鄂爾多斯東勝體育場活動屋蓋驅動與控制系統(tǒng)設計

范 重，胡純煬，程書華，顧 昉，王義華，楊 蘇，欒海強

（1.中國建筑設計研究院，北京 100044；2.長江精工鋼構（集團）股份有限公司，浙江 紹興 312030；3.上海櫪匯機電科技有限公司，上海 201400）

0 引 言

帶有可開合屋蓋的建筑可以滿足全天候使用要求，能夠根據使用功能與天氣情況在室內環(huán)境與室外環(huán)境之間進行轉換，使用者既能夠享受陽光與新鮮空氣，又可以避免受到風雨等惡劣天氣的影響。

帶有可開合屋蓋的建筑應選擇適當的開合驅動與控制方式，確保其運行的安全性、可靠性與耐久性。建筑物中的活動屋蓋移動方式與輪軌式起重機有很大差異，門式吊車對軌道的安裝精度與軌道的剛度要求較高，而活動屋蓋的軌道設置在大跨度固定屋蓋頂部時，軌道將隨著結構發(fā)生顯著的變形。迄今為止，各國活動屋蓋包括輪式驅動、鋼絲繩牽引、齒輪／齒條、鏈條／鏈輪、液壓千斤頂這5種驅動方式。其中，鋼絲繩牽引在活動屋蓋中應用最為普遍，如日本的大分縣體育場、小松穹頂和有明體育場、美國的瑞蘭特體育場和維斯康星州米勒運動場、德國的Gerry Weber網球場和中國的南通體育會展中心等建筑物的開合屋蓋工程均采用了鋼絲繩牽引方式［1－10］。

開合屋蓋涉及的技術領域較多，屬于交叉學科，需要與相關部門的技術人員互相配合，共同完成開合屋蓋的設計工作，因此，需要結構工程師對開合屋蓋所采用的驅動系統(tǒng)的特點及適用性有較為深入的理解。開合屋蓋在設計時應遵循以下基本原則：

（1）應根據屋蓋開合的移動方式與固定屋蓋、活動屋蓋結構的具體情況，選擇相適應的驅動方式，通過開合機械設備的設計，使其能夠將活動屋蓋的作用力可靠地傳遞給固定屋蓋及下部支承結構，確?；顒游萆w的行走機能充分發(fā)揮。

（2）控制系統(tǒng)的設計應與開合機械設備和活動屋蓋移動方式相適應，并能隨時糾正活動屋蓋運行中的人為操作失誤。

（3）在活動屋蓋運行中部件受到摩擦、沖擊等作用，逐漸產生磨損與變形，需要考慮進行維修或更換。開合裝置應經常進行檢修，保證其性能正常。在不影響其他設備與結構安全的情況下，驅動與控制裝置可進行維修與零件更換。

（4）可以通過鎖定裝置在活動屋蓋全開狀態(tài)、全閉狀態(tài)以及半開狀態(tài)進行位置固定。

（5）在活動屋蓋啟動或制動時，應采用反向牽引裝置、端止設備等可靠措施，確保開合機械設備與開合結構處于安全狀態(tài)。當設備運行結束后，應通過鎖定裝置進行可靠固定。

（6）活動屋蓋驅動與控制系統(tǒng)應由具有相關資質與經驗的專業(yè)廠家進行深化設計、加工制作和安裝調試。

（7）應切實做好驅動與控制系統(tǒng)的運行管理和日常維護工作。

驅動與控制系統(tǒng)應充分考慮固定屋蓋與活動屋蓋的變形，其具有充足的自適應與補償調整能力，機械液壓系統(tǒng)可靠、耐久，與控制系統(tǒng)相協(xié)調。施工時應盡量消除結構安裝誤差與變形的不利影響，減少卡軌力，并通過工廠試驗及現場安裝調試，確保開合屋蓋的順暢運行［11－12］。

對于空間移動式開合屋蓋，采用鋼絲繩牽引驅動的方式最為普遍。由于被動式臺車的體積較小，對建筑效果影響不大，得到建筑師與結構工程師們的青睞。傳統(tǒng)的做法是將驅動系統(tǒng)設置在被牽引活動屋蓋的同一側，在接近固定屋蓋的頂部設置定滑輪，實現牽引方向的變換，如日本的小松穹頂與大分穹頂。同時，為了防止鋼索松弛，可以設置相應的張緊裝置。

鋼絲繩牽引是在臺車上或其他部位設置電動卷揚機，通過電動卷揚機的卷筒纏繞鋼絲繩牽引活動屋蓋，適用于活動屋蓋在平面或空間的平行軌道上行走。鋼索驅動系統(tǒng)的主要優(yōu)點是動力傳動可靠性高、技術成熟、受軌道變形與臺車行走姿態(tài)的影響小、驅動系統(tǒng)故障容易排除。由外力引起的鋼絲繩伸長對精確定位有一定影響，且鋼索連接點容易引起結構局部受力集中。在進行驅動系統(tǒng)設計與使用階段，應避免鋼絲繩斷裂與松弛、電動卷揚機失效、電源故障等對活動屋蓋運行安全性的不利影響，通過日常檢修與維護保養(yǎng)使驅動與控制系統(tǒng)處于良好的狀態(tài)，對電動卷揚機等關鍵部件設置預警系統(tǒng)，并能在發(fā)生突發(fā)事件時使活動屋蓋立即制動。

1 工程概況

鄂爾多斯東勝體育場位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，地上3層，總建筑面積100 451m2，共有觀眾座席40 500個，其中，固定座席35 100個，活動座席5 400個。體育場固定屋蓋投影為橢圓形，長軸為268m，短軸為220m，巨拱高度129m，跨度330m，拱與地面垂線夾角6.1°，屋蓋頂標高54.742m。

鄂爾多斯東勝體育場由看臺結構、固定屋蓋、活動屋蓋、巨拱＋鋼拉索以及裙房組成。體育場碗狀看臺采用現澆鋼筋混凝土結構，由斜柱、樓層梁與看臺梁形成的徑向剛架作為徑向抗側力體系；由環(huán)向樓面梁連接各榀徑向剛架形成環(huán)向框架，并在周邊柱頂處設置剛性環(huán)梁，形成環(huán)向抗側力體系。

體育場結構結合內蒙古草原弓箭的造型，巧妙地采用鋼管拱橋的設計理念，通過鋼索將屋蓋大部分重力荷載傳給巨拱，水平荷載則由下部看臺混凝土結構承擔，使大跨度屋蓋桁架的高度大大降低，鋼材用量明顯減少，結構體系新穎、合理。鄂爾多斯東勝體育場屋蓋結構的布置如圖1所示。

圖1 屋蓋結構的布置Fig.1 Roof Structure Layout

鄂爾多斯東勝體育場最大可開啟面積（水平投影）10 076.2m2，開啟或閉合時間為18min，是目前中國規(guī)模最大的開閉屋頂體育建筑。體育場單片活動屋蓋質量約500t，屋蓋的開閉采用鋼絲繩牽引方式?；顒游萆w采用管桁架結構，屋面采用PTFE膜結構，可有效地適應活動屋蓋的變形，且防水性能優(yōu)越，可全天候使用。體育場單片活動屋蓋由位于兩側軌道的14個臺車支承。鄂爾多斯東勝體育場短軸方向的剖面如圖2所示。

圖2 短軸方向的剖面Fig.2 Cross－section Along Short Axis Direction

鄂爾多斯東勝體育場活動屋蓋驅動系統(tǒng)的基本運行方式是活動屋蓋沿著圓弧形軌道從兩側向屋蓋中心移動閉合或反向移動開啟。采用創(chuàng)新的鋼絲繩牽引活動屋蓋遠端的驅動方式，通過電動卷揚機、鋼絲繩牽引活動屋蓋，大大減小了鋼索轉向引起固定屋蓋的反力。每片活動屋蓋兩邊各有7個臺車，活動屋蓋通過臺車、軌道等部件將活動屋蓋的荷載傳至固定屋蓋。

在鄂爾多斯東勝體育場驅動與控制系統(tǒng)設計中，重點解決了以下技術難題：

（1）本工程的斜拱拉索＋固定屋蓋為非對稱結構，活動屋蓋運行時，兩側的軌道將產生非對稱的豎向變形及水平變形。為適應活動屋蓋運行過程中的相對變形及臺車姿態(tài)變化，臺車需要具有多方向的調節(jié)功能，保證活動屋蓋順利運行，且能夠應對風沙天氣等狀況，防止臺車導向輪過載和卡軌，消除過大的卡軌力損傷軌道和結構。

（2）活動屋蓋驅動與控制系統(tǒng)設計為多學科協(xié)作的系統(tǒng)工程，涉及到結構工程、機械設備、自動控制、加工制作、安裝與調試、施工驗收等諸多方面，相關單位必須密切配合，共同制定技術方案，對各個環(huán)節(jié)精心設計，嚴格控制施工精度，才能確保開合屋蓋工程的順利實施。因此，機械開閉系統(tǒng)的設計應盡早介入，以使建筑、結構、機械開閉系統(tǒng)三者之間相互協(xié)調。

2 活動屋蓋驅動系統(tǒng)

2.1 驅動系統(tǒng)組成

鄂爾多斯東勝體育場采用2套雙繩卷揚系統(tǒng)驅動額定質量為500t的單片活動屋蓋，2片活動屋蓋共采用4套卷揚系統(tǒng)進行驅動。單片屋蓋上的2套卷揚驅動系統(tǒng)布置在水平投影為直線的2道主桁架上，每套驅動系統(tǒng)由2根鋼絲繩牽引。每套卷揚開合驅動系統(tǒng)主要由卷筒驅動機構、下部轉向滑輪、上部轉向滑輪、導向滑輪、托輥導向輪及均衡梁組成。2根鋼絲繩通過均衡梁作用在活動屋蓋上，在卷筒的驅動下牽引活動屋蓋行走，活動屋蓋的開啟是在鋼絲繩的牽引下依靠重力下滑。鄂爾多斯東勝體育場采用的開合屋蓋驅動系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 開合屋蓋的驅動系統(tǒng)Fig.3 Driving System for Opening and Closing Roof

在固定屋蓋的2個主桁架上安裝魚腹式軌道梁，然后在軌道梁上鋪設軌道，活動屋蓋由在軌道上行走的臺車支承。單片活動屋蓋共由14個臺車支承，各臺車的布置如圖4所示。

圖4 活動屋蓋臺車的布置Fig.4 Arrangements of Trolleys for Retractable Roof

由于單片活動屋蓋由多個臺車支承，臺車支承反力的分布受到活動屋蓋的形狀與尺寸、開閉位置、臺車位置、固定屋蓋及活動屋蓋的剛度等因素的影響。通過結構的整體計算分析，可以得到各臺車的支承反力。

在自重的作用下，固定屋蓋主桁架及活動屋蓋將產生一定的變形?；顒游萆w除豎向變形外，其桁架下弦在垂直于軌道方向也將有所伸長。同時，活動屋蓋的重力荷載對主桁架產生反方向的橫向推力，因此，活動屋蓋的臺車與固定屋蓋拱形桁架兩者之間存在顯著的橫向變形差異?；顒游萆w運行在不同的位置，活動屋蓋與固定屋蓋的縱向和橫向相對變形不同，全閉位置時最大。

此外，受到溫度作用、鋼絲繩牽引力以及施工安裝誤差的影響，活動屋蓋的臺車與固定屋蓋拱形桁架在順軌道方向與垂直于軌道方向也會產生位移。

2.2 驅動方式與臺車布置

結合建筑造型，經多方案比選優(yōu)化后，確定采用鋼絲繩對拉驅動方式，大大簡化了機械驅動的復雜程度，解決了轉向滑輪受力過大的問題，有效降低了結構設計的難度。

在設計中利用建筑固定屋蓋的圓弧造型，通過調整屋蓋的圓弧半徑，使得臺車主要依靠活動屋蓋自重下滑力完成開啟，僅需在活動屋蓋爬升時利用臺車驅動，簡化了開合屋蓋的機械系統(tǒng)與結構設計。設置了下滑反向牽引保障系統(tǒng)，當在特殊情況下活動屋蓋無法開啟時，可用于克服初始摩擦力。

與以往工程相比，在鄂爾多斯東勝體育場中對驅動方式進行了重大改進：活動屋蓋全部采用被動式臺車，將卷揚設備設置在軌道端部相應的專用地下機房中，用鋼絲繩牽引相對較遠一側的活動屋蓋，傳力直接明確，轉向輪作用于固定屋蓋的反力大大減小，使鋼索系統(tǒng)大大簡化，適應能力更強，驅動可靠性提高。2個方向鋼絲繩平面的位置錯開，可以防止相互干擾。鄂爾多斯東勝體育場鋼絲繩驅動方式如圖5所示。

圖5 單側活動屋蓋的驅動方式Fig.5 Driving Mode for One of Retractable Roofs

鄂爾多斯東勝體育場單側活動屋蓋在跨度方向共有4道桁架，在機械開閉系統(tǒng)方案設計中，最初在單片活動屋蓋每側各布置4個臺車，將臺車設置在活動屋蓋桁架的端部。由于桁架間距接近20m，單個臺車的支承反力超過1 000kN。為了控制各臺車受力不均勻，需要適當減小活動屋蓋邊桁架的剛度。為了避免對活動屋蓋桁架的側向穩(wěn)定性產生不利影響，將活動屋蓋每側臺車的數量由4臺增至7臺，除內側1榀桁架負載較小保持不變外，其余均在桁架端部設置2個臺車，形成扁擔效應，有效增加了結構的穩(wěn)定性，減小了單個臺車的負載，從而改善了結構受力的均勻性和活動屋蓋對運行變形的適應能力，大大降低了固定屋蓋拱形桁架桿件與軌道梁的局部壓力，取得了很好的技術經濟效果。圖6為鄂爾多斯東勝體育場調整前、后活動屋蓋臺車的布置。

圖6 調整前、后活動屋蓋臺車的布置Fig.6 Retractable Roof Trolley Layout Before and After Adjustment

3 驅動系統(tǒng)主要部件設計

3.1 臺 車

行走臺車由臺車架、垂直反鉤或反滾輪、彈簧裝置等組成。臺車在順軌道方向和垂直于軌道方向設有平衡機構，其采用無輪緣的寬踏面車輪，適應軌道梁可能產生的垂直于軌道方向的變形，垂直于軌道方向的水平力由水平輪承受。在與活動屋蓋相連的臺車上，設置了垂直于軌道方向的滑槽，以適應活動屋蓋在開閉過程中產生的變形。在臺車上設置了垂直于軌道方向的彈簧裝置，以減緩活動屋蓋在垂直于軌道方向的變形。

活動屋蓋的支座通過法蘭盤和高強螺栓與臺車頂部相連。在臺車設計時應充分考慮臺車在運行時承受的橫向力以及在風荷載與地震作用下產生的拉力與側向力，在臺車上設置了垂直反鉤或垂直反滾輪，保持臺車在風荷載、地震作用及運行水平力作用下的位置，防止活動屋蓋漂移、車輪脫軌。在活動屋蓋運行過程中，驅動系統(tǒng)需要適應軌道水平方向與垂直方向的變形以及兩側軌道的變形差異。在斷電或故障維修狀態(tài)下，通過鎖定裝置將臺車固定在屋蓋軌道的任意位置上。鄂爾多斯東勝體育場臺車的主要設計參數如表1所示。

表1 臺車的主要設計參數Tab.1 Main Design Parameters of Trolleys

根據國家現行《起重機械設計規(guī)范》進行計算，確定臺車輪寬250mm，車輪直徑Dc＝500mm，車輪軸直徑dc＝110mm，安全系數為2.5。鄂爾多斯東勝體育場臺車的三維示意如圖7（a）所示。

本工程臺車采用油缸調整臺車和活動屋蓋之間的相對位置，運行時可以通過壓力傳感器檢測每個臺車所承受的荷載，通過位移傳感器檢測油缸的行程以調整臺車頂部的高度，防止臺車過載。臺車頂部油缸的構造如圖7（b）所示。

圖7 活動屋蓋的臺車構造Fig.7 Trolley Construction for Retractable Roof

為適應活動屋蓋在運行過程中的相對變形及臺車姿態(tài)變化，支承活動屋蓋的油缸具有3個轉動方向和橫向滑動的自由度。通過在關節(jié)軸承內圈安裝滑動軸承，套在臺車的主軸上，可以在垂直于軌道方向左右滑動。

臺車在運行過程中，既要靈活適應固定屋蓋和活動屋蓋之間的水平相對變形，防止臺車導向輪過載和卡軌，又要保證固定屋蓋能夠提供足夠的約束反力，以便對活動屋蓋進行糾偏。為實現這個目的，在水平方向滑動軸套與臺車之間通過有源阻尼器（油缸＋彈簧阻尼器）連接。

關節(jié)軸承內、外圈之間可自由轉動與滑動。油缸既可以在正常運行時靈活運動，又可以在糾偏時提供可控的糾偏力。在導向輪上安裝測力裝置以及在阻尼油缸上安裝壓力和位移傳感器，可以實時監(jiān)控臺車導向輪和軌道的橫向受力情況以及活動屋蓋的偏斜姿態(tài)。為了控制建造成本與結構的安全性，還應嚴格控制臺車及附屬設備的質量。

采用精密的控制系統(tǒng)設計與現場總體調試，可有效避免兩側臺車偏斜導致的卡軌。通過日常檢查、運行監(jiān)控、常規(guī)保養(yǎng)等措施，避免臺車車輪處的軸承、關節(jié)軸承與滑動軸承等關鍵部件失效，防止雨水進入與銹蝕，確保臺車處于正常工作狀態(tài)。

為保證臺車達到設計要求的承載能力，在出廠前進行模擬實際工況的試驗，可將運行過程中臺車出現故障隱患的可能性降至最低。專門研制的試驗設備完全可以模擬臺車運行的實際情況，測試臺車在額定運行速度下的承載力和耐久性、豎向與橫向調節(jié)能力、運動阻力與制動裝置的可靠性等，試驗如圖8所示。

圖8 臺車承載力與加載狀態(tài)下的運行能力試驗Fig.8 Trolley Test for Load Carrying Capacity and Movement Capacity Under Loading

3.2 軌 道

軌道對于活動屋蓋順暢運行至關重要，可以參照《通用門式起重機》（GB／T 14406—93）［13］和《起重機設計規(guī)范》（GB／T 3811—2008）［14］中的相關規(guī)定，根據臺車的輪壓進行設計。軌道應滿足豎向承壓、受拉與側向壓力的需求，臺車運行的側向壓力與輪壓大小相關。軌道應具有足夠的強度與剛度，減小臺車在運行中的變形量。在滿足活動屋蓋運行軌道剛度要求的前提下，應盡量減小軌道自重。軌道應采用強度高、硬度與耐磨性好的材料。軌道對安裝精度的要求很高，在主體結構卸載完成后方可安裝就位，使其連接構造能夠充分適應主體結構的變形。軌道及接頭部位應平整光滑，在連接處將焊縫打磨平整，也可以采用設置伸縮縫的方式克服超長軌道溫度變形的影響。臺車的軌道梁與支承結構如圖9所示。

圖9 臺車的軌道梁與支承結構Fig.9 Track Beam and Support Structure of Trolley

在固定屋蓋主桁架上安裝軌道梁時，應對其位置進行精細調節(jié)。軌道梁校正包括標高、平面位置和垂直度，保證軌道梁位于理想的圓弧曲線上。軌道接縫位置與軌道梁接縫位置不得重合，軌道的平面位置和垂直度的校正應同時進行。垂直度采用掛線錘測量，發(fā)現偏差可在軌道梁底部加墊片進行校正，軌道頂面圓弧應平滑過渡。

軌道頂面平整度的允許誤差不應大于1／1 000，全閉狀態(tài)同一截面內2根平行軌道標高的偏差不應大于5mm，軌道接頭間隙不大于5mm。臺車軌道的施工安裝如圖10所示。

圖10 臺車軌道的施工安裝Fig.10 Construction and Installation of Trolley Tracks

3.3 牽引鋼絲繩

本工程共采用4臺110kW電機，電機功率與活動屋蓋運行動力需求相匹配。牽引鋼絲繩應具有良好的性能，選用強度高、柔韌性好、耐久性好的大直徑鋼絲繩，同時應考慮啟動與制動時慣性力引起的動力放大系數。由于鋼絲繩承受反復荷載，安全性至關重要，安全系數應在6.0以上。鋼索彎折角度不能太小，卷筒直徑與鋼索直徑之比不應小于20。

牽引鋼絲繩與活動屋蓋的連接構造應滿足結構體系之間傳遞牽引力的要求，避免產生顯著的偏心荷載。在鄂爾多斯東勝體育場活動屋蓋驅動鋼索連接處設置了均衡梁，從而有效避免了結構偏心受力的不利影響。本工程活動屋蓋與均衡梁的連接構造如圖11所示。鋼絲繩繞過均衡梁的2個滑輪，兩邊鋼絲繩均經過托輥和滑輪后其端部與卷筒固定。這樣既保證了兩邊鋼絲繩受力均等，又避免繩頭與活動屋蓋鉚固連接，降低了安全風險。在均衡梁上安裝測力銷，可隨時監(jiān)測運行過程中兩邊鋼絲繩拉力之和，作為驅動系統(tǒng)操作的重要控制參數。本工程鋼絲繩驅動系統(tǒng)的設計參數如表2所示。

圖11 活動屋蓋與均衡梁的連接構造Fig.11 Connection Structure of Retractable Roof and Balance Beam

表2 活動屋蓋鋼絲繩驅動系統(tǒng)的設計參數Tab.2 Design Parameters of Wire Rope Driving System for Retractable Roof

設置4個均衡梁，單個質量為8t，外形尺寸為2 176.3mm×800mm×800mm。在活動屋蓋安裝完成后焊接均衡梁與邊桁架下弦的連接件，待電動卷揚機、輪系等部件安裝完成后安裝主鋼絲繩。

3.4 轉向滑輪、導向滑輪與托輥

鋼索的轉向滑輪受到很大的集中力，其固定支架應與主體結構進行可靠連接，但同時也應避免連接構造引起明顯局部偏心彎矩。為了防止臺車運行時出現牽引亂繩與鋼索滑脫的情況，沿鋼索長度方向在一定間隔處設置了托輥與導向滑輪，其構造如圖12所示。

圖12 托輥與導向滑輪Fig.12 Idlers and Guide Wheels

托輥為主要受壓部件，其安裝前必須根據上部轉向滑輪軸線位置進行定位安裝，根據現場實際位置進行配裝。

3.5 插 銷

為了防止活動屋蓋自由滑動，當活動屋蓋閉合后，作為保護措施，采用液壓驅動的電動插銷將2片活動屋蓋相互鎖定在一起。2片活動屋蓋之間可以傳遞水平力，有效增加了活動屋蓋的穩(wěn)定性。安全插銷裝置如圖13所示。

圖13 安全插銷裝置Fig.13 Safety Latch Device

當屋蓋在全開和全閉狀態(tài)下時，使用安全插銷將屋蓋可靠固定，使其保持靜止狀態(tài)。安全插銷只承受順軌道方向的荷載，垂直于軌道方向的荷載由水平輪承受，豎向荷載由運行輪承受。作為一種安全手段，在開合行程兩端設置緩沖限位裝置。

插銷在活動屋蓋拼裝結束后進行焊接。屋蓋合龍后，插銷需經過不小于10次的開合操作，根據現場實際位置進行配裝。

3.6 車 擋

在軌道端部設置臺車運行端止裝置（車擋）與緩沖器?；顒游萆w達到最大開啟位置后，由固定屋蓋上的車擋對其限位。車擋采用液壓裝置，減少接觸時的撞擊并減小活動屋蓋與車擋接觸的不均勻性。車擋及連接構造應具有足夠的強度，能夠阻止正常速度運行的開合式屋蓋，并有效控制各個車擋受力的同步性。當個別車擋出現超載時，可以自動將作用力轉移至其他車擋，以確保結構體系的安全性。上部車擋共有4處，用于活動屋蓋全閉狀態(tài)；下部車擋緩沖器共有12處，用于活動屋蓋全開狀態(tài)，如圖14所示。單個下部車擋質量為3t，外形尺寸2 040mm×400mm×1 158mm。車擋在安裝完畢后，需經過不小于10次的開合操作，并根據現場實際情況進行安裝調試。

圖14 活動屋蓋端部限位裝置Fig.14 End Limit Device for Retractable Roof

3.7 自鎖裝置

在大風與地震作用下活動屋蓋發(fā)生事故的可能性較大，單靠行走機構的制動裝置可靠性不高。為防止地震及臺風作用下活動屋蓋產生移動，在行走機構上設置鎖定銷栓裝置。在軌道兩端和中間區(qū)域的軌道支承結構上布設插座，以便在半開狀態(tài)以及發(fā)生地震、暴風、故障等緊急狀態(tài)時，臺車上的銷栓插入軌道支承結構的插座后即可鎖定活動屋蓋。自鎖銷栓與插座之間允許存在一定的偏差，用于適應溫度變化引起屋蓋結構的伸縮變形。由于地震作用時的滑移與反復撞擊，需要充分考慮作用于自鎖銷栓水平力的不均勻性。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 基本原則

控制系統(tǒng)通過對驅動系統(tǒng)的控制，確?；顒游萆w能夠在軌道上無偏斜移動。為防止人工誤操作，引入了自動控制操作系統(tǒng)，實現自動／手動2種操作模式之間的自由切換?；顒游萆w控制系統(tǒng)主要包括以下6個方面：

（1）啟動、停止（制動）加速度控制。

（2）速度與同步性控制，防止出現卡軌、蛇形運動，對于軌道不均勻變形具有即時調適能力。

（3）緊急制動控制可以防止開合屋蓋在電氣故障、供電突然中斷或機械系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時出現滑落現象，保證活動屋蓋在風、地震及其他特殊情況下的安全性。

（4）防止運行過程中的輻射電信干擾。

（5）防雷保護。

（6）在活動屋蓋上安裝前照燈、傳感器、風速儀等安全報警裝置。

開合屋蓋控制系統(tǒng)設計應考慮適當的冗余度，當某一個部位出現故障時，不應影響其他部位。

4.2 基本要求

開合屋蓋采用多臺車驅動方式，運行時需要有一個完善、精確的控制系統(tǒng)，操作人員需要時刻了解各處設備的運行情況?？刂葡到y(tǒng)自身構成多級閉環(huán)網絡，在正常情況下，操作人員只需按下啟動按鈕，活動屋蓋就可以自動完成開合。各工程開合屋蓋系統(tǒng)所選用的控制器各不相同，但控制框架基本相似，都采用總線結構，將各個控制設備連接在一起。采用總線的優(yōu)點是減少了各個設備之間的接線，將復雜的指令、數據信號通過一根總線傳達到每個終端設備，同時將需要了解的運行參數上傳到總控制器中。

開合屋蓋的每一片屋蓋均設置單獨的控制系統(tǒng)，可以單獨啟動，活動屋蓋的數量和終端控制器的數量相一致，各片屋蓋的控制器通過總線和監(jiān)控中心的主控設備相連?？刂泼科萆w的子站和該屋蓋上的驅動設備、檢測設備構成閉環(huán)系統(tǒng)，屋蓋終端控制器只要接到指令，就可以按照既定程序運行。

4.3 驅動同步控制

由于開合屋蓋具有多個驅動單元，如果多點驅動的同步性不好，就會出現活動屋蓋走偏、歪斜的現象。如何實現高精度的同步控制，成為開閉屋蓋技術的關鍵。在屋蓋開閉的不同階段，精度優(yōu)先保證的參數是各不相同的，通常開閉動作基本可分為啟動階段、運行階段和停止階段。啟動階段加速運動，距離一般不長，多在1～5m之間，該階段各種因素所造成的誤差較小，重點是對加速度的控制，以保證在預定位置達到一定速度，加速度的變化要平穩(wěn)，避免加速度大幅度的變化對結構產生沖擊。運行階段勻速運動，各驅動機械相互協(xié)調，通過調節(jié)速度，保證各點位置同步、姿態(tài)良好。停止階段減速運行，達到預設減速位置時，觸發(fā)器發(fā)出信號，進入減速停止階段，要求各點到停止前位移相同，避免碰撞。在屋蓋開閉過程中對軌道兩側偏移的限值要求較高，鄂爾多斯東勝體育場活動屋蓋行程約為60m，允許相對偏差為0.08%～0.24%。

對驅動機械的高精度同步控制是開合屋蓋的關鍵技術，以電機與液壓馬達為同步控制對象。電動卷揚機用變頻調速器實現無級調速，用力矩和張力控制，液壓馬達則通過伺服系統(tǒng)對流量的控制實現調速。屋蓋在運行時是動態(tài)的，運行時位移是關于時間的函數，對位移的控制是通過其對時間的倒數——速度控制實現的。

4.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子S7控制器、Profibus工業(yè)總線分布式控制系統(tǒng)，主控制器采用S7－300，從控制器采用S7－200，每個臺車上安裝有S7－200控制器對臺車進行終端控制。與PLC相匹配，安裝有研華工控系統(tǒng)記錄運行參數和運行自診斷程序，中控室內還裝有多路視頻監(jiān)視系統(tǒng)，可直觀顯示設備運行狀況。

4.4.1 屋蓋開啟過程

屋蓋開啟過程為電動卷揚機放出鋼絲繩、活動屋蓋在重力作用下緩慢下移的過程。屋蓋開啟過程可以分為以下3個階段：

（1）打開安全插銷。屋蓋在關閉時，2個屋蓋用安全插銷緊固在一起，使屋蓋不會下滑，鋼絲繩在全閉時處于松弛狀態(tài)，所以需要首先打開安全插銷?？刂葡到y(tǒng)控制電動卷揚機緩慢張緊鋼絲繩，待鋼絲繩達到一定的張力后，控制系統(tǒng)控制起動機，拔出安全插銷。

（2）控制屋蓋開啟。安全插銷完全打開后，控制系統(tǒng)控制電動卷揚機減小牽引力，屋蓋在重力作用下緩慢下移，屋蓋按照一定的加速度下移，逐漸達到正常速度，這時電動卷揚機處于發(fā)電制動狀態(tài)。

（3）減速停止過程。當活動屋蓋接近全開位置時，控制系統(tǒng)開始增大電動卷揚機的牽引力，使活動屋蓋逐漸減速，當檢測到完全開啟信號時，控制臺車上的制動器停止屋蓋移動，并控制電動卷揚機使鋼絲繩保持較小的張力，命令電動卷揚機上的制動器進行制動，電機停止運轉，屋蓋開啟過程完成。

4.4.2 屋蓋關閉過程

屋蓋關閉是開啟的反過程，控制系統(tǒng)先控制電動卷揚機使鋼絲繩達到一定的張力，然后繼續(xù)控制電動卷揚機增加牽引力，使屋蓋緩慢上移，并按一定的加速度達到正常速度后保持均速。當屋蓋快要關閉時，控制電動卷揚機減小牽引力，使活動屋蓋逐漸減速，當檢測到接近安全插銷位置的信號時（通過屋蓋位移傳感器信號），控制電動卷揚機逐漸減小牽引力，并啟動安全插銷電機，插進安全插銷；當屋蓋完全閉合時（屋蓋位移傳感器檢測到的距離小于一定值），緩慢減小鋼絲繩張力，達到預定張力后，控制臺車上的制動器制動，并繼續(xù)放松鋼絲繩，使鋼絲繩處于松弛狀態(tài)；電動卷揚機制動器制動，屋蓋完成關閉過程。鄂爾多斯東勝體育場活動屋蓋開合控制系統(tǒng)流程如圖15所示。

4.4.3 均載控制

本工程控制系統(tǒng)在活動屋蓋上的每個臺車裝有一個均載油缸?？刂葡到y(tǒng)通過對油缸行程和壓力檢測，計算出每個臺車的荷載，通過調整頂升油缸的壓力和位移，使得每個臺車在運行過程中的荷載基本相同。

4.4.4 糾偏控制

控制系統(tǒng)中臺車的糾偏控制是為避免安裝誤差或結構變形引起臺車受卡及活動屋蓋運行過程中的走偏而形成的卡軌。每個臺車上設有糾偏調整油缸、壓力傳感器和位移傳感器，主控制器把這些壓力傳感器和位移傳感器采集的數據經過一定的計算，即時調整臺車動作以及鋼絲繩牽引力大小，并隨時調整屋蓋的運行姿態(tài)，使活動屋蓋平穩(wěn)、安全地開啟與閉合。

4.4.5 檢測、監(jiān)控與自診斷系統(tǒng)

（1）檢測系統(tǒng)的冗余和自校驗

在設計時大量采用閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)點是能夠自動修正外部因素的影響，保持目標值的穩(wěn)定。為了確保系統(tǒng)的安全運行，檢測系統(tǒng)的檢測信號具有不同的冗余校驗功能：有些是直接冗余，如插銷間隙檢測采用雙位移傳感器，同一屋蓋有2組轉角檢測等；有些是通過間接關聯(lián)形成冗余，如張力檢測與變頻電機力矩檢測、卷筒碼盤同步檢測與臺車接近開關檢測等。

圖15 活動屋蓋開合控制系統(tǒng)流程Fig.15 Flowchart of Opening and Closing Control System for Retactable Roof

由于主要狀態(tài)均實現冗余檢測，因此本系統(tǒng)具備了自校驗故障的報警功能，當系統(tǒng)源一旦發(fā)生故障時，立即切入最安全的事故工況。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)

為便于操作人員遠程監(jiān)控屋蓋的運行狀態(tài)，設置了多個攝像頭，可以監(jiān)控各個臺車、2片活動屋蓋之間的插銷位置以及牽引驅動機房等實時情況。通過操作室的大屏幕多畫面顯示器，可以監(jiān)控機械設備各個部分的運行狀況。監(jiān)控系統(tǒng)可保存視頻信號，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障可以通過歷史記錄查找故障原因［15］。

（3）信號采集記錄與自診斷

本工程控制系統(tǒng)裝有一套工控機系統(tǒng)，通過組態(tài)軟件可將設備的運行狀態(tài)實時地顯示在屏幕上，工控機的海量存儲器可將安裝運行數據準確無誤地記錄在硬盤上，以備隨時查驗。

由于工控機具備快速數據處理能力，檢測系統(tǒng)滿足冗余和自校驗的功能，因此可以根據檢測信號相互之間的關聯(lián)關系，編制自診斷程序，一旦某一關聯(lián)關系遭到破壞，即可判斷為故障。工控機的自診斷程序根據失常的檢測信號，指明故障位置和故障性質，可使操作人員在第一時間進行故障排除。

4.5 安全應急保障系統(tǒng)

（1）停電狀況下的安全應急措施

牽引系統(tǒng)全部采用斷電抱閘控制，在高速轉軸上裝有斷電抱閘制動系統(tǒng)，同時在低速轉軸上裝有夾緊制動裝置，斷電抱閘制動系統(tǒng)能單獨提供相當可靠的停電制動功能。

（2）控制系統(tǒng)故障時的安全應急措施

開閉系統(tǒng)在正常狀態(tài)下通過控制系統(tǒng)安全有序地工作，通過采集和發(fā)出信號，一旦控制系統(tǒng)出現故障，整個開閉系統(tǒng)會自動停止運行。

（3）斷索狀況下的安全應急措施

控制系統(tǒng)在每根鋼絲繩上均裝有測力裝置，一旦發(fā)生斷索現象，立即會發(fā)出信號，同時該信號會傳輸到中央控制器。在發(fā)生斷索的情況下，其余變頻電機上的力矩檢測會及時發(fā)現力矩增大情況，該情況會通過信號傳輸到中央控制器，從而使中央控制器做出反應。2種檢測信號均反映到中央控制器上，通過控制系統(tǒng)對異常信號做出反應，第一時間通知操作人員，并能自動實現工作狀態(tài)停止。這種安全措施能使某根鋼絲繩斷裂的情況下及時制止其繼續(xù)發(fā)生，從而不會發(fā)生多根索斷裂的惡性循環(huán)。

鋼絲繩采用的安全系數為6.0，一個電動卷揚機控制箱控制2根鋼絲繩。由于控制系統(tǒng)的安全措施，不會發(fā)生2根及以上鋼絲繩斷裂的情況。在某根鋼絲繩斷裂的情況下，對應的臺車能及時做出制動響應，與其他沒有斷裂的鋼絲繩一起作用將活動屋蓋緩慢停在原位，從而能安全地牽引整個活動屋蓋，不致發(fā)生整個系統(tǒng)癱瘓的惡劣狀況。

電動卷揚機制動器采用的安全系數為1.5，在某根鋼絲繩斷裂的情況下，引起的其余制動器的力矩增加不會導致非正常工作狀態(tài)的發(fā)生，因此，該系統(tǒng)在斷索情況下具有良好的安全保障措施。

（4）火災狀況下的安全應急措施

體育場館發(fā)生火災的可能性很小，但在開閉系統(tǒng)的設計中必須考慮各種最不利因素，制動的冗余設計，特別是機械制動能力（臺車制動能力、鋼絲繩制動能力、電動卷揚機制動器等常閉型制動能力）設計讓開閉系統(tǒng)在火災發(fā)生時使整個系統(tǒng)處于安全狀態(tài)下。

鄂爾多斯東勝體育場活動屋蓋控制系統(tǒng)的操作臺見圖16，建成后的體育場實景見圖17。

5 活動屋蓋驅動與控制系統(tǒng)的管理

鄂爾多斯東勝體育場活動屋蓋機械驅動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)屬于重要的特殊設施，需要通過嚴格的管理措施確保其安全性、可靠性與耐久性。切實做好驅動與控制系統(tǒng)的維護管理工作對保障活動屋蓋正常運行非常重要。在開合方式和驅動與控制系統(tǒng)設計時，應考慮方便運行操作與維修管理，加注潤滑脂等使維護保養(yǎng)容易進行，在軌道上的所有部位均可進行維修，需要修理的部件拆卸、更換方便。應通過人員或攝像監(jiān)控設備對屋蓋開合過程進行監(jiān)測，專用監(jiān)控室應設在能夠看到活動屋蓋運行情況、視線良好的位置，并通過定期檢查或臨時檢查，及時發(fā)現驅動系統(tǒng)的故障與缺陷。根據開合屋蓋基本狀態(tài)與使用要求，明確全開、全閉狀態(tài)以及開合屋蓋運行的條件，并制定相應的管理措施。

5.1 運行管理

制定開合屋蓋使用手冊，對運行條件（氣溫、風力、降雪、降雨等）做出明確規(guī)定，相關人員專門培訓，運行管理專人負責。應制定活動屋蓋運行與維護的相關規(guī)定與注意事項，確?；顒游萆w安全操作和使用，制定活動屋蓋發(fā)生事故時的應急預案。

保證定期運行、保養(yǎng)，確保機械零件處于良好的工作狀態(tài)?；顒游萆w在全開、全閉以及運行過程中保持姿態(tài)正確無誤，機械驅動系統(tǒng)應當能夠運轉5年而不大修。在外部天氣條件允許的情況下對系統(tǒng)功能進行檢查，機械驅動系統(tǒng)在軌道上的所有部位都可以進行維修。

5.2 維護保養(yǎng)

（1）定期進行運行檢查，屋蓋每月至少打開或關閉1次，保持設備的良好運行狀態(tài)。

（2）每次動作前，應檢查鋼索位置與張拉是否正確，軌道處不準有任何雜物；夾軌器是否能夠打開，電動插銷推桿是否正常工作。

（3）每月進行維護保養(yǎng)，注意檢查各個行程開關，使其保持良好的狀態(tài)。檢查各部件連接螺栓的緊固狀況，防止螺栓松脫；檢查焊接部位的情況，發(fā)現焊接裂紋及時記錄報告。

（4）每月檢查各個控制臺、配電柜、配電箱等設備，使其保持良好的工作狀態(tài)；檢查內容填寫到維護保養(yǎng)記錄表中。

（5）每半年對整個機械、控制系統(tǒng)進行一次全面的維護保養(yǎng)；各個加油點每半年加注一次潤滑脂，必須保證整個系統(tǒng)運行的靈活性，并填寫半年維護保養(yǎng)記錄表。

（6）嚴格按照使用要求定期更換潤滑脂與電池。

（7）每2年由專業(yè)維護工程師對整個屋蓋機械傳動系統(tǒng)進行一次全面的檢查與維護保養(yǎng)。

（8）電氣設備均應防雨、防潮，如果出現淋雨和受潮現象，立即擦拭干凈，并用烘干機烘干，檢查絕緣性能符合要求后，才允許通電使用。

（9）遇到緊急情況時，應立即停止設備運行。

（10）如果設備運行過程中突然停止工作，必須查明原因，才允許其繼續(xù)工作。

（11）及時清理設備污漬，保持設備的整潔。

（12）定期對固定屋蓋、活動屋蓋進行全面檢查，出現異常情況應及時記錄處理。

5.3 屋蓋開合操作

（1）每次屋蓋開合操作前，維修人員應對機械、控制設備進行全面檢查。

（2）在開合操作過程中，操作人員與指揮人員用對講機隨時聯(lián)系，根據指令動作。

（3）在屋蓋開合的全過程中，操作人員嚴禁脫離崗位。

（4）操作前應檢查控制系統(tǒng)是否正常，并啟動監(jiān)控系統(tǒng)。

（5）檢查風速儀數據，并記錄。

（6）屋蓋在半開狀態(tài)的停留時間不能超過10 min，在全閉狀態(tài)應插上插銷。設備運行過程中，要利用監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控開合全過程，觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)是否有異常，并及時填寫屋蓋開合運行記錄表。

（7）以下情況嚴禁屋蓋開合操作：①災害性天氣（如風速超過12m·s－1的大風、地震、中雨及以上）；②機械設備檢查有異常情況，機械工程師不同意運行；③控制系統(tǒng)檢查有異常情況，自控工程師不同意運行；④屋蓋設備（如燈光、音響等）、排水系統(tǒng)等檢修維護；⑤其他非正常工作狀態(tài)。

6 結語

通過對傳統(tǒng)的鋼絲繩驅動方式進行改進，使鋼索系統(tǒng)作用于固定屋蓋的反力顯著減小，驅動可靠性提高。在活動屋蓋每榀桁架端部設置2個臺車，增加了結構的穩(wěn)定性，減小單個臺車的負載，大大降低了軌道桁架桿件與軌道梁的局部壓力，取得了很好的技術經濟效果。控制系統(tǒng)具有高智能化、高冗余度的特點，可以確保開合操作在各種緊急情況下的安全性。在臺車設置了多向調節(jié)裝置，可以根據運行情況調整臺車姿態(tài)與反力，成功地解決了活動屋蓋的左、右軌道變形不對稱問題。針對本工程制定了詳細的活動屋蓋運行管理規(guī)定，對于確保開合屋蓋長期運營的可靠性具有重大意義。

［1］MOGAMI K.The Ohita Dome and Retractable Structure in Japan［C］／／SECWC.SECWC’98.San Francisco：SECWC，1998：1－12.

［2］ISHII K.Structural Design of Retractable Roof Structures［M］.Southampton：WIT Press，2000.

［3］BRADSHAW R，CAMPBELL D，GARGARI M，et al.Special Structures：Past，Present，and Future［J］.Journal of Structural Engineering，2002，128（6）：691－709.

［4］劉錫良.現代空間結構［M］.天津：天津大學出版社，2003.

LIU Xi－liang.Modern Spatial Structures［M］.Tianjin：Tianjin University Press，2003.

［5］PINTO C，ABRUZZO J，DESCENZA R.New Pivot Bearings for Miller Park’s Moveable Roof Hit a Home Run with the Park’s Owners and the Team’s Fans［J］.Modern Steel Construction，2004（5）：1－6.

［6］KASSABIAN P，YOU Z，PELLEGRINO S.Retractable Roof Structures［J］.Structures and Buildings，1999，134（2）：45－56.

［7］MANN S，TOKARCZYK B.The Past，Present，and Future of Retractable Roofs［J］.Structure Magazine，2004（11）：33－39.

［8］陳以一，陳揚驥，劉 魁，等.南通體育場開閉式屋蓋鋼結構設計［J］.工業(yè)建筑，2004，34（增）：84－90.

CHEN Yi－yi，CHEN Yang－ji，LIU Kui，et al.Steel Structure Design of Nantong Stadium Retractable Roof［J］.Industrial Construction，2004，34（S）：84－90.

［9］RIBERICH B L.Retractable Stadium Roofs and Flooring［J］.Interface，2009（1）：12－21.

［10］范 重，趙長軍，李 麗，等.國內外開合屋蓋的應用現狀與實踐［J］.施工技術，2010，39（8）：1－7.

FAN Zhong，ZHAO Chang－jun，LI Li，et al.Application Situation and Practice of Retractable Roof in China and Abroad［J］.Construction Technology，2010，39（8）：1－7.

［11］管 軍，顧大強，段福斌.移動屋蓋開合機械的設計方法［J］.機械設計與研究，2004，20（5）：77－80.

GUAN Jun，GU Da－qiang，DUAN Fu－bin.Design Method of Retractable Mechanical of Mobile Roof［J］.Mechine Design ＆ Research，2004，20（5）：77－80.

［12］周良金，顧大強.屋蓋開合機械裝置設計［J］.起重運輸機械，2010（7）：8－13.

ZHOU Liang－jin，GU Da－qiang.Design of Retractable Mechanism for Retractable Roof［J］.Hoisting and Conveying Machinery，2010（7）：8－13.

［13］GB／T 14406—93，通用門式起重機［S］.

GB／T 14406—93，Universal Gantry Crane［S］.

［14］GB／T 3811—2008，起重機設計規(guī)范［S］.

GB／T 3811—2008，Design Codes for Cranes［S］.

［15］WNUK V P.Monitoring System Proves Rooftop Safe After Seattle Earthquake［J］.Experimental Techniques，2001，25（3）：21－25.