[摘 要] 開合屋蓋體育場(chǎng)是建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、控制技術(shù)的集成。針對(duì)不同開合屋蓋，其機(jī)械系統(tǒng)一般采用：卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引式、承載臺(tái)車自驅(qū)式、繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)式和齒輪齒條驅(qū)動(dòng)式。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)開合屋蓋承載系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)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] 開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)；卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引；自驅(qū)式；繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；開合屋蓋體育場(chǎng)機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用探討

 
      1 引言
      開合建筑結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)的建筑分為可動(dòng)單元和固定單元，通過(guò)機(jī)電系統(tǒng)承載可動(dòng)單元按預(yù)定軌道移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同的開合形式。
      開合建筑結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在橋梁、體育場(chǎng)、步行街、娛樂(lè)中心、廠房等領(lǐng)域。其中應(yīng)用最廣泛的是開合屋蓋體育場(chǎng)，與常規(guī)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）滿足全天候使用要求，人與自然和諧統(tǒng)一；
      （3）減少照明與通風(fēng)設(shè)備，節(jié)能環(huán)保綠色運(yùn)營(yíng)；
      （4）吸引觀眾提高入座率，增加收益。
      2 典型開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)介紹
      按照開合屋蓋不同的移動(dòng)方式，主要分為：水平移動(dòng)、水平旋轉(zhuǎn)、空間移動(dòng)、繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)等。開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)主要包括：承載系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)。
      結(jié)合工程實(shí)例，現(xiàn)介紹幾種國(guó)內(nèi)外最新的開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)。
      2.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引系統(tǒng)
      2.1.1工程概況
      鄂爾多斯東勝體育中心，如圖1~2。開啟面積為9,300?，軌道梁拱最大跨度達(dá)251m。
      兩片活動(dòng)屋蓋采用卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引對(duì)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(yáng)機(jī)牽引系統(tǒng)組成
 

    2.1.2 機(jī)械系統(tǒng)組成
      （1）承載系統(tǒng)：兩片屋蓋由28部臺(tái)車支撐，每部臺(tái)車裝有液壓調(diào)整系統(tǒng)；
      （2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：采用4套雙倍率卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，卷?yè)P(yáng)機(jī)電機(jī)功率110kw；
      （3）控制系統(tǒng)：位移、轉(zhuǎn)速、壓力閉環(huán)檢測(cè)，變頻同步控制；
      （4）安全系統(tǒng)：鎖銷、車檔等。
      2.1.3 關(guān)鍵技術(shù)
      （1）屋蓋開合運(yùn)行時(shí)，活動(dòng)屋蓋與固定屋蓋間的相對(duì)位移變形較小，但活動(dòng)屋蓋的卸載和安裝承載臺(tái)車時(shí)需要一個(gè)承載和位移調(diào)整機(jī)構(gòu)，針對(duì)此工況，臺(tái)車豎向調(diào)整采用一個(gè)能承受支點(diǎn)荷載150t，位移調(diào)整50mm的超高壓千斤頂結(jié)構(gòu)，此超高壓油缸只需用手動(dòng)液壓泵進(jìn)行控制調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載可靠、調(diào)整方便的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)；
      （2）臺(tái)車行走過(guò)程中采用雙液壓缸適時(shí)對(duì)側(cè)向位移進(jìn)行調(diào)整，防止側(cè)向卡軌；
      （3）通過(guò)對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速、鋼絲繩拉力、臺(tái)車位移的檢測(cè)反饋，保證兩側(cè)軌道牽引同步；
      （4）機(jī)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(tǒng)內(nèi)設(shè)有油液加熱裝置，保證系統(tǒng)可靠性、耐久性。
      鄂爾多斯東勝體育場(chǎng)開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的機(jī)電液技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)、反饋、控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，保證開合屋蓋正常、可靠工作見圖3`4。
      2.2 自驅(qū)式系統(tǒng)
      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)球館開啟面積6525m2，屋面桁架跨度66m。
      2.2.2機(jī)械系統(tǒng)組成
      網(wǎng)球館活動(dòng)屋蓋在兩條水平軌道上運(yùn)行，每條軌道上有4部臺(tái)車承載驅(qū)動(dòng)，在軌道梁端部裝有緩沖限位裝置。

           

圖3  自驅(qū)式機(jī)械系統(tǒng)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(tái)車采用后輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變頻調(diào)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(tái)車與活動(dòng)屋蓋聯(lián)接處采用被動(dòng)調(diào)整，安裝關(guān)節(jié)軸承釋放彎矩，側(cè)向采用位移緩沖裝置；
      （3）開合屋蓋由減速電機(jī)上的電機(jī)制動(dòng)器、電動(dòng)推桿式的插銷結(jié)構(gòu)、前后車檔、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成安全系統(tǒng)；
      該機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，既能保證順利開合運(yùn)行，又可減小維護(hù)、保養(yǎng)費(fèi)用，性價(jià)比較高。
      2.3 繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)
      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(zhuǎn)動(dòng)45°的活動(dòng)屋蓋組成，形狀類似一朵玉蘭花如圖5。賽場(chǎng)直徑144m?；顒?dòng)屋蓋向內(nèi)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(jī)械系統(tǒng)組成
       旗忠網(wǎng)球中心在固定環(huán)梁上安裝8套開合屋蓋機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)組成如下：
      （1）承載系統(tǒng)：1根固定轉(zhuǎn)軸、3部臺(tái)車、3個(gè)同心旋轉(zhuǎn)軌道；
      （2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)鏈輪、鏈條、平衡論；
      （3）控制系統(tǒng)：同步控制、故障檢測(cè)系統(tǒng)；
      （4）安全系統(tǒng)：緩沖器、插銷裝置。
      2.3.3 關(guān)鍵技術(shù)
      （1）每片懸挑屋蓋通過(guò)臺(tái)車、同心軌道采用3點(diǎn)支撐，降低了屋蓋結(jié)構(gòu)加工、拼裝難度；
      （2）轉(zhuǎn)動(dòng)心軸采用關(guān)節(jié)軸承聯(lián)接，軸承內(nèi)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(qū)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(tái)上，支撐平臺(tái)可沿大型燕尾槽滑動(dòng)。燕尾槽可補(bǔ)償半徑方向的變形，平衡輪與鏈輪成對(duì)安裝可保證，鏈輪鏈條很好的嚙合。同時(shí)鏈輪與驅(qū)動(dòng)軸采用花鍵連接，間隙配合，可沿軸向運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償高度方向的偏差；
      （4）屋蓋在開啟時(shí)3組臺(tái)車都承受壓力，當(dāng)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，屋蓋葉瓣是懸臂結(jié)構(gòu)，末端臺(tái)車承受拉力，因此安裝反鉤滾輪裝置見圖6~7。
      旗忠網(wǎng)球中心開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)把傳統(tǒng)機(jī)械、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析仿真相結(jié)合，把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、分解處理，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械一體化開合技術(shù)，值得借鑒。

 
圖6 繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)剖視圖
 

圖7 活動(dòng)屋蓋承載臺(tái)車
 

2.4 齒輪齒條系統(tǒng)
      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(jié)構(gòu)，寬度290m,長(zhǎng)度128m，每側(cè)有9個(gè)支撐點(diǎn)，兩側(cè)共18個(gè)支撐點(diǎn)，支撐點(diǎn)的最大計(jì)算載荷為1100噸，側(cè)支撐點(diǎn)最大載荷為500噸，運(yùn)行行程約140 m。
      2.4.2 機(jī)械系統(tǒng)組成
      每片活動(dòng)屋蓋由18臺(tái)運(yùn)行小車支撐，每側(cè)在水平地面布置4根重型軌道，豎直墻面布置2根導(dǎo)向軌道，如圖8~9。

圖8 阿布扎比體育場(chǎng)圖

        
9 齒輪齒條驅(qū)動(dòng)臺(tái)車
 

      單片屋蓋每側(cè)主要機(jī)械系統(tǒng)組成如下：
      （1）承載系統(tǒng)：9臺(tái)支撐小車、4根重型軌道、2根導(dǎo)向軌道；
      （2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)小車、齒輪齒條、連接梁；
      （3）控制系統(tǒng)：現(xiàn)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(tǒng)：聯(lián)鎖功能、防風(fēng)檢測(cè)、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(qū)動(dòng)臺(tái)車的同步性，采用齒輪齒條精確嚙合方式，見圖11。
      （2）驅(qū)動(dòng)臺(tái)車與支撐臺(tái)車之間用連接梁固定，兩端采用鉸接，既能保證沿軌道方向的剛度，又能適應(yīng)軌道豎向變形；
      （3）支撐臺(tái)車與活動(dòng)屋蓋之間采用鉸接，可釋放結(jié)構(gòu)支點(diǎn)彎矩；見圖10。
      （4）控制系統(tǒng)設(shè)置多級(jí)聯(lián)鎖、故障診斷、自動(dòng)排除功能，提高了系統(tǒng)可靠性；
      （5）采用變頻同步控制系統(tǒng)，即可對(duì)位移控制，也可對(duì)速度進(jìn)行控制，并在運(yùn)行中采用實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)行安全保護(hù)。

圖10  承載臺(tái)車剖視圖 


圖11 齒輪齒條驅(qū)動(dòng)臺(tái)車平面圖
 

3 結(jié)論

采用何種開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)首先取決于活動(dòng)屋蓋的移動(dòng)方式和整體結(jié)構(gòu)形式，一般卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引方式適用于對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大的空間移動(dòng)屋蓋；自驅(qū)式機(jī)械系統(tǒng)主要用于水平軌道，驅(qū)動(dòng)力主要克服摩擦阻力；繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)一般用于水平旋轉(zhuǎn)開合移動(dòng)方式，且結(jié)構(gòu)跨度比較?。积X輪齒條驅(qū)動(dòng)方式對(duì)軌道精度要求比較高，當(dāng)需要保證活動(dòng)屋蓋結(jié)構(gòu)沿軌道方向變形比較小、同步性較高時(shí)使用。
      同時(shí)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)主要有4大部分:1、建筑結(jié)構(gòu)提供的支座反力標(biāo)準(zhǔn)值，決定機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度；2、開合條件下的綜合荷載，決定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率、轉(zhuǎn)矩；3、建筑結(jié)構(gòu)形式、剛度、撓度、施工方法，決定機(jī)械系統(tǒng)適應(yīng)性調(diào)整自由度和位移值；4、開合條件和環(huán)境要求，決定控制策略等。開合屋蓋機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工人員應(yīng)與建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)緊密配合，無(wú)間隙的溝通反饋，把現(xiàn)代設(shè)計(jì)仿真技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，對(duì)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、失效、維護(hù)全過(guò)程進(jìn)行分析，這樣才能保證開合屋蓋系統(tǒng)整體的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、適應(yīng)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(jié)構(gòu)有限公司工程師，碩士，建筑機(jī)械工程