屋盖设计荷载[3]需考虑周全，确定下来的荷载组合与常规结构类似，但要特别注意运动状态。

2 开合屋盖工程应用

2.1 工程概况

某体育场占地6.26万m2，设有35 107个观众席，体育场采用开合屋盖结构，体育场开合屋盖的最大开启面积为10 076.2 m2。该体育场采用巨拱钢索与空间桁架联合作用的结构体系，可以解决吊索间距小带来的固定屋盖在运行过程中产生的变形问题。体育场的开合屋盖单片重达500 t，轨道两侧的台车支承由钢丝绳牵引，屋盖结构采用的是轻型管桁架结构，屋面材料采用PTFE膜结构，可以有效的适应屋盖出现的变形。

2.2 开合屋盖结构设计的基本情况

开合屋盖主要由两个单元块组成，在中间直线相交，闭合时可与固定屋盖完全吻合。开合屋盖最大可开启尺寸的水平投影，长为113.524 m、宽为88.758 m，处于全闭、全开状态时重心处的圆弧角分别为5.88°,15.11°。单片开合屋盖的结构自重(含膜结构)约为500 t。

每片开合屋盖沿跨度方向共设置4道主桁架，采用三角形截面空间桁架。主桁架的平面布置与固定屋盖的主桁架完全对应。边桁架作为主桁架的支承结构，每片开合屋盖两侧各有7辆台车安装在边桁架下方，通过台车和轨道等部件的协同作用将开合屋盖的荷载传至固定屋盖。

开合屋盖结构布置如图1所示，开合屋盖台车位置如图2所示，单个台车自重约5 t。

3 开合屋盖开闭合变形监测

3.1 开合屋盖受力分析

某体育场单片活动屋盖由14个台车支撑，属于超静定支撑结构，台车支反力的分布情况受多方面因素的影响，比如台车的分布位置及拱架、活动屋盖的刚度及形状尺寸都会影响台车支反力的分布。在结构自重的作用下，拱架及活动屋盖不仅会产生一定的纵向变形，同时还会产生横向推力，伴随纵向变形的发展，垂直于拱架(主桁架)方向的圆弧半径增大，有向两侧伸展的趋势，在横向推力的作用下，台车节点与固定拱架就会出现不同步的横向变形。相对于活动屋盖与固定屋盖的两个方向的变形来说，活动屋盖的运行位置不同，对应的变形也会不同，当屋盖处于全闭的状态时取到变形的最大值。施工过程中，由于温度荷载等多种因素的影响，活动屋盖的台车节点与固定屋盖拱架(主桁架)在纵向和横向也会产生附加的位移。为了确保安全，特对主桁架、环桁架以及活动屋盖的变形量进行监测。

3.2 主桁架、环桁架变形测量

固定屋盖的几何形态为球面，外径359.5 m，钢结构由2榀主桁架、34榀次桁架、四周环向桁架组成。监测分为主桁架合龙前、主桁架合龙后至支撑拉索张拉、活动屋盖调试、运营期4个阶段。

主桁架初次监测2010年5月19日，末次监测2012年4月4日，期间共监测48次。环桁架初次监测2010年6月15日，末次监测2012年4月4日，共监测39次。监测周期在施工期间，每周观测1次，或根据施工需要进行观测；运营期2月1次。监测方法采用05″级全站仪SOKKIA NET05极坐标法观测，测量监测点的三维坐标A,B,H。

3.3 主桁架数据分析

主桁架南北、东西及垂线方向的变形曲线如图3所示。

主桁架结构的主要变形出现在临时支撑拆除和拉索张拉调试的施工过程中，2010年12月19日以后，主桁架的变形主要有两个方面：

第一，在屋盖开—合的过程中，垂线方向，东侧主桁架中部下降117 mm、西侧主桁架下降75 mm；东西方向，东侧主桁架的中部向西位移27 mm、西侧主桁架的中部向东18 mm。

第二，季节因素，夏季到冬季，东侧主桁架的高度下降112 mm、西侧主桁架中部下降107 mm。

主桁架结构变形满足设计要求。

3.4 环桁架数据分析

环桁架的南北、东西及垂线方向的变形曲线如图4所示。

环桁架结构的主要变形出现在拉索张拉调试的施工过程中，2010年12月19日以后，环桁架的变形主要受季节的影响，夏季到冬季，环桁架向内收缩20 mm；在屋盖开合的过程中，桁架变形不明显。

3.5 活动屋盖变形测量

活动屋盖开启面积10 087 m2，由两个单元块组成，在中间直线相交，活动屋盖主桁架跨度为88 m,长114 m。每个单元块由4榀横向主桁架、2榀纵向主桁架及纵向两侧边桁架组成。

两块活动屋盖各设1个监测点，如图5所示，监测工作从2010年11月19日，巨拱完全合龙，至2012年4月4日，屋盖调试期跟踪监测，运营期2月1次，共进行18次监测。采用05″级全站仪SOKKIA NET05极坐标法观测，测量监测点的三维坐标A,B,H。

两个测点的变形量统计见表1。

表1 活动屋盖开合过程东西方向位移量统计表

屋盖开合过程中，东西方向最大位移量63 mm，在台车调整范围内，屋盖可以正常开合。

通过对主桁架、环桁架以及活动屋盖的变形曲线和变形数据进行分析，得出主桁架、环桁架以及活动屋盖的变形量在正常范围，满足设计要求。开合屋盖的施工安装能够确保整个开合屋盖工程使用的稳定性和安全性，也能够满足体育场工程的设计规范要求。

4 结语

对主桁架、环桁架以及活动屋盖进行测点布置，定期采用05″级全站仪SOKKIA NET05并利用极坐标法进行观测监测，然后通过对主桁架、环桁架以及活动屋盖的变形量进行统计,并对其变形曲线和变形数据进行检测和分析，得出主桁架、环桁架以及活动屋盖的变形量在安全允许的范围内，开合屋盖施工设计能确保整个开合屋盖工程使用的稳定性和安全性，满足体育场工程的设计规范要求。

[1] 陈志华．开合结构[J]．建筑知识，2001(1)：37-40,63-64．

[2] 秦乃兵．大跨度开合网格结构的动力相互作用分析[J]．工程建设与设计，2005(12)：45-46．

[3] 贺拥军．巨型网格开合屋盖静力与稳定性能研究[J]．湖南大学学报，2009(4)：24-28．