CN101225685A - 滚动摩擦节点弦支穹顶结构及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构与施工方法。由单层网壳和通过节点组成的索杆结构连接组合而成；所述的节点为滚动摩擦节点。按照5～10个索段长度为一个线单元，把一圈连续环向索分成若干个线单元并设置同等数量的张拉点。先把张拉点同时分级超张拉到105％～120％预应力施工控制值，再放松回到100％预应力施工控制值，如此循环2～3次后即可把环向索在每个节点相邻索段的内力差再进一步减小，从而使一圈环向索各索段的内力基本保持相等。依次张拉完成其他各圈环向索后，完成整个弦支穹顶结构预应力的施工。本发明施工精度高，施工工效高，施工成本低，结构使用安全。
Description
技术领域
本发明涉及大跨度预应力空间网壳结构，尤其是涉及一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构及施工方法。
背景技术
弦支穹顶结构的预应力施工方法有：(1)张拉环向索法；(2)张拉经向索(杆)法；(3)顶升立杆法。由于经向索(杆)和立杆数量多且几何位置相对独立，故后两种方法施工非常繁琐。而环向索是全部或部分连续贯通，所以方法1最简捷高效，是目前多数弦支穹顶结构工程预应力施工的首选方法。然而，这种施工张拉方法也存在十分突出的缺点，张拉过程中环向索与立杆连接节点之间会产生相对滑动。当主动张拉力到达环向索的预应力施工控制值时，该道索预应力施工完成，此时经向索(杆)的拉力和立杆的压力也同步被动产生。然而，按照环向索与立杆连接节点构造的常规做法，无论在施工阶段还是使用阶段，连续环向索与各节点之间始终保持着滑动摩擦关系，随着环向索预应力的不断增大，夹角在60°～178°之间的相邻索段所产生的合力将增大，从而使环向索与节点之间的摩擦力也随之增大，造成的直接后果是环向索经过每个节点均会产生较大的预应力损失。同时，环向索表面因此而损伤。尽管有些工程在环向索与节点侧壁之间用垫聚四氟乙烯薄板等材料的方法试图减小二者之间的滑动摩擦力，但工程实践表明这种方法收效不大。这是因为环向索与立杆连接节点之间的几何关系以及相互间的滑动摩擦性质，决定了环向索与立杆连接节点之间的摩擦力必然与环向索的预应力成正比且量值较大，引起的预应力损失必然造成每个节点相邻环向索段的拉力不均等，并最终导致预应力施工完成后弦支穹顶结构的环向索、经向索(杆)、立杆、网壳杆件的实际内力大小及其分布与设计不符，这将对整个弦支穹顶结构的力学性能产生不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构及施工方法，通过改变弦支穹顶结构立杆下端节点的构造，使环向索与立杆下端节点侧壁之间的滑动摩擦关系变成滚动摩擦关系，减小预应力损失，从而使结构的环向索、各经向索(杆)、各立杆等的内力大小及其分布与设计相符合。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构，有二种技术方案：
1)本发明由单层网壳和通过节点组成的索杆结构连接组合而成；所述的节点为滚动摩擦节点，包括立杆，1～2根经向杆，水平放置的U形钢板和中空凹形圆环；U形钢板的上面开有螺孔，U形钢板的下面为不通孔，U形钢板的上表面焊接立杆底座，立杆底座上焊接立杆，U形钢板的弧形表面焊接1～2个耳板，每耳板与各自的经向杆转动连接，中空凹形圆环安装在U形钢板内，圆柱轴从U形钢板上面经中空凹形圆环直插到U形钢板下面的不通孔，圆柱轴中部与中空凹形圆环为过盈配合，圆柱轴两端与水平放置的U形钢板的两端孔为滚动配合，U形钢板的螺孔中旋入短螺杆对圆柱轴轴向定位，环向索穿入U形钢板并与中空凹形圆环外表面形成滑动配合。
所述的圆柱轴两端与水平放置的U形钢板的两端孔的滚动配合，为整圈带磁性圆柱形辊轴杆结构的滚动配合，或者是轴承结构的滚动配合。
2)本发明由单层网壳和通过节点组成的索杆结构连接组合而成；所述的节点为滚动摩擦节点，包括立杆，1～2根经向杆，T形圆台；在T形圆台下面的凸台上装有轴承，轴承外环装有凹形圆环，L形安全防护钢板，T形圆台上平面分别焊接与经向杆转动连接的1～2个耳板和与一个立杆转动连接的耳板，环向索穿入L形安全防护钢板与凹形圆环内，环向索与凹形圆环形成滑动配合。
二、滚动摩擦节点弦支穹顶结构的施工方法：
1)滚动摩擦节点装配步骤：
a)第一种技术方案：水平放置的U形钢板的上表面焊接立杆底座和耳板，在网壳结构安装完毕后，立杆上端与网壳结构上的节点耳板转动连接，下端与立杆底座相焊接，经向杆与耳板转动连接；环向索放入U形钢板中，若干个带磁性圆柱形辊轴杆放入并吸附在水平放置的U形钢板上部和下部的圆孔侧壁上；中空凹形圆环放入U形钢板中；圆柱轴从U形钢板上部的圆孔经中空凹形圆环插入到下部圆孔底部，圆柱轴插入中空凹形圆环孔中形成过盈配合，短螺杆旋入螺孔将圆柱轴轴向定位；钢板放入U形钢板侧面并焊接，依此类推，完成其它节点与环向索的安装。
b)第二种技术方案：T形圆台下面的凸台上安装轴承，并与轴承内环形成过盈配合，在轴承上安装中空凹形圆环，中空凹形圆环与轴承外环形成过盈配合，圆台上平面分别焊接与经向杆转动连接的耳板和与一个立杆转动连接的耳板，在网壳结构安装完毕后，立杆上端与网壳结构上的节点耳板转动连接，下端与耳板转动连接，经向杆与耳板转动连接；环向索放入中空凹形圆环，螺丝旋入底部螺孔和侧面螺孔把L形安全防护钢板与T形圆台连接固定，依此类推，完成其它节点与环向索的安装。
2)预应力施工方法的步骤如下：
当一圈环向索与所有相关节点都安装完成后，按照5～10个索段长度为一个线单元，把一圈连续环向索分成若干个线单元并设置同等数量的张拉点；首先把这几个张拉点同时分级超张拉到105％～120％预应力施工控制值，再放松回到100％预应力施工控制值，如此循环2～3次后即可把环向索与立杆连接的滚动摩擦节点之间微小的滚动摩擦力再进一步减小，从而使一圈环向索各索段的内力基本保持相等，同理，依次张拉完成其他各圈环向索后，整个弦支穹顶结构预应力施工即告完成。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
1、施工精度高。环向索与立杆连接节点之间摩擦力的减小使预应力损失减小，从而保证了环向索、经向索(杆)、立杆等的预应力施工精度。
2、施工工效高。采用环向索张拉的方法施工速度快、工效高，少量几次超张拉就可以基本消除环向索与节点之间的摩擦力，方法简单、成效明显。
3、施工成本低。采用的预应力施工方法所用的设备简单而施工精度却很高，可避免反复调整索力的时间、人力物力等资源，施工成本大幅度降低。
4、结构使用安全。由于环向索与节点之间只存在很小的滚动摩擦，结构变形、受力的自我调节功能增强，使结构环向索各索段的拉力在任何荷载工况下能始终保持相等或接近相等，结构效率的提高增强了结构的安全性。
附图说明
图1是肋环型弦支穹顶结构构成的三维透视图，圆虚线圈出的交叉点即为一圈环向索与其中一根立杆连接的一个节点。
图2是葵花型弦支穹顶结构构成的三维透视图，圆虚线圈出的交叉点即为一圈环向索与其中一根立杆连接的一个节点。
图3是滚动摩擦I型节点构造图，图3a、图3b分别为肋环型、葵花型的平面图，图3c为肋环型、葵花型节点的1-1剖面图。
图4为滚动摩擦I型节点制作流程示意图。
图5为采用滚动摩擦I型节点的结构施工流程示意图。
图6是滚动摩擦II型节点构造图，图6a葵花型的平面图，图6b为中空凹形圆环与轴承的连接构造平面图，图6c为节点正立面图，图6d为节点正剖面图，图6e为节点侧立面图，图6f为节点侧剖面图。
图7是滚动摩擦II型节点制作流程示意图。
图8是滚动摩擦II型节点的结构施工流程示意图。
图中：1、环向索，2、经向杆，3、立杆，4、U形钢板，5、圆孔，6、螺孔，7、立杆底座，8、耳板，9、带磁性圆柱形辊轴杆，10、中空凹形圆环，10’、中空凹形圆环，11、圆柱轴，12、短螺杆，13、钢板，14、轴承，15、T形圆台，16、底部螺孔，17、侧面螺孔，18、耳板，19、L形安全防护钢板。
具体实施方式
本发明的滚动摩擦节点弦支穹顶结构体系，在环向索与立杆的连接节点制作时，采取安装轴承或采用类似轴承的构造措施，使环向索与立杆连接节点之间的滑动摩擦关系转变成为滚动摩擦关系，从而最大程度地减小环向索与节点之间的摩擦力，使结构在施工期间和使用期间环向索各索段的拉力相等或接近相等。具体体现为：
(1)结构施工阶段。这种新型节点将使环向索在结构施工期间的预应力损失明显减小，使结构在施工完成后各环向索段、各经向索(杆)、各立杆的实际内力与设计内力值相等或最大程度地接近相等，从而达到结构预应力施工高精度控制的目的。
(2)结构使用阶段。这种新型节点将使环向索各索段的内力分配更加均匀，即使结构处在受半跨荷载、动荷载等不利工况下，结构能够瞬时作出变形反应以保持环向索各索段的拉力均匀，通畅的力流将使环向索能始终保持均匀的受拉状态，并使经向索(杆)也能始终保持受拉状态，避免拉索(杆)退出工作的情况发生。从而提高了结构的工作效率和结构的安全性。
本发明适用于图1所示的肋环型、图2所示的葵花型等弦支穹顶结构，弦支穹顶结构由单层网壳和通过节点组成的索杆结构连接组合而成。以图2所示的葵花型弦支穹顶结构为例，所述的全部构件均为钢材。
实施例1：
如图3b、3c所示，所述的节点为滚动摩擦I型节点，包括立杆3，2根经向杆2，水平放置的U形钢板4和中空凹形圆环10；U形钢板4的上面开有螺孔6，U形钢板4的下面为不通孔，U形钢板4的上表面焊接立杆底座7，立杆底座7上焊接立杆3，U形钢板4的弧形表面焊接2个耳板8，每耳板8与各自的经向杆2转动连接，中空凹形圆环10安装在U形钢板4内，圆柱轴11从U形钢板4上面经中空凹形圆环10直插到U形钢板4下面的不通孔，圆柱轴11中部与中空凹形圆环10为过盈配合，圆柱轴11两端与水平放置的U形钢板4的两端孔为滚动配合，U形钢板4的螺孔6中旋入短螺杆12对圆柱轴11轴向定位，环向索1穿入U形钢板4并与中空凹形圆环10外表面形成滑动配合。
所述的圆柱轴11两端与水平放置的U形钢板4的两端孔的滚动配合，为整圈带磁性圆柱形辊轴杆9结构的滚动配合，或者是轴承结构的滚动配合。
滚动摩擦I型节点的制作过程如图4a、4b、4c、4d所示。用铸造或切削工艺加工成一个U形钢板4；在U形钢板4中间钻圆孔5；在U形钢板4圆孔5上部加工成螺孔6；焊接连接立杆的底座7；焊接连接经向杆的耳板8。
滚动摩擦I型节点安装与施工方法如图5a、5b、5c、5d、5e、5f所示。在网壳结构安装完毕后，立杆3上端与网壳结构上的节点耳板转动连接，下端与立杆底座7相焊接，经向杆2与耳板8转动连接；环向索1放入U形钢板4中，若干个带磁性圆柱形辊轴杆9放入并吸附在水平放置的U形钢板4上部和下部的圆孔5侧壁上；中空凹形圆环10放入U形钢板4中；圆柱轴11从U形钢板4上部的圆孔5经中空凹形圆环10插入到下部圆孔5底部，圆柱轴11插入中空凹形圆环10孔中形成过盈配合，短螺杆12旋入螺孔6将圆柱轴11轴向定位；钢板13放入U形钢板4侧面并焊接，依此类推，完成其它节点与环向索的安装。当一圈环向索与所有相关节点都安装完成后，按照5～10个索段长度为一个线单元，把一圈连续环向索分成若干个线单元并设置同等数量的张拉点；首先把这几个张拉点同时分级超张拉到105％～120％预应力施工控制值，再放松回到100％预应力施工控制值，如此循环2～3次后即可把环向索与立杆连接的滚动摩擦节点之间微小的滚动摩擦力再进一步减小，从而使一圈环向索各索段的内力基本保持相等，同理，依次张拉完成其他各圈环向索后，整个弦支穹顶结构预应力施工即告完成。
制造中空凹形圆环10时，其孔内径比圆柱轴11外径略小。采用温差装配法，即：利用金属热胀冷缩特性，装配前把圆柱轴11进行冷冻处理使之收缩，装配时将圆柱轴11插入中空凹形圆环10内，当恢复到相同温度后圆柱轴11膨胀而与中空凹形圆环10紧密握裹结合成一个整体。因为二者为热膨胀系数相同的同质金属材料，所以无论外界温度如何变化，二者在相同温度下的握裹力保持恒定不变。中空凹形圆环10与环向索1之间是滑动摩擦关系，而中空凹形圆环10与圆柱轴11是一个整体，施工张拉环向索1时通过中空凹形圆环10与圆柱轴11的结合体带动了磁性圆柱形辊轴杆9旋转滚动。磁性圆柱形辊轴杆9与U形钢板4内壁之间为滚动摩擦关系，这样就把环向索1与滚动摩擦I型节点之间由原来的滑动摩擦关系转变成了滚动摩擦关系，从而大幅度减小环向索1经过节点而产生的预应力损失。
图1、图3a所示肋环型弦支穹顶结构的滚动摩擦节点装配步骤和预应力施工方法的步骤与葵花型弦支穹顶结构相同。
实施例2：
如图6所示，所述的节点为滚动摩擦II型节点，包括立杆3，2根经向杆2，T形圆台15；在T形圆台15下面的凸台上装有轴承14，轴承14外环装有凹形圆环10’，L形安全防护钢板19，T形圆台15上平面分别焊接与经向杆2转动连接的2个耳板8和与一个立杆3转动连接的耳板18，环向索1穿入L形安全防护钢板19与凹形圆环10’内，环向索1与凹形圆环10’形成滑动配合。
滚动摩擦II型节点的制作过程如图7a、7b、7c、7d、7e所示。用铸造或切削工艺加工成一个T形圆台15；在T形圆台15突出部分钻底部螺孔16；在T形圆台15侧面钻侧面螺孔17；焊接连接立杆的耳板18；焊接连接经向杆的耳板8；采用温差装配法把轴承14加热后套入T形圆台15的底部；采用温差装配法把中空凹形圆环10’加热后套入轴承14。
滚动摩擦II型节点安装与施工方法如图8a、8b、8c所示。在网壳结构安装完毕后，立杆3上端与网壳结构上的节点耳板转动连接，下端与耳板18转动连接，经向杆2与耳板8转动连接；环向索1放入中空凹形圆环10’，螺丝旋入底部螺孔16和侧面螺孔17把L形安全防护钢板19与T形圆台15连接固定，依此类推，完成其它节点与环向索的安装。当一圈环向索与所有相关节点都安装完成后，按照5～10个索段长度为一个线单元，把一圈连续环向索分成若干个线单元并设置同等数量的张拉点；首先把这几个张拉点同时分级超张拉到105％～120％预应力施工控制值，再放松回到100％预应力施工控制值，如此循环2～3次后即可把环向索与立杆连接的滚动摩擦节点之间微小的滚动摩擦力再进一步减小，从而使一圈环向索各索段的内力基本保持相等，同理，依次张拉完成其他各圈环向索后，整个弦支穹顶结构预应力施工即告完成。
制造T形圆台15时，其下部凸台圆柱直径比轴承14内环的内径略大。采用温差装配法，即：利用金属热胀冷缩特性，装配前把轴承14进行加热处理使之膨胀，装配时将轴承14套入T形圆台15下部凸台圆柱，当恢复到相同温度后二者紧密握裹结合而成一个整体。制造中空凹形圆环10’时，其内径比轴承14外环的外径略小。装配前把中空凹形圆环10’进行加热处理使之膨胀，装配时将中空凹形圆环10’套入轴承14外环，当恢复到相同温度后二者紧密握裹结合而成一个整体。由于为热膨胀系数相同的同质金属材料，所以无论外界温度如何变化，在相同温度条件下，中空凹形圆环10’与轴承14外环、轴承14内环与T形圆台15下部凸台圆柱的握裹力保持恒定不变。中空凹形圆环10’与环向索1之间是滑动摩擦关系，施工张拉环向索1时通过中空凹形圆环10’带动了轴承14旋转滚动，从而把环向索1与滚动摩擦II型节点之间由原来的滑动摩擦关系转变成了滚动摩擦关系，进而大幅度减小环向索1经过节点而产生的预应力损失。
图1所示肋环型弦支穹顶结构的滚动摩擦节点装配步骤和预应力施工方法的步骤与葵花型弦支穹顶结构相同。
Claims (5)
1.一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构，由单层网壳和通过节点组成的索杆结构连接组合而成；其特征在于：所述的节点为滚动摩擦节点，包括立杆(3)，1～2根经向杆(2)，水平放置的U形钢板(4)和中空凹形圆环(10)；U形钢板(4)的上面开有螺孔(6)，U形钢板(4)的下面为不通孔，U形钢板(4)的上表面焊接立杆底座(7)，立杆底座(7)上焊接立杆(3)，U形钢板(4)的弧形表面焊接1～2个耳板(8)，每耳板(8)与各自的经向杆(2)转动连接，中空凹形圆环(10)安装在U形钢板(4)内，圆柱轴(11)从U形钢板(4)上面经中空凹形圆环(10)直插到U形钢板(4)下面的不通孔，圆柱轴(11)中部与中空凹形圆环(10)为过盈配合，圆柱轴(11)两端与水平放置的U形钢板(4)的两端孔为滚动配合，U形钢板(4)的螺孔(6)中旋入短螺杆(12)对圆柱轴(11)轴向定位，环向索(1)穿入U形钢板(4)并与中空凹形圆环(10)外表面形成滑动配合。
2.根据权利要求1所述的一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构，其特征在于：所述的圆柱轴(11)两端与水平放置的U形钢板(4)的两端孔的滚动配合，为整圈带磁性圆柱形辊轴杆(9)结构的滚动配合，或者是轴承结构的滚动配合。
3.一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构，由单层网壳和通过节点组成的索杆结构连接组合而成；其特征在于：所述的节点为滚动摩擦节点，包括立杆(3)，1～2根经向杆(2)，T形圆台(15)；在T形圆台(15)下面的凸台上装有轴承(14)，轴承(14)外环装有凹形圆环(10’)，L形安全防护钢板(19)，T形圆台(15)上平面分别焊接与经向杆(2)转动连接的1～2个耳板(8)和与一个立杆(3)转动连接的耳板(18)，环向索(1)穿入L形安全防护钢板(19)与凹形圆环(10’)内，环向索(1)与凹形圆环(10’)形成滑动配合。
4.一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)滚动摩擦节点装配步骤：
水平放置的U形钢板(4)的上表面焊接立杆底座(7)和耳板(8)，在网壳结构安装完毕后，立杆(3)上端与网壳结构上的节点耳板转动连接，下端与立杆底座(7)相焊接，经向杆(2)与耳板(8)转动连接；环向索(1)放入U形钢板(4)中，若干个带磁性圆柱形辊轴杆(9)放入并吸附在水平放置的U形钢板(4)上部和下部的圆孔(5)侧壁上；中空凹形圆环(10)放入U形钢板(4)中；圆柱轴(11)从U形钢板(4)上部的圆孔(5)经中空凹形圆环(10)插入到下部圆孔(5)底部，圆柱轴(11)插入中空凹形圆环(10)孔中形成过盈配合，短螺杆(12)旋入螺孔(6)将圆柱轴(11)轴向定位；钢板(13)放入U形钢板(4)侧面并焊接，依此类推，完成其它节点与环向索的安装；
2)预应力施工方法的步骤：
当一圈环向索与所有相关节点都安装完成后，按照5～10个索段长度为一个线单元，把一圈连续环向索分成若干个线单元并设置同等数量的张拉点；首先把这几个张拉点同时分级超张拉到105％～120％预应力施工控制值，再放松回到100％预应力施工控制值，如此循环2～3次后即可把环向索与立杆连接的滚动摩擦节点之间微小的滚动摩擦力再进一步减小，从而使一圈环向索各索段的内力基本保持相等，同理，依次张拉完成其他各圈环向索后，整个弦支穹顶结构预应力施工即告完成。
5.一种滚动摩擦节点弦支穹顶结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)滚动摩擦节点装配步骤：
T形圆台(15)下面的凸台上安装轴承(14)，并与轴承(14)内环形成过盈配合，在轴承(14)上安装中空凹形圆环(10’)，中空凹形圆环(10’)与轴承(14)外环形成过盈配合，圆台(15)上平面分别焊接与经向杆(2)转动连接的耳板(8)和与一个立杆转动连接的耳板(18)，在网壳结构安装完毕后，立杆(3)上端与网壳结构上的节点耳板转动连接，下端与耳板(18)转动连接，经向杆(2)与耳板(8)转动连接；环向索(1)放入中空凹形圆环(10’)，螺丝旋入底部螺孔(16)和侧面螺孔(17)把L形安全防护钢板(19)与T形圆台(15)连接固定，依此类推，完成其它节点与环向索的安装；
2)预应力施工方法的步骤：
当一圈环向索与所有相关节点都安装完成后，按照5～10个索段长度为一个线单元，把一圈连续环向索分成若干个线单元并设置同等数量的张拉点；首先把这几个张拉点同时分级超张拉到105％～120％预应力施工控制值，再放松回到100％预应力施工控制值，如此循环2～3次后即可把环向索与立杆连接的滚动摩擦节点之间微小的滚动摩擦力再进一步减小，从而使一圈环向索各索段的内力基本保持相等，同理，依次张拉完成其他各圈环向索后，整个弦支穹顶结构预应力施工即告完成。
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