CN100424301C - 滑轮式张弦拱架结构体系 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种滑轮式张弦拱架结构体系，它是将拱架与张弦桁架体系构造技术优势相结合而开发的新体系。其特点是索和中间斜撑杆通过连接装置滑动连接，上弦与两根斜向撑杆形成稳定三角形，所采用的滑轮结点可使索在结点处自由滑动，避免了张弦梁撑杆竖直精度难以控制及施工张拉前需预留索球沿索长方向偏移量的问题，克服了索球对索体的摩擦力影响，保证了索体通长范围内受力均匀，能够充分发挥索的抗拉性能。其构成包括上弦、预应力索、上弦与索中间的斜向撑杆、斜向撑杆与索之间的连接结点滑轮、铰支座和滑动支座。本发明用于活荷载较大的大跨度建筑，同张弦梁结构比更显示其优越性。
Description
技术领域：
本发明公开一种新型大跨度空间结构体系——滑轮式张弦拱架结构体系。
背景技术：
滑轮式张弦拱架结构体系是将拱架与张弦桁架体系构造技术优势相结合而开发的新结构。研发背景涉及张弦结构、预应力拱架结构及其它杂交的大跨度预应力钢结构[1]。张弦结构是在双层悬索体系中的索桁架基础上，将上弦索替换成刚性构件而产生的。在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的梁或桁架而使体系的刚度和稳定性大为增加[2]-[3]。由于张弦结构体系是由梁和悬索通过撑杆的连接而优化组合得到的复合结构体系[4]，因此撑杆是保证结构效能的重要构件，它与索和梁的连接方式是决定体系受力合理性的重要条件之一。经过网上查新搜索关键词“张弦”，得到我国在大跨空间结构体系方面有约4个专利，包括张弦梁[5]-[7]、张弦拱及其施工制作方面的专利。预应力拱架结构是利用拱上无弯矩或小弯矩的优点，同时克服水平侧推力而形成的新体系，其中索拱体系近年来得到日益完善和应用。20世纪80年代，澳大利亚科研人员研制了一种预应力拱架结构-STRARCH建筑体系[1]-[4]，并申请了专利，它的索在下弦管中穿行，斜向撑杆与上下弦连接，张拉后灌浆使下弦与索连接成整体；经过网上查新搜索关键词“拱架”和“索拱”，得到有近7个空间结构方面的专利。
根据现有文献，可归纳出目前撑杆与索的连接方式有以下四种：穿心式索球连接[8]-[14]、耳板铰接连接[15]、套管滑动连接[1]、滑轮滑动连接[16]；撑杆按其与地面形成的角度可分为斜向撑杆和竖向撑杆。
穿心式索球采用两个半球，球中心留有一通径的索通道，施工穿索后将两个半球用螺栓相连。若采用索球与竖向撑杆的连接方式，则施工穿索后应将两个半球用螺栓紧紧相连，将索卡紧，保证索球与索共同工作，即索球与索之间在任何工况下不产生相对位移。由于采用此连接方式的撑杆与上弦必须采用铰接装置连接，因此，张拉钢索过程中必然会使撑杆在跨内方向朝索张力值大的方向摆动，如果撑杆在结构成型后偏移竖向位置，那么这对结构内部的稳定性将有较大的影响，因此为了保证其撑杆的竖向精度，张拉施工前必须将撑杆偏移竖向位置一段距离，即预先设置偏移量，但偏移量的大小是理论计算的结果，很难保证施工完毕后撑杆是竖直向下的；若采用索球与斜向撑杆的连接方式，则施工穿索后索球不能卡紧索体，允许索在球体内滑动；斜向撑杆与上弦可以采用铰接或刚接的连接方式，这样虽然解决了计算撑杆偏移量的问题，但是张拉过程中由于索体与索球间摩擦力的存在，会导致索体内部受力不均。
耳板铰接连接采用U形接头与撑杆耳板螺栓连接。施工过程中采用张拉工装对钢索进行分批张拉，在张拉过程中套筒的调整必须同步跟进，边张拉边上紧套筒。由于耳板铰接连接方式必须采用竖向撑杆构件，且竖向撑杆与上弦必须采用铰接装置连接，因此，张拉过程中撑杆必然在跨内方向摆动。为了保证竖向撑杆的竖向精度，必须对索力进行调整，这将导致每跨索力不等，而且索力值在调整后很难确定。
套管滑动连接采用在张拉施工过程中允许钢索在圆管或撑杆端部留有的索通道内部滑动的连接方式。采用此连接方式，若采用竖向撑杆构件，则竖向撑杆与上弦应采用刚性连接方式，不允许竖向撑杆在跨内摆动，这会导致竖向撑杆与上弦的连接处应力过大，存在局部失稳的可能性，而且索与管壁的摩擦力导致索体受力不均；若采用斜向撑杆构件，则斜向撑杆与上弦可采用铰接或刚接，这会导致与采用竖向撑杆构件相同的问题
滑轮滑动连接采用滑轮滑动装置连接索与撑杆，张拉施工过程中允许索在滑轮处滑移。采用这种连接方式，消除了索与撑杆间的摩擦力，索体内受力更加均匀，若采用竖向撑杆构件，则竖向撑杆与上弦必须采用刚性连接，这会导致竖向撑杆与上弦的连接处应力过大，存在局部失稳的可能性。鉴于此，本发明的结构体系采用了斜向撑杆构件，斜向撑杆与上弦铰接的连接方式。吸取张弦结构和拱架结构体系的优点，克服采用竖向撑杆构件、索球连接节点的结构施工时难以保证索球定位的不足而发明了一种新型大跨空间结构体系。
发明内容：
本发明的目的是为了克服张弦结构施工过程中带来的摩擦力及撑杆竖向偏移的问题，提供一种具有可滑动滑轮结点的张弦拱架结构，使索体内部受力均匀，无需考虑撑杆竖直偏移量，结构受力合理，施工方便。
本发明的目的是通过以下结构实现的：它包括上弦、预应力索、上弦与索中间的斜向撑杆、连接斜向撑杆、索压杆与索的滑轮装置、铰支座和滑动支座；上弦为箱型压弯构件，铰支座和滑动支座与上弦焊接连接，预应力索为受拉构件，中间斜向撑杆为钢压杆，上弦与中间斜向撑杆通过铰接装置相铰接，上弦与斜向撑杆形成了体系内部稳定的三角形，无须考虑张弦结构撑杆的偏移量问题，预应力索与中间斜向撑杆、索压杆通过滑轮装置滑动连接，由于滑轮的滚动作用，消除了预应力索与斜向撑杆间的摩擦力，因此无论在任何工况下索体内部受力都均匀，预应力索的效率更高，施工更加快捷。本发明提供了一种新型大跨度空间结构体系，其突出优点是索体内部受力均匀。
发明效果：
1、本发明改变了传统的张弦结构用索球连接撑杆与索的节点方式，所采用的滑轮结点可使索在轮节点处自由滑动，避免了撑杆竖直精度难以控制及施工张拉前需预留索球沿索长方向偏移量的问题，克服了索球对索体的摩擦力的影响，保证了索体通长范围内受力均匀，能够充分发挥索的抗拉性能，结构体系受力分布更均匀。
2、本发明所述撑杆结点采用可绕跨长方向坐标轴转动的铰接节点，使撑杆只受压力作用，完全符合体系受力性能。
3、本发明提出的新型结构体系特别适用于活荷载较大的大跨度建筑。
4、本发明降低了节点的用钢量；本结构节点简单，材料用量经济，受力明确，施工方便。
附图说明
图1是本发明滑轮式预应力拱架结构示意图。
图2是滑轮装置侧视构造图。
图3是滑轮装置剖面构造图。
图4是滑轮支架侧视构造图。
图5是滑轮支架剖面构造图。
图6是滑轮侧视构造图。
图7是滑轮剖面构造图。
图8是限索板侧视构造图。
图9是限索板剖面构造图。
图10是装饰螺母侧视构造图。
图11是装饰螺母剖面构造图。
图12是铰接装置侧视构造图。
图13是铰接装置剖面构造图。
图14是支座侧视构造图。
图15是支座剖面构造图。
图16是铰接支座俯视构造图。
图17是滑动支座俯视构造图。
图中1.滑轮式预应力拱架结构上弦，2.斜向撑杆，3.索压杆，4.预应力索，5.抗剪锚栓孔，6.铰接装置耳板，7.高强螺栓，8.梨形耳板，9.封板，10.连接装置耳板，11.滑轮支架，12.滑轮，13.轮轴，14.装饰螺母，15.限索板，16.支座耳板I，17.支座耳板II，18.高强螺栓。19.支座加劲肋板，20.铰支座底板，21.铰支座，22.滑动支座，23.滑动支座底板。
实施例
在图1所示实施例中，一种新型滑轮式预应力拱架结构。
如图1所示，它包括上弦、索、上弦与索中间的斜向撑杆、斜向撑杆间连接的索压杆、连接上弦与斜向撑杆的铰接装置、连接索与斜向撑杆的滑轮装置、铰支座和滑动支座；上弦为箱型压弯构件，索为受拉构件，斜向撑杆为钢压杆，索压杆为钢压杆，上弦与斜向撑杆通过铰接装置连接，斜向撑杆与索压杆焊接连接，索压杆与滑轮装置焊接连接，索与索压杆通过滑轮装置滑动连接，铰支座和滑动支座与上弦焊接连接。
它包括上弦1、预应力索4、上弦1与索中间的斜向撑杆2、斜向撑杆2间连接的索压杆3，连接上弦1与撑杆2的铰接装置、连接预应力索4与斜向撑杆2的滑轮装置，铰支座21和滑动支座22；上弦1为压弯构件，预应力索4为受拉构件，斜向撑杆2为钢压杆，索压杆3为钢压杆，上弦1与斜向撑杆2通过铰接装置连接，斜撑杆2与索压杆3焊接连接，索压杆3与滑轮装置焊接连接，预应力索4与索压杆3通过滑轮装置滑动连接，铰支座21和滑动支座22与上弦焊接连接。如图2-图11所示，滑轮装置包括滑轮支架11、滑轮12、轮轴13、装饰螺母14和限索板15，滑轮支架11焊接于索压杆3上，滑轮12通过轮轴13固定于滑轮支架11内部，防止索体滑出的限索板15套于滑轮支架11外侧并被轮轴13穿过，装饰螺母14拧于两侧带螺纹的轮轴13上，如图2、图3所示，索压杆3焊接于斜向撑杆2上，如图12、图13所示，铰接装置包括带通孔的铰接装置耳板6、高强螺栓7、梨形耳板8和封板9，铰接装置耳板6焊接于上弦1下，梨形耳板8焊接于封板9上，并夹住铰接装置耳板6，封板9焊接于斜向撑杆2上，高强螺栓7穿过铰接装置耳板6和梨形耳板8，如图14、图15、图16所示，铰支座21包括带通孔的支座耳板I 16、支座耳板II 17、高强螺栓18、支座加劲肋板19和铰支座底板20，支座耳板I 16焊接于上弦1下，支座耳板II 17焊接于铰支座底板20上，并夹住支座耳板I 16，高强螺栓18穿过三片支座耳板II 17和两片支座耳板I 16，铰支座底板20有四个圆形螺栓孔，图14、图15、图17所示，滑动支座22包括带通孔的支座耳板I 16、支座耳板II 17、高强螺栓18、支座加劲肋板19和滑动支座底板23，支座耳板I 16焊接于上弦1下，支座耳板II 17焊接于滑动支座底板23上，并夹住上弦1下支座耳板I 16，高强螺栓18穿过三片支座耳板II 17和两片支座耳板I 16，滑动支座底板23有四个滑槽螺栓孔。
本发明滑轮装置与铰接装置均可在工厂批量加工制作，现场组装简单，成本低，而且施工简便，施工成本较低。滑动支座既可水平运动，又可在平面内转动，实现了结构较好地抵抗地震作用的性能，且本支座装置所有部件均可在工厂加工制作，现场拼装，施工效率高。
上弦1为钢板焊接的箱型构件，斜向撑杆2为钢管，索压杆3为钢管。
预应力索4为高强度钢绞线或钢缆，其为张拉的预应力构件。
铰接装置耳板6和支座耳板I 16为一带孔的钢板，支座加劲肋板19、支座底板20和滑动支座底板23为一钢板。
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Claims (3)
1. 一种滑轮式张弦拱架结构体系，其构造特征是：上弦(1)、预应力索(4)、上弦(1)与预应力索中间的斜向撑杆(2)、斜向撑杆(2)间连接的索压杆(3)、连接上弦(1)与斜向撑杆(2)的铰接装置、连接预应力索(4)与中间斜向撑杆(2)的滑轮装置、铰支座(21)和滑动支座(22)；上弦(1)为箱型压弯构件，预应力索(4)为受拉构件，斜向撑杆(2)为钢压杆，索压杆(3)为钢压杆，上弦(1)与斜向撑杆(2)通过铰接装置连接，斜向撑杆(2)与索压杆(3)焊接连接，索压杆(3)与滑轮连接装置焊接连接，预应力索(4)与索压杆(3)通过滑轮装置滑动连接，铰支座(21)和滑动支座(22)与上弦(1)焊接连接；预应力索(4)和索压杆(3)通过滑轮装置滑动连接，滑轮装置包括滑轮支架(11)、滑轮(12)、轮轴(13)、装饰螺母(14)和限索板(15)，滑轮支架(11)焊接于索压杆(3)上，滑轮(12)通过轮轴(13)固定于滑轮支架(11)内部，限索板(15)套于滑轮支架(11)外侧并被轮轴(13)穿过，装饰螺母拧于轮轴上。
2. 根据权利要求1所述的一种滑轮式张弦拱架结构体系，其特征是：铰接装置包括带通孔的铰接装置耳板(6)、高强螺栓(7)、梨形耳板(8)和封板(9)，铰接装置耳板(6)焊接于上弦(1)下，梨形耳板(8)焊接于封板(9)上，并夹住铰接装置耳板(6)，封板(9)焊接于斜向撑杆(2)上，高强螺栓(7)穿过铰接装置耳板(6)和梨形耳板(8)。
3. 根据权利要求1或2所述的一种滑轮式张弦拱架结构体系，其特征是：铰支座(21)包括带通孔的支座耳板I(16)、支座耳板II(17)、高强螺栓(18)、支座加劲肋板(19)和铰支座底板(20)，支座耳板I(16)焊接于上弦(1)下，支座耳板II(17)焊接于铰支座底板(20)上，并夹住支座耳板I(16)，高强螺栓(18)穿过三片支座耳板II(17)和两片支座耳板I(16)，铰支座底板(20)有四个圆形螺栓孔；滑动支座(22)包括带通孔的支座耳板I(16)、支座耳板II(17)、高强螺栓(18)、支座加劲肋板(19)和滑动支座底板(23)，支座耳板I(16)焊接于上弦(1)下，支座耳板II(17)焊接于滑动支座底板(23)上，并夹住支座耳板I(16)，高强螺栓(18)穿过三片支座耳板II(17)和两片支座耳板I(16)，滑动支座底板(23)有四个滑槽螺栓孔；上弦(1)为钢板焊接的箱型构件，斜向撑杆(2)为钢管，索压杆(3)为钢管；预应力索(4)为高强度钢绞线或钢缆，其为张拉的预应力构件，铰接装置耳板(6)和支座耳板I(16)为一带孔的钢板，支座加劲肋板(19)、铰支座底板(20)和滑动支座底板(23)为一钢板。
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- 2005-12-22 CN CNB2005101273740A patent/CN100424301C/zh not_active Expired - Fee Related
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