CN101122159A - 一种施加预应力的钢管整体桁架及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种施加预应力的钢管整体桁架，所述的组成桁架的构件包括杆件和节点，所述的杆件包括上弦、下弦的弦杆和腹杆；其特征在于在所述桁架的受拉杆件及相连的节点中至少设有一束预应力钢铰线，所述预应力钢铰线的两端分别固定在桁架中受拉杆件及相连的节点所构成的受拉段的两端，在所述桁架的受压杆件及相连的节点内浇注有混凝土。该整体桁架为钢、混凝土、预应力钢绞线多材料组合的桁架体系，提高了桁架的承载力和刚度，并通过较小的经济投入为桁架体系提供二次防线。本发明还同时公开了上述施加预应力的钢管整体桁架的施工方法。

Description

一种施加预应力的钢管整体桁架及其施工方法

所属技术领域

本发明涉及一种建筑桁架及其施工方法，特别是涉及一种施加预应力的钢管整体桁架及其施工方法。

背景技术

在现代建筑中，以钢管为杆件组成的钢桁架，因其承载力大、布置灵活、施工方便，已广泛应用于大跨度和大悬臂结构、转换梁结构中。目前，平面桁架的杆件节点分为铰接和刚接两种形式。当采用铰接节点时，平面桁架为静定结构，即指无多余约束的几何不变体系，仅一道防线，只要有一根杆件破坏，瞬间结构倒塌，后果不堪设想；当采用刚接节点时，虽然桁架仍属于超静定结构，即指有多余约束的几何不变体系，但如果要确保桁架结构在某一杆件或节点发生破坏时，仍能有一定的塑性变形能力，而不是瞬间倒塌，则桁架中各杆件的承载力和刚度需要大幅度提高，增加了制作成本，从而带来极大的经济负担。特别在大跨度悬挂结构中，这个问题就更突出了。

另外，平面桁架的杆件节点无论是铰接还是刚接，桁架的变形都相当大，但刚接的整体性更有利于抗震及协调受力和变形；桁架构件中的各杆件的受力也很不平均，大者很大，小者很小，甚至为零杆，也造成了用材方面的浪费。因此它的推广使用多多少少受到一定的限制。

综上所述，普通矩形钢管桁架存在以下缺陷：

(1).采用铰接节点时为静定结构，无安全储备；

(2).采用刚接节点时，需要以极大的经济投入为代价才能换来较小的安全储备；

(3).个别杆件受力很大，个别杆件又几乎为零杆，造成局部杆件断面大和用材多；

(4).节点的刚接较难实现，常因节点的变形而使整体桁架的变形增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种施加预应力的钢管整体桁架及其施工方法，该整体桁架为钢、混凝土、预应力钢绞线多材料组合的桁架体系，提高了桁架的承载力和刚度，并通过较小的经济投入为桁架体系提供二次防线。

本发明的技术方案可以通过以下的措施来实现：一种施加预应力的钢管整体桁架，所述的组成桁架的构件包括杆件和节点，所述的杆件包括上弦、下弦的弦杆和腹杆；其特征在于在所述桁架的受拉杆件及相连的节点中至少设有一束预应力钢铰线，所述预应力钢铰线的两端分别固定在桁架中受拉杆件及相连的节点所构成的受拉段的两端，在所述桁架的受压杆件及相连的节点内浇注有混凝土。

所述桁架的上弦、下弦的弦杆和腹杆可以为圆形截面或矩形截面的钢管等。

所述的节点为“K”型节点，即上、下弦的弦杆与腹杆之间均由“K”型节点连接，“K”型节点的竖直边水平布置，与弦杆相连；“K”型节点的二斜边均与倾斜的腹杆相连；连接受拉杆件的节点内设置让预应力钢铰线穿过的导索孔，所述的导索孔设在所在节点内靠近端口处的加劲肋板上。一般，两个导索孔为一组，位于节点内的二端口附近，分别作为钢铰线在节点中的导入孔和导出孔，根据节点所处位置的不同，导入孔和导出孔可以灵活布置，既可以都设在与弦杆相连的水平杆件内，又可以分别设在与弦杆相连的水平杆件和与腹杆相连的倾斜杆件内。

本发明可以作如下改进，连接受拉杆件的节点内还可以设有导索管，导索管的两端分别固定在节点内二端口处加劲肋板的导索孔内，从而更加方便穿装预应力钢绞线，导索管的形状是根据桁架内钢绞线的设计走向来确定的，可以为直线形，还可以为弧线形；所述的节点内还可以设有用来支撑导索管的支撑肋板，以增加结构强度，支撑肋板上端设有与导索管截面轮廓相适应的支撑槽。

本发明在桁架的矩形钢管内设置有预应力钢铰线，利用预应力钢铰线的张拉，形成桁架结构的反向预变形，并在受压的矩形钢管内灌注混凝土，利用受压的钢管混凝土及受拉的钢铰线，大大提高桁架杆件的承载力和刚度。当桁架的钢材接近弹塑性破坏时，由于矩形截面的钢管混凝土构件的抗压性能好，且预应力钢铰线的抗拉性能强，设有预应力钢铰线与灌注混凝土的钢管构件可以组成一种杆索结构体系，作为桁架的二次防线。

本发明可以作以下改进，当本发明用于悬臂结构的桁架中时，由于桁架的上弦受拉、下弦受压，所述的预应力钢铰线设置于桁架的上弦中，即设置在上弦的弦杆及与其相连的节点中；而浇注混凝土的部位为桁架的下弦及受压腹杆，即下弦的弦杆、节点及受压腹杆。

本发明还可以作以下改进，当本发明用于大跨度结构及转换梁结构中的桁架中时，与悬臂结构的受力相反，桁架上弦受压、下弦受拉，则所述的预应力钢铰线设置于桁架的下弦中，即设置在下弦的弦杆及与其相连的节点中；而浇注混凝土的部位为桁架的上弦及受压腹杆，即上弦的弦杆、节点及受压腹杆。由于在大跨度结构中，桁架受压腹杆的内力与受压上弦的弦杆相比要小得多，为减轻结构自重，浇注混凝土的部位也可仅为受压上弦的弦杆及节点。

本发明还可以作以下进一步改进，当本发明所述的桁架用于大型的悬挂结构中时，利用桁架的对称性，桁架为中间一跨而两端挑出的结构，其中桁架悬臂部分的受力情况与普通悬臂结构类似，即桁架的上弦受拉、下弦受压，所述的预应力钢铰线可以设置于桁架的上弦中，而浇注混凝土的部位为桁架的下弦及受压腹杆。

本发明所述的桁架用于大型的悬挂结构中，当桁架的悬臂部分的尺寸较小时，其跨中受力情况类似于大跨度结构，即桁架的上弦受压、下弦受拉，此时，所述的预应力钢铰线可以设置于桁架的下弦中；而浇注混凝土的部位为桁架的上弦及受压腹杆。

本发明所述的桁架用于大型的悬挂结构中，当桁架的悬臂尺寸较大时，其悬臂部分的受力比跨中部分要大得多，此时为了平衡悬臂部分产生的力矩，除了在悬臂部分的桁架下弦及受压腹杆内浇注混凝土外，浇注混凝土的部位还可以包括非悬臂部分的跨中部分的全部构件，以加大中间跨的自重及刚度。另外，预应力钢铰线可在桁架的上弦通长设置，对称张拉，这样，桁架既可以对称变形也可以反对称变形，其预应力荷载可作为回复力，宛如一个人平衡的用两肩挑着东西，两肩之间的“扁担”起到协调变形和减小竖向振动的作用。

本发明所述的施加预应力的钢管整体桁架的施工方法，具体包括如下步骤：

(1).首先用钢材制作成钢管构件，所述的构件包括杆件和节点，杆件包括上、下弦的弦杆和腹杆，在预应力钢铰线经过的节点内预留导索孔，在受压杆件内预留混凝土浇注孔；

(2).然后利用预留的导索孔在受拉的杆件及节点中穿预应力钢铰线，按要求对钢铰线进行张拉，并对受压的杆件及节点浇注混凝土。

所述的步骤(1)中，还可以在节点内预留的导索孔之间安装导索管，所述的步骤(2)中，将钢铰线穿入导索管中。

施工条件允许时，完成步骤(1)后，在所述的步骤(2)中，先利用导索孔将预应力钢铰线按桁架拼装顺序穿入桁架的受拉杆件及节点中，再将所有构件拼装形成钢桁架，并按设计要求对预应力钢铰线做一次或多次张拉，最后利用混凝土浇注孔对受压的杆件及节点注入混凝土。

施工条件不允许时，所述的步骤(1)中，在受拉的杆件内预留穿索工艺孔，由于导索孔只在节点中预留了，而弦杆中没有导索孔，施工时为确保预应力索能顺利的通过整个桁架需留设穿索工艺孔，所述的步骤(2)中，先按设计要求将所有构件拼装形成钢桁架，再利用预留的导索孔及穿索工艺孔将预应力钢铰线穿入桁架的受拉杆件及节点中。

当本发明所述的施工方法用于悬臂结构中时，由于桁架的上弦受拉、下弦受压，在所述的步骤(1)中，在桁架上弦节点中预留导索孔，并至少在桁架下弦的弦杆及受压腹杆中预留混凝土浇注孔；所述的步骤(2)中，利用预留的导索孔在上弦的弦杆及节点内穿预应力钢铰线，按要求对钢铰线进行张拉，并向下弦的弦杆、节点及受压腹杆内浇注混凝土。

当本发明所述的施工方法应用于大跨度结构及转换梁结构中时，桁架的受力情况与悬臂结构相反，桁架的上弦受压、下弦受拉，因此，在所述的步骤(1)中，在桁架下弦的节点中预留导索孔，并在桁架上弦的弦杆、节点及受压腹杆中预留混凝土浇注孔；所述的步骤(2)中，利用预留的导索孔在下弦的弦杆及节点内穿预应力钢铰线，按要求对钢铰线进行张拉，并向上弦的弦杆、节点及受压腹杆内浇注混凝土。

当本发明所述的施工方法应用于大型的悬挂结构中时，其中悬臂部分的受力情况与普通悬臂结构类似，相应的，桁架悬臂部分的施工方法可以与普通的悬臂结构相同，即预应力钢铰线的布置方式和混凝土的浇注部位与悬臂结构相同。当悬挂结构中的桁架悬臂部分的尺寸较小时，其跨中受力情况类似于大跨度结构，桁架的施工方法可以与大跨度结构中桁架的施工方法相同，即预应力钢铰线的布置方式和混凝土的浇注部位与大跨度结构相同。而当悬挂结构中的桁架悬臂部分的尺寸较大时，除了在悬臂部分的桁架下弦的弦杆、节点及受压腹杆内浇注混凝土外，还可在非悬臂部分的跨中部分的全部杆件内浇注混凝土，以加大中间跨的自重及刚度。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1).本发明中，将矩形钢管构件、预应力钢铰线、局部矩形钢管内灌注混凝土三者相结合，充分利用了上述三种材料的特性，将其有机的组合成一种比常规钢桁架刚度好、承载力高的新型组合桁架；

(2).本发明所述的桁架局部为矩形钢管混凝土构件，是利用厚钢板包裹混凝土，受压时，由于矩形钢管对混凝土的约束作用，有效的提高了矩形钢管混凝土构件的承载力；

(3).本发明所述的桁架中由于增加了预应力构件-预应力钢铰线，由于预应力的存在，有效的减小了桁架中受拉构件中的应力；

(4).本发明所述的受压构件中的混凝土材料使桁架的承载力提高，有很大的塑性变形能力，而钢管构件内的预应力钢铰线，比常规钢材多几倍的承载力，且变形能力很大，当桁架的矩形钢管钢材先接近了弹塑性破坏，整个桁架体系由于矩形截面的钢管混凝土构件抗压性能好及钢铰线抗拉性能强，而形成了一个新的拉压强组合体，从而形成二次防线；

(5).本发明所述的桁架应用于大型的悬挂结构上时，由于竖向地震的动力响应对结构影响较大，预应力作为回复力有效减小了结构在竖向地震作用下的变形，对结构安全具有重要意义。

下面以本发明应用于悬挂结构为例，通过下面的试验例进一步证明本发明的效果

1.本发明所述的施加预应力的整体桁架在悬挂结构中运用时，针对不同预应力及混凝土布置的计算分析比较

(1).计算总说明

整体计算采用了MIDAS/GEN和ETABS进行计算，要求在计算中能准确模拟结构本身，能在整体计算中考虑预应力、温度效应、施工顺序等对结构反应的影响；另外为获得桁架的受力性能及工作状态下的组合截面的应力分布，对桁架进行了ANSYS的整体分析计算。桁架中≤35mm的钢板采用Q345C，＞35mm的采用GJC345，桁架内混凝土强度等级为C60。计算中截面按实际，包括钢结构构件、矩形钢管混凝土构件和带预应力的构件，并对纯钢桁架、浇灌高强混凝土后的桁架以及既施加预应力又浇灌高强混凝土的桁架进行了计算比较。图20为悬挂结构整体计算模型，图中箭头所示为实际施加预应力的构件。

(2).计算结果对比

MIDAS/GEN、ETABS及ANSYS计算结果虽然有所不同，但其区别较小，且对三种不同情况计算出来的结果对比相差不多。此处仅给出MIDAS计算出的某一榀桁架的计算结果。表中位移值均为恒载和活载组合下的竖向位移。

灌混凝土前后位移结果对比(mm)           表1

工况	未灌混凝土	灌混凝土	有效减少位移
				桁架下弦悬臂端点	150.962	120.798	19.98％

施加预应力前后位移结果对比(mm)        表2

工况	施加预应力前	施加预应力后	预应力有效减少位移
				桁架下弦悬臂端点	120.798	95.836	20.7％

施加预应力前后桁架内最大应力结果对比(MPa)   表3

工况	施加预应力前	施加预应力后	预应力作用
				桁架内最大拉应力	260.93	193.54	25.9％
桁架内最大压应力	-257.24	-247.10	4.0％

另外，根据MIDAS时程分析计算结果，在考虑了预应力的回复作用以后，结构在竖向地震作用下的位移减小了约10％。

(3).小结

从计算结果中可以看出，桁架内浇灌混凝土后刚度大幅提高，悬臂端挠度减少20％左右；而施加预应力后不仅能减小悬臂端的挠度，更能有效减小受拉杆件的拉应力。通过在拉杆内施加预应力以及压杆内灌注混凝土的办法，大大提高桁架的承载力和刚度，为桁架提供了较大的安全储备。

2.施加预应力的部分矩形钢管混凝土悬臂桁架在悬挂结构中运用时，针对不同预应力及混凝土布置的单榀桁架试验比较

(1).试验概况

①.试验目的

研究结构在静载作用下的受力、变形特性，得到结构的破坏荷载、应力分布情况及破坏模式，研究各节点和各杆件在静力荷载作用下力学性能，传力机理，应力、应变分布状况以及变形情况，并考察结构的极限静力承载力和破坏形态；根据结构承载性能和破坏情况，综合判断结构的薄弱部位，检验设计计算结果等，对钢结构设计方案进行综合分析和评估。

②.试件的设计与制作

模型取自实际工程，按1∶7的比例设计，主要由中间一跨而两端挑出的双悬挑桁架、加载装置、支座等三部分组成，其中桁架由矩形截面的弦杆及腹杆组成。总共进行了两榀桁架的试验，其中的一榀桁架按设计要求在上弦杆部分设置4φ15.24，即4根φ15.24的高强预应力钢铰线(fptk＝1860N/mm2)，且两榀桁架均在对称的一半结构中按设计要求贯注了水泥砂浆，预应力钢铰线4及灌水泥砂浆5a的具体布置见图21。

试件的钢材为Q235B，灌浆采用的砂浆采用M20砂浆的配合比例，并掺加5％的膨胀剂。灌浆孔在试验室现场开钻，采用振动装置保证砂浆密实；预应力的张拉在试验室内进行，控制张拉力为每根预应力钢筋82kN。

(2).加载方法和测试方法

①.加载方法

试验采用在4个加载点处同时施加荷载的加荷方式，加载示意图如图22所示。试验中采用三个循环的加一卸载的加载方式，读数在荷载稳定后进行。试验的设计荷载为端部节点P1＝P4＝270kN。第一次先加载至P1＝P4＝270kN，考察结构能否满足设计承载力，随后卸载到0；第二次加载到设计荷载的1.5倍，即P1＝P4＝400kN，随后卸载到0；第三次是考察结构的极限承载力，一直加载到结构破坏，随后卸载到0。在试件钢板屈服前采用50kN每级的加荷速度，在钢板屈服后按每级25kN的加荷速度，同时根据试件的实测情况加以调整。图中，P2、P3是由于结构受力后产生变形，因此而产生的荷载。

②.测试内容及方法

测试的主要内容包括：测定试件在各级荷载作用下的挠度及水平侧向位移；测定试件各组成构件在各级荷载作用下的应变；测定试件的破坏强度。

试验采用BX120的电阻应变片测试的构件应变，采用位移百分表测试位移，用DH3816，DH3815N静态数据采集系统自动采集各级荷载下位移计和电阻应变片的数据。具体测点布置如图23，端节点设有33×2＝66片应变片，中节点设有30×2＝60片应变片，弦杆设有40×2＝80片应变片，腹杆设有12×2＝24片应变片，支座设有2片应变片，位移计共12个，测点合计共244个。

(3).试验结果

①.施加预应力后构件的变形特点

张拉预应力后，桁架发生整体预变形，变形趋势是两悬臂端往上翘，中部往下变形。具体实测测点位移值见表4。由于“扁担效应”，力沿腹杆直接传至支座，使施加预应力后的整体变形并不明显。

施加预应力的变形实测值       表4

位移计位置	左端端部	中部	右端端部
				施加完第一次预应力后位移(mm)	-1.23	0.7	-0.98
施加完第二次预应力后位移(mm)	-3.09	1.88	-2.42
				位移方向(正为触针缩短)	向上	向下	向上

②.破坏过程及特点

无预应力的试件在试验过程中，破坏点有两处，位置详见图24：灌浆试件悬臂处第二根上弦杆与第二个上弦节点连接的焊缝发生脆性断裂，为试件的薄弱区域；非灌浆试件悬臂处第三个下弦节点和第二根下弦杆内端附近的腹板发生了局部屈曲，最外侧支座两边的附加钢板发生了屈曲变形，此时，该支座应变较大，已经达到屈服。

施加预应力的试件在试验过程中，破坏点也有两处，位置详见图25：支座与桁架连接部位的焊缝破坏，破坏顺序为从内到外，最后只剩下最外面的一个支座与桁架有连接，形成了一个简支支座；从外到里第二跨的上弦杆的焊缝发生破坏，该处是靠内的两条预应力筋弯曲的部位，试件制作时，为了在较小角度内弯曲预应力筋而在此处开洞，而后焊接补上，由应变测值可知该上弦杆的应力应变较大，是试件的薄弱部位。

③.承载力分析

试件实测极限承载力如表5所示，可见灌浆及施加预应力后试件的极限承载力可分别提高10％左右。

试件承载力              表5

	无预应力		有预应力
					非灌浆试件	灌浆试件	非灌浆试件	灌浆试件
	设计值(kN)	276	276	276					276
试验值(kN)					506	554	550	615
	试验值/设计值	1.83	2.01	1.99					2.23

④.挠度分析

表6为各荷载值对应的端部挠度值，可见灌浆及施加预应力后，试件在设计荷载作用下的挠度可分别减小20％左右。由于各个试件的极限承载力不同，到达极限承载力时的变形没有实际的对比意义。

荷载对应关键点挠度值      表6

对应荷载(kN)	非灌浆区端点挠度(mm)		灌浆区端点挠度(mm)
					无预应力	有预应力	无预应力	有预应力
	设计值276	30.18	25.68	25.53					20.62
卸载					0.73	0.54	0.69	0.43
	400(约设计荷载的1.5倍)	37.95	32.83	32.42					28.49
卸载					2.64	1.79	2.51	1.76
	到达极限承载力时的变形	62.84	63.29	60.83					61.28
卸载					27.65	24.65	25.14	17.55

⑤.应变分析

对于非灌浆试件，应变较大的位置在悬臂根部的下弦杆的下翼缘处，相应的达到极限荷载时该位置腹板发生局部屈曲；对于灌浆试件，应变较大位置悬臂根部的上弦杆处，且达到极限荷载时最大应变值较不灌浆的桁架要小。另外，预应力筋，即钢铰线转角及锚头处附近的局部应力应变较大。

(4).小结

①.灌浆及施加预应力后试件的极限承载力均可提高10％左右；

②.灌浆及施加预应力后悬臂端点的挠度均可减小20％左右，且残余变形较小；

③.灌浆后桁架各杆件刚度得到调整，最大应变位置由下弦压杆转移至上弦拉杆，且达到极限荷载时最大应变值较不灌浆的桁架要小；

④.预应力筋转角及锚头处附近局部应力应变较大；

⑤.通过在拉杆内施加预应力以及压杆内灌注混凝土的办法，可大大提高桁架的承载力和刚度，为桁架提供较大的安全储备。

附图说明

图1是本发明实施例1的施加预应力的整体桁架示意简图；

图2是本发明实施例1的整体桁架中的导索孔及穿索工艺孔的放大示意图；

图3是本发明实施例1的整体桁架中的混凝土浇注孔的放大示意图；

图4是本发明实施例1的节点7的放大剖视图；

图5是本发明实施例1的节点7的放大立体图；

图6是本发明实施例1的节点8的放大剖视图；

图7是本发明实施例1的节点8的放大立体图；

图8是本发明实施例1的节点9～11的放大剖视图；

图9是本发明实施例1的节点9～11的放大立体图；

图10是本发明实施例1的节点12的放大剖视图；

图11是本发明实施例1的节点12的放大立体图；

图12是本发明实施例1的节点13的放大剖视图；

图13是本发明实施例1的节点13的放大立体图；

图14是本发明实施例1的节点14、16的放大剖视图；

图15是本发明实施例1的节点14、16的放大立体图；

图16是本发明实施例1的节点15的放大剖视图；

图17是本发明实施例1的节点15的放大立体图；

图18是本发明实施例2的施加预应力的整体桁架示意简图；

图19是本发明实施例2的整体桁架中的导索孔、穿索工艺孔及混凝土浇注孔的示意图；

图20是本发明试验例的悬挂结构整体计算模型示意图；

图21是本发明试验例的预应力钢铰线及灌水泥砂浆的具体布置示意图；

图22是本发明试验例的桁架加载点示意图；

图23是本发明试验例的桁架应力应变测点布置示意图；

图24是本发明试验例的桁架无预应力的试件破坏位置示意图；

图25是本发明试验例的桁架施加了预应力的试件破坏位置示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明的实施例1如图1～17所示，在本实施例中，本发明所述的施加预应力的钢管整体桁架为用于大跨度悬挂结构中的主受力桁架，组成桁架的构件包括杆件和节点，杆件包括上弦1、下弦2的弦杆1a、2a和腹杆3，桁架下弦2下方还设有悬臂支座6。桁架的上弦1、下弦2的弦杆1a、2a和腹杆3均为矩形截面的钢管；上弦1、下弦2的弦杆1a、2a与腹杆3之间均采用“K”型节点连接，“K”型节点的竖直边水平布置，与弦杆1a、2a相连；“K”型节点的二斜边均与倾斜的腹杆3相连；连接受拉杆件的节点内设置让预应力钢铰线4穿过的导索孔，导索孔设在所在节点内靠近端口处的加劲肋板25上。两个导索孔为一组，位于节点内的二端口附近，分别作为钢铰线4在节点中的导入孔和导出孔，既可以都设在与弦杆相连的水平杆件内，又可以分别设在与弦杆1a、2a相连的水平杆件和与腹杆3相连的倾斜杆件内。连接受拉杆件的节点内还设有导索管17，导索管17的两端分别固定在节点内二端口处加劲肋板25上的导索孔内；节点内还可以设有用来支撑导索管17的支撑肋板26，支撑肋板26上端设有与导索管17截面轮廓相适应的支撑槽。“K”型节点由矩形截面的钢管拼装而成。在桁架的受拉杆件及与其相连的节点中设有预应力钢铰线4，预应力钢铰线4的两端分别固定在桁架中受拉杆件及相连的节点所构成的受拉段的两端，且在桁架的受压杆件及与其相连的节点内浇注有混凝土5。由于桁架用于大型的悬挂结构中，利用桁架的对称性，桁架为中间一跨而两端挑出的结构，其中桁架悬臂部分的受力情况与普通悬臂结构类似，又由于桁架的上弦1受拉、下弦2受压，故预应力钢铰线4设置于桁架悬臂部分的桁架上弦1中，而浇注混凝土5的部位为悬臂部分的桁架下弦2及受压腹杆3。而本实施例中，桁架总长113.5m，其跨中为67.5m，两端各悬臂23m，高8.0m，由于桁架的悬臂尺寸较大，其悬臂部分的受力比跨中部分要大得多，此时为了平衡悬臂部分产生的力矩，除了在悬臂部分的桁架下弦2及受压腹杆3内浇注有混凝土5外，还在非悬臂部分的跨中部分，即非悬臂部分的全部构件内浇注有混凝土5。另外，预应力钢铰线4在桁架的上弦1的弦杆1a及节点7～11中通长设置，本实施例中，桁架中共布置两束钢铰线，其中一束的两端分别用铆头28固定在位于桁架下弦2二端部的节点12中，另一束的两端分别用铆头28固定在与节点12相邻的节点13中，对称张拉，这样，桁架既可以对称变形也可以反对称变形，其预应力荷载可作为回复力。节点7～11中的导索孔及导索管的具体设置如下：

节点7位于上弦1的端部，在节点7内，共设有一对导索孔，分别位于与弦杆1a相连的水平杆件内和与最外侧的腹杆3a相连的倾斜杆件内，二导索孔之间的导索管17位于上弦1与腹杆3a之间的转角处，为弧形。节点7内还设有用来支撑导索管17的支撑肋板26，支撑肋板26上端设有与导索管17截面轮廓相适应的支撑槽。

节点8与节点7相邻，在节点8内，共设有两对导索孔，其中一对分别位于节点8与两侧弦杆1a相连的水平杆件内，二导索孔之间的导索管17为水平直线形；另一对导索孔分别位于与弦杆1a相连的水平杆件内和与腹杆3b相连的倾斜杆件内，二导索孔之间的导索管17为弧形，位于直线形导索管17的下方，腹杆3b与腹赶3a相邻，且相平行。节点内设有用来支撑弧形导索管17的支撑肋板26，导索管17被支撑在支撑肋板26的顶端，支撑肋板26的顶端设有与导索管17外轮廓相适应的支撑槽。节点8内还设有用来固定直线形导索管17的支撑肋板27，导索管17可以穿过支撑肋板27，即支撑肋板27上设有与导索管17外轮廓相适应的空洞，从而被其支撑。

节点9～11结构相同，均在其水平杆件内设有两对导索孔，二导索管水平布置，一上一下，节点内的中部还对称设有用来固定二直线形导索管的支撑肋板27。

此外，在本实施例中，桁架悬臂部分的上弦节点7、8中也浇注有混凝土，是为了保证相连接的受压腹杆3内混凝土能浇注密实；二是该节点为预应力转折节点，为避免该处应力集中浇混凝土使应力转移。

本实施例中，对施加预应力的钢管整体桁架的施工方法，具体包括如下步骤：

本实施例的工程中，由于施工条件不允许，需先完成钢桁架的制作和拼装，然后将预应力钢铰线穿入桁架中，最后注入高标号混凝土。具体步骤如下：

(1).首先用钢材制作成矩形截面的钢管构件，构件包括杆件和节点7～16，杆件包括上弦1、下弦2的弦杆1a、2a和腹杆3，在预应力钢铰线4经过的节点7～11内预留导索孔和安装导索管17；本实施例中需要布置的预应力钢铰线共两束；在桁架上弦1的弦杆1a内设有导索工艺孔18，还在钢铰线经过的腹杆3a、3b内留有穿索工艺孔18。在下弦2的弦杆2a和除腹杆3a、3b以外的所有受压的腹杆3内设有混凝土浇注孔20。另外，在跨中部分的上弦2的弦杆2a及节点9～11内也预留混凝土浇注孔19、20，另外，在悬臂部分的上弦节点7、8内也预留混凝土浇注孔19。在所有节点7～16内都预留有流浆孔21、22，使得混凝土能通过节点间的加劲肋板，而充满整个节点，使混凝土同时充满弦杆和腹杆区的整个节点范围。考虑到上弦杆悬臂部分拉力较大，焊缝受拉时易发生脆性破坏，上弦1拉力较大部位，即在节点7～11上预留的混凝土浇注孔19及流浆孔21采用D＝120mm的圆孔，其余部位预留的混凝土浇注孔20及流浆孔22采用200mm×200mm的方孔；另外还需在节点7～11内预留设浇筑混凝土5时所需的气孔24，浇注混凝土时，管内空气能通过气孔跑出，确保混凝土密实。

(2).将所有杆件及节点按设计要求拼装形成钢桁架；然后利用预留的预应力导索孔17和工艺孔18在上弦1的弦杆1a、腹杆3a、3b及节点7～13内穿预应力钢铰线4，钢绞线4在上弦1内通长设置，按要求对钢铰线进行对称张拉，并利用混凝土浇注孔19、20对跨中部分的上弦2的弦杆2a、所有的下弦2的弦杆2a及上、下弦所有的节点7～16内、除腹杆3a、3b以外的腹杆3内浇注混凝土5。

本实施例中，还对杆件的预留孔洞位置进行补强处理：其中穿索所需工艺孔18及混凝土浇注孔20利用板件塞住洞口，并采用全熔透对接焊缝进行连接；混凝土浇注孔19在洞口上布设盖板23，采用贴角焊缝四面围焊；流浆孔22及气孔24不另做处理。两束拉通的预应力索钢铰线4形成大跨度悬挂对挑结构，预拉力为7000kN，由于预应力拉索过长，仅水平段就有约100m左右，若通长的话预应力损失较大，实际施工时，将预应力钢铰线4分为两段在桁架中部搭接，以满足预应力拉索拉通的要求。

实施例2

本发明的实施例2如18、19所示，与上一个实施例所不同的是，在本实施例中，发明所述的施加预应力的整体桁架用于大跨度结构中，桁架上弦1、下弦2的弦杆1a、2a与腹杆3之间采用刚性连接的“K”型节点，下弦2的端部设有端支座6a。与普通悬臂结构的受力相反，桁架的上弦1受压、下弦2受拉，下弦2的各节点中均设有两对导索孔和二水平导索管17，则预应力钢铰线4设置于受拉的下弦2的弦杆2a及下弦2上的节点中，钢铰线4的两端用铆头28固定在位于下弦2端部的节点处；由于在大跨度结构中，桁架受压腹杆的内力与受压的上弦2弦杆1a相比要小得多，为减轻结构自重，仅在受压的上弦1弦杆1a内浇注高强混凝土，即浇注混凝土5的部位仅为桁架的上弦1的弦杆1a及上弦1的节点。

本实施例的施工方法，与上一个实施例所不同的是，由于桁架的上弦1受压、下弦2受拉，因此，在所述的步骤1中，在桁架下弦2节点中预留预应力导索孔和安装导索管17；并在桁架上弦1的弦杆1a及节点中预留混凝土浇注孔20。由于腹杆3中不需浇注混凝土，所以在上弦1的节点上无需预留流浆孔，节点中的混凝土仅充满在上弦1的弦杆区内即可；所述的步骤2中，利用预留的预应力导索孔17在下弦2的弦杆2a及节点内穿预应力钢铰线4，按要求对预应力钢铰线4进行张拉，并向桁架上弦1的弦杆1a及节点中浇注高强混凝土。本实施例的工程中，施工条件允许，不预留穿索工艺孔，完成步骤(1)后，在所述的步骤(2)中，先利用预留的预应力导索孔和导索管17在下弦2的弦杆2a及节点内穿预应力钢铰线4，再将所有构件拼装形成钢桁架。

由于浇注混凝土的杆件仅为上弦1的受压杆，步骤(1)中所预留的混凝土浇注孔20均可采用200mm×200mm的方孔，并在浇注完混凝土后利用同厚板件塞住洞口，采用全熔透对接焊缝进行连接。

上述的2实施例中，本发明所述的桁架可以为多榀之间正交、斜交的组合方式，即可以是多榀之间相正交，也可以是多榀之间相斜交，还可以是多榀之间为正交和斜交的组合，相交处可做固结，即刚性连接，从而形成正交空间桁架体系，有利于提高桁架结构的空间协调变形能力和整体性。所述的混凝土是高标号的，即高强度的混凝土。

Claims (10)

1.一种施加预应力的钢管整体桁架，所述的组成桁架的构件包括杆件和节点，所述的杆件包括上弦(1)、下弦(2)的弦杆和腹杆(3)；其特征在于至少在所述桁架的受拉杆件及相连的节点中至少设有一束预应力钢铰线(4)，所述预应力钢铰线的两端分别固定在桁架中受拉杆件及相连的节点所构成的受拉段的两端，在所述桁架的受压杆件及相连的节点内浇注有混凝土(5)。

2.根据权利要求1所述的一种施加预应力的钢管整体桁架，其特征在于所述的节点为“K”型节点，即上弦(1)、下弦(2)的弦杆与腹杆(3)之间均由“K”型节点连接，“K”型节点的竖直边水平布置，与弦杆相连；“K”型节点的二斜边均与倾斜的腹杆(3)相连；连接受拉杆件的节点内设置让预应力钢铰线(4)穿过的导索孔，所述的导索孔设在所在节点内靠近端口处的加劲肋板(25)上。

3.根据权利要求2所述的一种施加预应力的钢管整体桁架，其特征在于两个导索孔为一组，位于节点内的二端口附近，连接受拉杆件的节点内还设有导索管(17)，导索管(17)的两端分别固定在节点内二端口处加劲肋板(25)的导索孔内，

4.根据权利要求3所述的一种施加预应力的钢管整体桁架，其特征在于所述的节点内还可以设有用来支撑导索管(17)的支撑肋板(26)、(27)。

5.根据权利要求3或4所述的一种施加预应力的钢管整体桁架，其特征在于所述的预应力钢铰线(4)设置于桁架的上弦(1)中，即设置在上弦(1)的弦杆及与其相连的节点中；而浇注混凝土(5)的部位为桁架的下弦(2)及受压腹杆(3)。

6.根据权利要求3或4所述的一种施加预应力的钢管整体桁架，其特征在于所述的预应力钢铰线(4)设置于桁架的下弦(2)中，即设置在下弦(2)的弦杆及与其相连的节点中；而浇注混凝土(5)的部位为桁架的上弦(1)及受压腹杆(3)。

7.根据权利要求3或4所述的一种施加预应力的钢管整体桁架，其特征在于所述的预应力钢铰线(4)设置于桁架的下弦(2)中，即设置在下弦(2)的弦杆及节点中；浇注混凝土(5)的部为仅为受压上弦(1)的弦杆及节点。

8.根据权利要求5所述的一种施加预应力的钢管整体桁架，其特征在于所述的浇注混凝土(5)的部位还包括非悬臂部分的跨中部分的全部构件，预应力钢铰线(4)在桁架的上弦(1)中通长设置，对称张拉。

9.权利要求1所述的施加预应力的钢管整体桁架的施工方法，其特征在于具体包括如下步骤：

(1).首先用钢材制作成钢管构件，所述的构件包括杆件和节点，杆件包括上弦(1)、下弦(2)的弦杆和腹杆(3)，在预应力钢铰线经过的节点内预留导索孔，至少在受压杆件内预留混凝土浇注孔；

(2).然后利用预留的导索孔在受拉的杆件及节点中穿预应力钢铰线(4)，按要求对钢铰线进行张拉，并对受压的杆件及节点浇注混凝土(5)。

10.根据权利要求9所述的施加预应力的钢管整体桁架的施工方法，其特征在于所述的步骤(1)中，在节点内预留的导索孔之间安装导索管(17)，所述的步骤(2)中，将钢铰线穿入导索管(17)中。

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