CN101220612A

CN101220612A - 具有荷载缓和作用的张弦梁结构及实施方法

Info

Publication number: CN101220612A
Application number: CNA2007103069884A
Authority: CN
Inventors: 杜文风; 徐鹏如; 陈近岳
Original assignee: ZHEJIANG BADA CONSTRUCTION GROUP CO Ltd
Current assignee: ZHEJIANG BADA CONSTRUCTION GROUP CO Ltd
Priority date: 2007-12-29
Filing date: 2007-12-29
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-29
Also published as: CN100487213C

Abstract

本发明公开了一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构及施工方法，它包括上弦梁、撑杆、张弦梁的下弦拉索、支座和荷载缓和装置，所述的荷载缓和装置由小齿轮转盘、大齿轮转盘、拉索及重物组成，小齿轮转盘和大齿轮转盘利用齿轮相互咬合连在一起，小齿轮转盘边缘与张弦梁的下弦拉索相连，张弦梁的下弦拉索绕过小齿轮转盘四分之一周固定，大齿轮转盘中心与支座用拉索相连，大齿轮转盘边缘伸出拉索下面悬挂重物，拉索绕过大齿轮转盘四分之一周固定。这种具有荷载缓和作用的张弦梁结构，抗灾能力强、安全性能高、受力性能优越，并能充分发挥高强度材料性能。

Description

具有荷载缓和作用的张弦梁结构及实施方法

技术领域

本发明涉及一种主要应用于建筑结构领域中的大跨度预应力钢结构技术，特别是一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构及实施方法。

背景技术

张弦梁结构是由日本大学的M.Saitoh教授正式提出并在近二十年得到迅速发展的一种大跨空间结构。它是通过张拉下弦高强度曲线拉索使得撑杆产生向上的分力，导致上弦构件产生与外部竖向荷载作用下相反的内力和变位，改善结构的受力性能，减小结构的变形。张弦梁结构在世界各地得到了广泛应用，我国的上海浦东国际机场航站楼、广州国际会议展览中心、、黑龙江国际会议展览体育中心主馆屋盖结构、北京为迎接2008奥运会而建设的国家体育馆等重大工程中都采用了张弦梁结构。

张弦梁结构是一种受力性能较优良的大跨空间结构，但当结构受到地震、台风等偶然动力荷载作用时，下弦拉索的内力迅速增大，容易导致拉索突然断裂使整个结构倒塌，因此张弦梁结构在设计中，结构的保守性很大，构件不能充分发挥其性能。

上世纪80年代英国学者曾提出了一种荷载缓和体系(LOAD RelievingSystem)的概念，并将其运用于一个索网结构的垃圾场中，引起了人们的关注。虽然后来很多学者对荷载缓和体系进行了深入研究，但至目前为止真正具有实用价值的荷载缓和体系还相当少，一方面的原因是难以构造出简单高效的荷载缓和装置，另一方面原因是荷载缓和体系需要通过释放结构的位移来保证构件的应力不超过容许应力，因此它必须与柔性结构相结合，工程应用背景具有局限性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种抗灾能力强、安全性能高、受力性能优越，并能充分发挥高强度材料性能的具有荷载缓和作用的张弦梁结构及实施方法。

为了达到上述目的，本发明提供的一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构，它包括上弦梁、撑杆、张弦梁的下弦拉索、支座和荷载缓和装置，所述的荷载缓和装置由小齿轮转盘、大齿轮转盘、拉索及重物组成，小齿轮转盘和大齿轮转盘利用齿轮相互咬合连在一起，小齿轮转盘边缘与张弦梁的下弦拉索相连，张弦梁的下弦拉索绕过小齿轮转盘四分之一周固定，大齿轮转盘中心与支座用拉索相连，大齿轮转盘边缘伸出拉索下面悬挂重物，拉索绕过大齿轮转盘四分之一周固定。由于大小齿轮转盘的设置，从而可使荷载缓和装置所悬挂重物的重量小于张弦梁下弦索的拉力。为便于转盘与拉索的连接，小齿轮转盘和大齿轮转盘中间各设有放置凹槽，凹槽用于放置拉索。

本发明提供的一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构的实施方法，(1)首先设计无荷载缓和装置的张弦梁结构，确定各种构件的截面规格及下弦拉索的适宜初始预应力；(2)根据下弦拉索的内力设计荷载缓和装置，拉索的内力与所悬挂的重物之间存在如下的比例关系：

N = \frac{D_{1}}{D_{2}} G

式中：N为拉索的内力；G为悬挂重物的重量；重物的重量过大，不便于操作，材料用量大，重物的重量过小，受环境因素的影响较大，因此重物的重量宜适中，一般取500～1000N为宜。D₁、D₂分别为大小转盘的接触点距下弦拉索、距挂重物拉索的距离。根据拉索内力与悬挂重物的重量，可确定大小转盘尺寸上的比例关系，由此来设计大小转盘；(3)将下弦拉索按照成形后的尺寸、大小转盘的尺寸及位置确定下料长度，并按照同样的办法确定支座拉索的下料长度；上弦梁和撑杆也可按照成形后的尺寸来制作；(4)将加工制作好的各个构件根据对应位置安装，由于此时结构无刚度，各构件不能固定在相应位置上，可对挂重物的拉索施加一个拉力，只要能保证各个构件在相应位置上固定即可；(5)悬挂重物，各个构件达到设计形状，施工完毕。

张弦梁结构中有拉索，适合于荷载缓和装置的设置，而张弦梁结构又恰恰存在荷载缓和结构体系可以弥补的缺点，为荷载缓和装置的应用提供了场合，因此本发明在考虑张弦梁结构受力特点的基础上，构造了一种简单高效的荷载缓和装置，进而提出了具有荷载缓和作用的张弦梁结构。

本发明所得到的一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构及实施方法，1)能充分发挥高强度材料的性能：本结构中由于荷载缓和装置的调节作用，可使高强度拉索的潜能得到充分发挥。2)受力性能优越：可保证张弦梁的下弦拉索始终处于受拉状态，并且内力恒定。3)施工简单：张弦梁结构的各个构件可根据成形后的尺寸加工制作，施工时将上述构件依次安装到位，最后只需将重物挂上即可，省去了张拉预应力的过程。4)抗灾能力强：当结构受到突发的地震、台风等灾害性荷载作用时，荷载缓和装置起到调节作用，增大了结构的柔性，使结构产生较大的变形而拉索的内力基本保持不变，从而大大减少了灾害荷载导致索断结构倒塌的危险。

附图说明

图1是具有荷载缓和功能的张弦梁结构示意图；

图2荷载缓和装置结构示意图；

图3转盘结构示意图；

图4空间张弦梁结构轴测图；

图5一榀张弦梁结构尺寸图；

图6算例1中张弦梁下弦拉索内力随荷载增加的变化曲线；

图7算例1中地震作用时张弦梁下弦拉索内力变化曲线。

其中：撑杆1、张弦梁的下弦拉索2、荷载缓和装置3、小齿轮转盘4、大齿轮转盘5、拉索6、重物7、支座8、凹槽9、上弦梁10、固定铰11、滑动支座12。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例1

如附图1所示。一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构，它包括上弦梁10、撑杆1、张弦梁的下弦拉索2、支座8和荷载缓和装置3，所述的荷载缓和装置3由小齿轮转盘4、大齿轮转盘5、拉索6及重物7组成，小齿轮转盘4和大齿轮转盘5利用齿轮相互咬合连在一起，如附图2所示。小齿轮转盘4边缘与张弦梁的下弦拉索2相连，张弦梁的下弦拉索2绕过小齿轮转盘4四分之一周固定，大齿轮转盘5中心与支座8用拉索相连，大齿轮转盘5边缘伸出拉索6下面悬挂重物7，拉索6绕过大齿轮转盘四分之一周固定。由于不同直径齿轮转盘的设置，从而可使荷载缓和装置所悬挂重物的重量小于张弦梁下弦拉索2的拉力。为便于小齿轮转盘4和大齿轮转盘5与下弦拉索2和拉索6的连接，小齿轮转盘4和大齿轮转盘5中间各设有放置凹槽9，用于放置下弦拉索2和拉索6，如附图3所示。

本实施例提供的一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构的实施方法，具体实施这种具有荷载缓和功能的张弦梁结构时，可按照下面的步骤进行：

(1)首先设计无荷载缓和装置的张弦梁结构，确定各种构件的截面规格及下弦拉索的适宜初始预应力。

(2)根据下弦拉索的内力设计荷载缓和装置。拉索的内力与所悬挂的重物之间存在如下的比例关系：

N = \frac{D_{1}}{D_{2}} G

式中：N为拉索的内力；

G为悬挂重物的重量；重物的重量过大，不便于操作，材料用量大，重物的重量过小，受环境因素的影响较大，因此重物的重量宜适中，一般取500～1000N为宜。

D₁、D₂分别为大小转盘的接触点距下弦拉索2、距挂重物拉索6的距离。根据拉索内力与悬挂重物7的重量，可确定大、小齿轮转盘5、4尺寸上的比例关系，由此来设计大小齿轮转盘。

(3)将下弦拉索2按照成形后的尺寸、大小齿轮转盘5、4的尺寸及位置确定下料长度，并按照同样的办法确定支座拉索6的下料长度。上弦梁10和撑杆1也按照成形后的尺寸来制作。

(4)将加工制作好的各个构件根据对应位置安装，由于此时结构无刚度，各构件不能固定在相应位置上，可对挂重物的拉索6施加一个拉力，只要能保证各个构件的在相应位置上固定即可。

(5)悬挂重物，各个构件达到设计形状，施工完毕。

下面给出一具体算例，以进一步了解本发明的实施：

算例1：单向张弦梁结构由纵向间距为10m的七榀张弦梁构成，纵向总长度为60m。屋面设纵向撑杆1以保证张弦梁结构的侧向稳定性，如图3所示。张弦梁跨度为60m，上弦拱矢高为3m，下弦拉索垂度为5m，拉索形状为抛物线型，如图4所示。每榀张弦梁端部支承均为一端固定铰11，一端滑动支座12，支座标高为20m。

在竖向荷载取值方面，结构屋面系统及吊顶取0.5kN/m²，屋面雪(活)荷取0.5kN/m²，荷载组合1.2恒+1.4活＝1.3kN/m²。上弦梁截面形式为方钢管，尺寸为300×400×12mm，撑杆1为圆管，尺寸为φ159×6mm，下弦拉索2为φ5×105的钢绞线，材料均为钢材，其中上弦梁10和撑杆1的弹性模量为2.06×10⁵Mpa，下弦拉索2的弹性模量为1.85×10⁵Mpa。

当改变竖向荷载的数值时，可计算得到张弦梁下弦拉索2内力随荷载增加的变化曲线，如附图5所示。由附图5可知，张弦梁结构中未设置荷载缓和装置时，下弦拉索2的内力随着外荷载的增大和减小而呈线性变化，这表明如果外荷载过大，下弦拉索2的内力可能超过其承载能力而发生断裂，如果外荷载过小或者向上时，下弦拉索2可能会退出工作，这两种状况是工程中不希望看到的。在张弦梁结构中设置了荷载缓和装置3后，下弦拉索2的内力外荷载的增大和减小基本不变，可以保证拉索工作性能稳定。

当张弦梁结构受到地震荷载作用时，可计算得到张弦梁下弦拉索2内力的动力时程曲线，如附图6所示。由附图6可知，张弦梁结构中未设置荷载缓和装置3时，下弦拉索2的内力随着时间变化较大，而在张弦梁结构中设置了荷载缓和装置3后，下弦拉索2的内力外荷载的增大和减小基本不变，这表明此时结构的抗震性能很好。

从算例可见，本发明的有益效果是明显的，方案是可行的。

Claims

1.一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构，它包括上弦梁(10)、撑杆(1)、张弦梁的下弦拉索(2)、支座(8)和荷载缓和装置(3)，其特征是所述的荷载缓和装置(3)由小齿轮转盘(4)、大齿轮转盘(5)、拉索(6)及重物(7)组成，小齿轮转盘(4)和大齿轮转盘(5)利用齿轮相互咬合连在一起，小齿轮转盘(4)边缘与张弦梁的下弦拉索(2)相连，张弦梁的下弦拉索(2)绕过小齿轮转盘(4)四分之一周固定，大齿轮转盘(5)中心与支座(8)用拉索相连，大齿轮转盘(5)边缘伸出拉索(6)下面悬挂重物(7)，拉索(6)绕过大齿轮转盘四分之一周固定。

2.根据权利要求1或2所述的一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构，其特征在于小齿轮转盘(4)和大齿轮转盘(5)中间各设有放置凹槽(9)。

3.一种具有荷载缓和作用的张弦梁结构的实施方法，其特征是：

(1)首先设计无荷载缓和装置的张弦梁结构，确定各种构件的截面规格及下弦拉索的适宜初始预应力；

(2)根据下弦拉索的内力设计荷载缓和装置，拉索的内力与所悬挂的重物之间存在如下的比例关系：

N = \frac{D_{1}}{D_{2}} G

式中：N为拉索的内力；G为悬挂重物的重量；重物的重量过大，不便于操作，材料用量大，重物的重量过小，受环境因素的影响较大，因此重物的重量宜适中，一般取500～1000N为宜。D₁、D₂分别为大小转盘的接触点距下弦拉索、距挂重物拉索的距离。根据拉索内力与悬挂重物的重量，可确定大小转盘尺寸上的比例关系，由此来设计大小转盘；

(3)将下弦拉索按照成形后的尺寸、大小转盘的尺寸及位置确定下料长度，并按照同样的办法确定支座拉索的下料长度；

(4)将加工制作好的各个构件根据对应位置安装，由于此时结构无刚度，各构件不能固定在相应位置上，可对挂重物的拉索施加一个拉力，只要能保证各个构件在相应位置上固定即可；

(5)悬挂重物，各个构件达到设计形状，施工完毕。