一种斗型升降屏的钢结构设计及分析

雷 鹏

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

1 概 述

随着我国经济、科技、社会的发展，体育运动产业所蕴含的巨大经济功能和价值不断显现出来。体育运动产业作为一种“朝阳产业”，其所带来的经济增长在国民生产总值中的比重越来越大。体育场馆是体育运动产业发展的重要物质基础，是各项竞技体育运动的训练和比赛场地，是全民健身和社会交往的重要场所，也是一个城市和地区现代化建设成就的重要标志。体育场馆建设的数量和质量，直接关系着体育运动的广度和深度，关系着人们的生活质量，是衡量体育事业和社会经济发展的重要尺度。因此，体育场馆的建设越来越被各级政府所重视[1-2]。

体育场馆的中央悬挂显示系统——斗型屏是体育场馆多媒体信息显示、交互的重要载体，主要完成电视转播、计时记分显示、信息发布以及广告投放等多媒体信息的分发显示，是整个场馆显示系统的核心。

传统的斗形屏一般自上而下由上环屏、八面屏、中环屏、四面屏及下环屏这5 组屏组成，其围成的圆或多边形的直径由上而下缩小，侧面看形如漏斗，因此也叫漏斗屏。斗形屏主要用于篮球馆、冰球馆等体育馆，悬挂于场地中央上空，悬挂高度是固定的，需要给比赛留出足够空间[3]。

本文的研究依托于某省体育馆，斗型升降屏是该体育馆的中央悬挂显示设备。本系统设计的最大亮点就是斗型屏设计为可升降式的，主要有以下几个优点。

斗形屏采用多台同步环链电动葫芦升降传动系统，可以根据不同的商业运作（如球类赛事、演艺场效、展视、发布及各类商业运营）需求，调整斗形屏在体育馆中的悬挂高度，有力地拓展了体育馆的运营功能和场景。

斗形屏与体育馆内主体钢构实现柔性分离，有效地达到结构体的整体承载性能与LED 屏体的形位受力安全，增加了整个系统的可靠性和抗震性能。

系统维护时，可将斗型屏下降到距离地面1 m处，提高了系统维护的便捷性。

2 设计要点及标准

2.1 结构设计要点

基于体育馆的实际情况和运营需求，本文的设计主要有以下要点。

（1）安全第一，在满足斗形屏金属结构框架强度的情况下，采用优质国标轻钢型材，对屏体在多种静止和运行状态的受力进行分析，取值大于5 ～10 倍的安全系数进行设计。

（2）金属钢结构框架采用功能分解方式，部件工厂专用精密金工平台生产、组合、调试，现场组合安装，使各组合部件的产品品质得到有效的生产保证。

（3）斗形屏的钢结构与体育馆内主体钢构实现柔性分离，斗型屏钢结构上的4 个主吊点通过电动葫芦锁链吊装到体育馆的主体钢构上，四周装有4个手动保护锁链连接到主体钢构上，以增加系统的安全性能。

2.2 设计依据与标准

本文的设计主要参考以下标准和文献：《钢结构设计标准(附条文说明[另册])》（GB 50017—2017），《剧场建筑设计规范》（JGJ 57—2016），《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012），《机械设计手册》以及《起重机械安全规程 第1 部分：总则》（GB 6067.1—2010）。

3 钢结构设计

斗型屏采用三层结构设计，如图1 所示。上层计分屏为8 块（3.2 m×2.4 m）全彩室内LED 比分显视屏，中层为文字屏，屏尺寸为26.88 m×0.64 m，是1 块环形屏；下层为视频屏，由4 块尺寸为5.76 m×3.2 m 的LED 组成。

图1 斗型屏的分层组成

本结构采用钢结构框架斜撑及平面桁架体系。该结构总高度6.11 m，钢结构总重4.3 t，所有杆件采用轧制方钢管。本结构设计安全等级为二级，设计使用年限为50 年。结构为室内钢索吊挂结构，故不考虑风荷载、雪荷载作用。

所有的构件材料均采用钢Q345B。Q345B 钢的焊接采用E50 型焊条。当采用自动焊（或CO2 保护焊）时，应选择与钢材相匹配的专用焊丝与焊剂。两种不同强度等级的钢材焊接时，采用与强度等级较低的钢材匹配的焊接材料。

3.1 总体结构

总体结构分为四部分，如图2 所示。其中，井字型框架及支撑是主承力件，是斗屏结构的结构主体；上屏桁架、中屏桁架及下屏桁架分别焊接在井字型框架及支撑上，用来安装计分屏、环形文字屏及视频屏。

图2 斗型屏的总体结构

3.2 井字型框架及支撑

井字型框架及支撑的结构形式如图3 所示。

图3 斗型屏的井字型框架及支撑结构

井字型框架及支撑主要用3 种钢件型材。其中，竖直方向的主承重结构构件用RHS170×140×4规格的型材，水平方向的承重结构构件用RHS140×140×4 规格的型材，斜向的结构构件直接框架用RHS40×40×3 规格的型材。结构构件各个部分的型号如图4 所示。

图4 井字型框架及支撑的构件长度

3.3 上屏桁架

上屏桁架的结构形式如图5 所示。

图5 上屏桁架的结构

井字型框架及支撑主要用2 种钢件型材。其中，上下外圈的主框架结构构件用RHS40×40×3 规格的型材，中间连接加强的结构构件用RHS30×30×3规格的型材。结构构件各个部分的型号如图6所示。

图6 上屏桁架的构件长度

3.4 中屏桁架

中屏桁架的结构形式如图7 所示。

图7 中屏桁架的结构

井字型框架及支撑主要用2 种钢件型材。其中，上下外圈的主框架结构构件用RHS40×40×3 规格的型材，中间竖向连接的结构构件用RHS30×30×3规格的型材。结构构件各个部分的型号如图8 所示。

图8 中屏桁架的构件长度

3.5 下屏桁架

下屏桁架的结构形式如图9 所示。

图9 下屏桁架的结构

井字型框架及支撑主要用2 种钢件型材。其中，上下外圈的主框架结构构件用RHS40×40×3 规格的型材，中间连接加强的结构构件用RHS30×30×3 规格的型材。结构构件各个部分的型号如图10 所示。

图10 下屏桁架的构件长度

斗型屏钢结构之所以设计成这种形式，是考虑到工程实际情况。钢结构总体尺寸过于庞大，如果在加工厂制作焊接完成，则会出现运输成本过大和钢结构无法进入体育馆内的问题。因此，先在加工厂把每一根钢构型材根据实际的尺寸切割好，然后在体育馆施工现场进行拼装焊接。施工时，先把井字型框架、上屏桁架、中屏桁架及下屏桁架这4 部分分别拼装焊接成一个整体钢构件，然后再把上屏桁架、中屏桁架及下屏桁架吊装焊接到井字型框架上，最后再把支撑梁焊接到主体钢构件上，完成组装焊接。

4 模型的分析与计算

本方案采用目前国内外通用的有限元设计分析软件Sap2000 进行结构分析与计算。Sap2000 是结构分析与设计的通用有限元计算软件，自诞生以来，已经成为结构分析与设计方法的最经典的工具。Sap2000 软件采用有限元分析技术，能够基于中国规范进行线性、非线性分析、动力地震分析及静力Pushover。Sap2000 软件已有30 年的研发历史，计算快捷，分析结果合理可靠，其权威性和可靠性得到了业界的一致肯定[3-5]。本项目基于Sap2000 V15版本，对Sap2000 软件的计算结果进行了复核计算，最终确定分析模型。

4.1 模型的建立

首先建立模型，如图11 所示。

图11 钢结构的建模

4.2 输入载荷

斗型升降屏系统各部分质量统计如表1 所示。

表1 斗型屏系统各部分质量统计表

整个斗型屏总质量为9.8 t。把将斗型屏各个节点的荷载转换为集中荷载，施加到桁架节点上，各个节点的载荷如图12 所示。

图12 钢结构各个节点的载荷

4.3 分析计算

经过分析计算，得到各个部分的轴力图如图13—图16 所示。

图13 井字形框架及支撑轴力图

图14 上屏桁架轴力图

图15 中屏桁架轴

图16 下屏桁架轴力图

轴力图各个节点上的数字表示此桁架节点上产生的应力。其中，蓝色的是正值，代表的是压力；红色的是负值，代表的是拉力，单位为N。

由此得到的应力比云图如图17—图20 所示。

图17 井字形框架及支撑应力比云图

图18 上屏桁架应力比云图

图19 中屏桁架应力比云图

图20 底屏桁架应力比云图

应力比指的是试件循环加载时的最小载荷与最大载荷之比（或者试件最小应力与最大应力之比）。由结果显示，各个杆件应力比均未超过0.1，表明该结构具有较高的安全系数。

4.4 模态分析

模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比及模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得。这样一个计算或试验分析过程称为模态分析[6]。本设计利用大型有限元软件Sap2000 进行了模态分析，取前6 阶进行分析。由于在比例系数为1 的情况下结构变形非常小，故将结构的变形扩大为500 倍，以方便观察。其中f为频率，即在此模态下的特定的固有频率，T为幅值传递比，即振动系统在此模态下受迫振动时，响应幅值与外加激励幅值的比值。

图21 第1 阶模态（T=0.067 78，f=14.753 96）

图22 第2 阶模态（T=0.067 08，f=14.907 59）

图23 第3 阶模态（T=0.050 73，f=19.713 99）

图24 第4 阶模态（T=0.049 23，f=20.314 00）

图25 第5 阶模态（T=0.039 26，f=25.470 34）

图26 第6 阶模态（T=0.038 48，f=25.989 73）

在此过程中，产生的节点位移如表2 所示。整个钢结构中一共有610 个节点，由于篇幅限制，只列举了其中一部分数据。其中，U1代表X轴方向位移，U2代表Y轴方向位移，U3代表Z轴方向位移。

表2 各个节点的位移统计表

由表2 中的数据可知，各个节点的位移量均小于0.1 mm，所产生的形变极小，符合设计要求，整个钢结构有极高的安全性能。

4.5 工程实现

本系统依托于某省体育馆，经过现场施工单位及监理单位的不懈努力，工程已经全部完成验收并交付甲方使用。

该体育馆已经在2021 年秋正式投入运营，是该省最大的、技术性能最强的室内运动场馆，填补了该省大型综合性体育馆的空白，极大地改善了该省体育运动训练和全民健身条件，取得了极好的经济效益和社会效应。该体育馆内斗型升降屏实体如图27 所示。

图27 斗型升降屏实体图

5 结 语

本文系统地介绍了一种斗型升降屏的主体钢结构设计及其受力分析和模态分析，并运用于工程实践。现代斗形屏的设计是“机械、钢构、娱乐”三大类不同学科相融一体的一项边缘工程，设计中也存在着“刚性钢构与LED 屏体柔性的安装”及“两种不同效应钢构之间的有效联接和传导”等问题。本文的设计有效地解决了斗形屏设计制造和运行中的应力效应释放问题，并为多点轻便升降传动系统提供了负载平台和准确的垂直定位质量，可以为其他类似的工程设计与实践提供参考。