CN103374989A - 坡面活动屋盖支撑方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型建筑活动屋盖的支撑方法，尤其是行走在坡面的活动屋盖。坡面上行走需要很大的驱动力，当驱动环节失效时，活动屋盖可能沿斜面下滑，安全性较差。本发明通过在活动屋盖的两端设置侧向支撑及呈对称布置的一端间距大另一端间距小的呈八字形布置的一对侧向导轨，活动屋盖在侧向导轨上受到很大的水平力，从而得到可平衡或部分平衡指向坡下的重力分力，同时又可以使屋盖具有小截面高度而轻量化结构。

Description

坡面活动屋盖支撑方法

技术领域

本发明涉及大型建筑活动屋盖(4)的支撑方法，尤其活动屋盖(4)的行走方向是具有坡度的斜面。

背景技术

目前，活动屋盖(4)已应用在中网钻石馆、南通体育馆等建筑中，中网钻石馆为水平开合，南通体育馆则是在具有坡度的斜面上开合。由亚太建设科技信息研究院、中国建筑设计研究院等主办的期刊《施工技术》第2010年8月中《国内外开合屋盖的应用现状与实践》一文及其后的参考文献可进一步了解其背景。在具有坡度的斜面上的开合屋顶是采用牵引的方式驱动的，屋顶由数台小车支撑，采用钢丝缆绳、转向滑轮、支撑导向滑轮和卷扬机等牵引活动屋盖(4)沿着轨道移动，也有采用齿轮齿条方式驱动的，其动力主要是克服重力，驱动系统非常庞大、笨重。

发明内容

本发明采用在活动屋盖(4)行走方向的两侧设置与行走方向成夹角的侧向导轨(5)，侧向导轨(5)对称布置在活动屋盖(4)的两侧，相互间具有一定夹角，似八字形布置，对于活动屋盖(4)为上凸结构形状时，结构在载荷增大时，支撑屋盖的支撑脚会向外撇，载荷减小时向内收，这种加载外撇减载内收的结构，其侧向导轨设置在支撑脚的外侧抵挡支撑脚限制其外撇，导轨的设置从坡底观察成倒八字形，两分立导轨间的间距在坡顶上时大，在坡底下时小(即上端间距大，下端间距小)，对于吊挂活动屋盖(4)，为上凹下凸结构形状时，结构在载荷增大时，吊挂屋盖的支撑脚会向内收，载荷减小时向外撇，这种加载内收减载外撇的结构，其侧向导轨设置在支撑脚的内侧抵挡支撑脚限制其内收，导轨的设置从坡底观察成正八字形，两分立导轨间的间距在坡顶上时小，在坡底下时大(即上端间距小，下端间距大)。活动屋盖(4)行走方向的两侧支撑脚即是行走轮，行走轮需能够承受抵挡外撇或内收之导轨的抗力，故称其为侧向支撑(3)，侧向支撑(3)与侧向导轨(5)接触，侧向支撑(3)与侧向导轨(5)上的接触正压力可分解成水平分力和指向坡顶的分力，两侧侧向支撑(3)受到的水平分力大小相等方向相反，指向坡顶的分力可以与指向坡底的重力分力相互抵消，当指向坡顶的分力与指向坡底的重力分力完全相等时，活动屋盖(4)形同置放在水平屋顶上。在这种情况下开启或闭合活动屋盖(4)，所需要的驱动力仅需要大于摩擦阻力，驱动力与结构重量的关系由斜度比值降低为摩擦系数，或者说如果斜度比值为1∶10，则原技术爬升所需的驱动力为1/10与摩擦系数的和与结构重量的乘积，而本发明因重力被平衡，其驱动力为摩擦系数与正压力的乘积，正压力包括重力和侧向支撑力，侧向支撑力根据拱形活动屋盖(4)矢高与跨度比的不同，可产生的水平力不同，大约是重力的数倍，而采用滚轮支撑的摩擦系数约为0.01或更小(与滚轮半径、接触刚度、轴承直径等有关)，这种情况下的驱动力约为结构重量的百分之几，小于原技术爬升所需要的力。更具优势的是，由于重力被平衡，活动屋盖(4)沿斜面的加速度为零，即不存在下坡越跑越快的趋势，由此带来的安全性是显而易见的。

本发明的另一应用价值在于水平分力可以使弯曲的弓形结构成为拱形。这里所提及的弓形结构特指由上、下弦杆和中间腹杆、斜腹杆等组成的弯弓形状的桁架结构，弓背上受力时，弦杆受力，弓形结构在弓背上受力较大时，其断面高度尺寸需要较大，而这里提及的拱形特指形状为弯弓，拱脚间无弦，拱脚由外支撑承载水平分力，由外支撑承受本该由弦杆承受的拉力，在弓背受力时，拱脚受到水平支撑力的作用，这时在弓形上的任意点受到的弯矩为拱脚所受垂直和水平两个分力的合作用矩，而此两个弯矩方向相反，或者说两个弯矩可以相互抵消，这样拱的断面高度尺寸可以较小，也就是说结构重量可以因此减轻。进一步说明一下，利用拱脚间自身拉杆承受水平拉力的拱形在本文中归结为弓形结构，而本文所描述的拱形特指落地拱这类利用外支撑结构承受水平力的弯弓形状。

使用开合屋顶的通常是具有参观功能的场馆，如体育馆，特点是场馆的场地通常近似圆形，而活动屋盖(4)则为矩形，从水平投影上观察可见，在圆形屋顶中间开一个窗口，采用屋盖相对开合，其轨道必定设立在窗口的两侧，轨道将圆形屋顶分割的轨道外侧似弓形，弓形结构的中轴处沿水平方向上的截面尺寸最大，或者说，轨道在受到水平力时，可支撑轨道的屋顶受力结构好似弓形结构，受力点在弓形中轴上时，对于开有天窗的屋顶而言弯矩最大，其承载结构高度大于重力方向的结构尺寸，其截面惯性矩和截面模量同样大于重力方向，屋顶结构的承载能力就轨道处而言，水平承载能力远大于重力方向。而目前的开合屋顶对固定屋顶的载荷主要是重力方向的，水平方向的能力并未发挥。而本发明则利用了这一原本具有的特征，在不影响活动屋盖(4)承受风雪等载荷的前提下，减轻活动屋盖(4)的结构重量。

活动屋盖(4)在侧向导轨(5)间贴合侧向导轨(5)行走时，两侧向支撑(3)间的距离是变化的，由此拱形屋盖需要适应拱脚间距变化这一特点，对于不同的屋盖结构、不同的矢高与跨度比，屋盖自身变形能力有很大不同，当自身变形能力较强即结构刚度较小时，可以利用自身变形适应跨度变化；当自身变形能力较弱即结构刚度较大，在强度允许的前提下不能达到所需变形时，采用侧向伸缩元件(6)来适应和调节跨度的变化；或者，也可以有意识的将屋盖的刚度降低(包括只有连接没有刚度的铰接形式)以适应变形需求来适应和调节跨度的变化。

本发明使得行走在坡面上的活动屋盖(4)如履平地，提高了安全性，用以平衡重力分力的力同时有助于结构承载，使不增加原固定屋盖结构重量的前提下可降低活动屋盖(4)自身重量，甚至由于活动屋盖(4)结构重量减轻，支撑活动屋盖(4)的固定屋盖及其以下支撑结构，均可因此而降低其承载需求能力，附带减轻了整个屋架结构重量，具有较好的经济性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明结构示意图，短轴的上半部分的活动屋盖(4)是开启状态，下半部分的活动屋盖(4)为闭合状态，椭圆形表示固定屋盖，中间矩形为天井。图中可以看出近似圆形的场馆屋顶当中开出一个矩形天井后，天井外的形状似4个弓形结构组成，具备承受水平力的能力，受力点在矩形边的中间时，弯矩最大，其承载结构高度也最大，屋顶结构的承载能力就矩形窗口边而言，水平能力远大于重力方向。侧向导轨(5)似八字形对称布置，侧向导轨(5)距离圆周较近的一端即坡面的下端，此端侧向导轨(5)间距小，靠近中心的一端为坡面的上端，此端侧向导轨(5)的间距大。

图2是侧向支撑(3)与侧导轨接触的受力示意图，水平作用力使支撑轮压在侧向导轨(5)上，其接触正压力N可分解成X和Y两个方向的力Nx和Ny。Nx与对称布置的另外一侧大小相等方向相反，对活动屋盖(4)的水平方向外力平衡，Ny则是指向坡顶的，与指向坡底的重力分力方向相反，不同的侧导轨间的夹角可以得到不同大小的Ny。当Ny与指向坡底的重力分力平衡时，活动屋盖(4)如履平地，溜车、牵引力大等问题不复存在，原庞大的牵引驱动系统不再需要，结构简化，开合时的能耗降低，对驱动系统的维护量可降低到更低的需求。

图3和图4所示为活动屋盖(4)的两种支撑状态，一种是侧向导轨(5)在侧向支撑(3)外侧的或者说侧向导轨(5)对侧向支撑(3)的作用力是指向活动屋盖(4)重心一侧的，导轨间距离是上端间距大下端间距小，另一种是侧向导轨(5)在侧向支撑(3)内侧的或者说侧向导轨(5)对侧向支撑(3)的作用力是背离活动屋盖(4)重心一侧的，导轨间距离是下端间距大上端间距小。

图5是球形屋顶，活动屋盖(4)沿着圆弧形轨迹爬行，当活动屋盖(4)打开(即活动屋盖(4)在坡下)时爬升角较大，关闭状态(即活动屋盖(4)在坡顶)的爬升角较小。这种情况下如果要较好的平衡重力，侧导轨也需要成为圆弧状，使得在下方时侧向夹角较大，上方时较小。

图6是对图3的进一步说明，针对变爬升角(球形顶)对应的圆弧形侧向导轨(5)，在爬升角较大时，侧向导轨(5)的侧向夹角也较大，可提供的指向坡上的分力也较大。所显示的两个圆弧形不在同一个投影面中。一个是正视图的爬升轨迹形状，一个是对应的侧向导轨(5)的形状。

图7是活动屋盖(4)与侧向支撑(3)连接的形式。对于利用活动屋盖(4)自身变形能力补偿侧向支撑(3)间跨度变化的，这种情况下的屋盖，好似弓搭箭拉弓时弓脚被弦拉近，箭出弦后弓脚因弦绷直而离开一样，拱的变形较大，且即使有较大的变形，结构应力也不会超过允许的强度限制；或者活动屋盖(4)跨度很大，爬升或下移的行程却相对较少，即对于矩形天井而言，屋盖跨间为长边，行走在短边上，因行走距离短，可致跨距变化量相对于结构尺寸较小，即变形率较小，这种情况下，结构变形所产生的应力或许不会超过允许的强度限制。采用这种形式连接，结构简单。对于有意识降低屋盖刚度的(具体内容后文叙述)也可以采用这种形式连接。

图8所示合力轨道(9)为承受重力的支撑轨道和承受水平支撑的侧向导轨合二为一的支撑形式采用的支撑轨道，这种情况下合力方向与轨面垂直或近似垂直。

图9是利用侧向伸缩元件(6)适应跨度变形的一种方式，当结构刚度较大，依靠自身弹性变形无法提供足够的跨距变化，采用液压缸或弹簧组件等元件可以实现大推力伸缩，其伸缩量能够相对较轻易地适应跨距变化，因拱形结构本身跨度并没有发生变化，侧向伸缩元件(6)在伸缩时推力无较大变化，因此结构在行走过程中的应力没有太大变化。此方式的缺点是结构相对复杂，尤其当采用液压缸时。采用油缸的优点是可以提供一个恒定的水平力和较大的水平位置补偿(行程调节)，但缺点是油路的控制相对繁琐，失压会导致平衡力丧失，所以安全性取决于导致失压的可能性，采用防爆阀或节流阀可以有效地控制失压；弹簧提供的水平支撑力与伸缩量相关，是变化的，但结构简单，具有对中性，虽然活动屋盖(4)闭合时，弹簧的压缩量较小，可平衡的重力有些损失，若下滑则因压缩量增加，弹簧力增加，直至平衡或大于重力分力而终止下滑，所以具备一定的安全性。

图10为一种能适应本发明的拱形，它由两个弓形结构连接而组成，左右两个弓形结构间的夹角可发生变化，重力使侧向支撑(3)紧紧压在侧向导轨(5)上，爬升时拱脚间距逐渐加大，两个弓形结构发生相对转动，中间下沉，下行时，拱脚间距逐渐减小，中间拱起。

图11是关于图8结构中间的第一种连接方式，此连接为活动铰(10)，为一个能够自由转动的带有转轴的铰链形式。

图12是关于图8结构中间的第二种连接方式，此连接为一个在一定范围内能够因弹性变形而产生相对转动的连接在一起无转轴的弹性铰形式，弹性铰为可产生弹性弯曲变形的弹性梁——檩(11)自身，所述一定范围为整个屋盖跨度时，即为刚度较弱的可适应拱脚跨度变化而变形的屋盖。

图13是关于图8结构中间的第三种连接方式，此连接由一个插接件(13)和数个张拉弦(12)构成，插接间(13)使左右两个檩连接在一起，相互间约束两个方向的移动自由度和张拉弦共同约束余下的一个方向的移动自由度，插接接头使两个连接的檩能够在一定范围内发生相对转动，张力弦则将两个檩拉在一起，通过其弹性变形适应两个檩间的相对转动。

图中代号表示如下：

1.固定屋盖  2.天井  3.侧向支撑(3)  4.活动屋盖(4)  5.侧向导轨(5)  6.侧向伸缩元件  7.浮动支撑  8.导向轮  9.合力轨道  10.活动铰  11.檩  12.张拉弦  13.插接件

具体实施方式

图5所示的侧向支撑(3)形式是活动屋盖(4)通过连接铰与支撑小车连接，支撑小车的下方有承受重力的支撑轨道(1)，侧向有承受水平支撑力的侧向导轨(5)。

图6所示为具有侧向伸缩元件(6)的侧向支撑(3)形式，活动屋盖(4)重量通过摆动支撑(7)压在支撑小车(3)上，摆动支撑(7)的上下两端为铰接，摆动支撑(7)为框型支架，上端与活动屋盖(4)的一个檩铰接(球铰)，下端通过两个同轴铰链连接在小车(3)上，两个铰链具有一定的间距，也可以说摆动支撑(7)应该是一个三角形框架，活动屋盖(4)相对小车具有除行进方向位移以外的所有方向和位移的自由度。提供水平位置补偿的侧向伸缩元件(6)的一端与活动屋盖(4)铰接另一端与小车铰接，用以提供足够的水平支撑力，以平衡重力。侧向伸缩元件(6)可采用油缸和弹簧，弹簧易放置于缸体内，伸缩的导杆与缸体间有导向，结构与油缸相似。

图7合力轨道(9)的轨面与活动屋盖(4)对轨道的合力垂直，由于本发明轨距上大下小，在活动屋盖(4)行走时活动屋盖(4)矢高与支撑跨距为变量，其受力方向也将随之变化，因此导向轮(8)是必须的，合力导轨(9)的稳定性不如两个方向分别支撑的导轨(1)和(5)。

图10两个弓形结构在中间连接，两端采用图7所示的侧向支撑(3)形式，对于整个活动屋盖(4)而言，则是在各个檩的中间有连接，每个檩的两端分别或单个檩或数檩一同连接在一个侧向支撑(3)上，图8所示的中间连接只是说明中间为一个可以使两侧间发生相对夹角变化，或者说，两边可相对弯折，中间连接可以是带有转轴的活动铰，可以是没有转轴可在弹性范围内发生弹性弯折的弹性铰，可以是插接件和张拉弦组合的铰，也可以是这些铰组合的铰。

图11是图10所示中间连接的一个具体形式，屋盖的两个檩通过活动铰(10)连接，活动铰(10)有轴耳、轴组成，轴耳为两组，分别与两侧檩坚固地固定连接在一起，通过轴将两侧檩经其轴耳铰接在一起。两个檩的两端(即下端)通过类似活动铰与小车连接。

图12是图10所示中间连接的一个具体形式，两侧屋盖的两个檩共体，共体部分为弹性变形段，这一段无腹杆，共体檩的截面高度不能太大，长度在不失稳的情况下尽量长，这样当需要两侧屋盖相互间弯折时，变形部分为弹性变形。两个檩的两端或下端通过活动铰与小车连接。

图13所示是图10所示中间连接的一个具体形式，两侧屋盖的两个檩(11)通过插接件(13)连接在一起，插接件可以一公一母(或一阴一阳)分别设置在两个檩上，插接在一起时，可相互间约束檩横断面方向的自由度以及对顶方向的单向自由度；也可以两公一母，两公头在檩上，母为共用件，两公被一母箍住；也可以是两母一公，公为栓或销，一公栓两母；也可以是图11所示轴耳交错插接在一起通过轴进行连接。无论怎样插接，配合处均可有间隙，或配合长度很短。为了使插接连接牢固，在插接件(13)的两端用张拉弦(12)将两侧檩(11)沿檩轴向的另一个自由度的一个方向进行进一步约束，张拉弦(12)的一端连接在插接件(13)的近处，另一端固定在另一侧檩上并远离插接件(13)，这样当两檩相对折弯时，张拉弦(12)的长度变化量较小，张力变化也较小。由于张拉弦与插接件共同构成了连接铰，而张拉弦在参与工作时是弹性变形状态，故此也可以认为此铰为弹性铰。

Claims (10)

1.一种使用在大型建筑具有坡度的屋顶上的活动屋盖(4)支撑方法，活动屋盖(4)行走方向的两侧设置有可承受水平支撑力的侧向支撑(3)，其特征在于用于支托侧向支撑(3)的侧向导轨(5)是一对对称布置的相互间具有一定夹角的导轨。对称布置的导轨在垂直对称轴的任意截面处，两侧向导轨(5)轨面与对称轴的侧向角是相等的，同一导轨任意截面处，侧向导轨(5)轨面与对称轴的侧向角即可以相同也可以是不同的，或者说导轨轨面可以是平面也可以是曲面。

2.根据权利要求1所述的方法，两对称布置的导轨间的夹角所处的方向不同或在上方或在下方，其特征在于侧向导轨(5)在侧向支撑(3)外侧的或者说侧向导轨(5)对侧向支撑(3)的作用力是指向活动屋盖(4)重心一侧的，导轨间距离是上端间距大下端间距小，反之，侧向导轨(5)在侧向支撑(3)内侧的或者说侧向导轨(5)对侧向支撑(3)的作用力是背离活动屋盖(4)重心一侧的，导轨间距离是下端间距大上端间距小。

3.根据权利要求1所述的方法，其侧向导轨(5)和承受重力的导轨(1)在任意截面轨面相互垂直，其特征在于承受重力的导轨(1)轨面法向面为重力方向，侧向导轨(5)的轨面为重力方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其侧向导轨(5)可以和承受重力的导轨(1)合二为一，其特征在于导轨(9)面的法向面与支撑合力(重力和水平支撑力)平行。

5.根据权利要求1所述的方法，行进时活动屋盖(4)两端侧向支撑(3)间的跨距是变化的，侧向支撑(3)起到调节的作用，其特征在于侧向支撑(3)由一个小车、浮动支撑(7)和侧向伸缩元件(6)组成，活动屋盖(4)的重力通过一个直立的摆动支撑(7)搭载在小车上，摆动支撑(7)的上端与活动屋盖(4)通过一个球铰连接，下端通过一个轴向与行走方向平行的铰与小车连接。活动屋盖(4)的水平支撑力通过一个呈水平设置的可承受压力的侧向伸缩元件(6)传递给小车，侧向伸缩元件(6)的两端通过铰分别与活动屋盖(4)和小车连接。

6.根据权利要求1所述的方法，行进时活动屋盖(4)两端侧向支撑(3)间的跨距是变化的，其特征在于活动屋盖(4)在侧向导轨(5)的对称面处一分为二，两扇活动屋盖(4)中间或为铰接，或为连接刚度较弱构成的弹性铰，或两者兼有的复合连接。

7.根据权利要求1所述的方法和权利要求6所述的活动屋盖(4)，其特征在于所述铰接为转动灵活的铰链(10)，铰链分布在各个檩上，各铰链的轴可以是独立的，视结构刚度，各轴可以不同轴，各轴轴线与连接各铰链的光滑曲线相切。

8.根据权利要求1所述的方法和权利要求6所述的活动屋盖(4)，中间的连接是在小范围内可产生弹性弯曲变形而使檩间可发生相对角位移的没有转轴的弹性铰，其特征在于弹性铰由檩(11)自身构成，在活动屋盖(4)的侧向导轨(5)对称面处沿檩长度方向一定范围内檩的结构高度很小。

9.根据权利要求1所述的方法和权利要求6所述的活动屋盖(4)，其特征在于弹性铰由檩(11)、张拉弦(12)构成，檩(11)在活动屋盖(4)侧向导轨(5)对称面处一分为二，相互间沿檩长度方向通过插接件(13)对顶插接，插接处相互间为间隙配合或配合长度较短的过盈配合或配合面用弹性件连接。两相互插接的檩(11)间通过张拉弦(12)连接，张拉弦的两端分别固定在两相互插接的檩(11)上，固定点至少一端远离插接点。

10.根据权利要求5所述的侧向伸缩元件(6)，具备承载和调节活动屋盖(4)与小车间距的作用，其特征是组成元件为液压油缸或弹簧组。

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