CN101949209B - 一种用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台，它包括骨架体和钢索网、所述骨架体由间隔交错固定相连的轻质梁(3)形成，所述骨架体周边支撑固定在桁架(1)上，所述钢索网由穿过轻质梁并间隔相互交织与张拉的钢索(2)形成，在钢索穿过轻质梁的两边设置有可使钢索网与骨架体形成整体的夹紧装置。所述支撑平台呈柔性结构，相互依赖性降低，不仅具有高的强度和刚性，能提高大跨距建筑工程的抗震性，安全系数高；而且施工方便，工程造价低，每平方米造价低于0.5万元，比现有跨距为100米的建筑工程支撑平台造价(4万元/m²)低得多。本发明最大特点为大跨距建筑工程屋顶封闭提供了一个支撑屋顶负载和用于屋顶施工的支撑平台，解决了100米以上大跨距无支柱建筑工程还不能实现屋顶全封闭的问题。

Description

一种用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台

技术领域

本发明涉及建筑构件，尤其是涉及用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台。

背景技术

目前，在建筑工程中，对于无支柱且跨距在100米以内的中小型建筑工程大都采用钢结构、网架结构、悬索结构或薄壳结构等以刚性材料杆件组合作为屋顶全封闭的支撑平台，而对于无支柱且跨距在100米以上的大型建筑工程(如体育场、文化娱乐中心、港口码头、大型飞机制造和停放地等)，由于上述大型建筑工程跨距一般都在100米以上，对于这种大跨距建筑工程的屋顶在封闭必须要有支撑平台，否则屋顶封闭就难以实现。这种大跨距建筑工程屋顶封闭的支撑平台采用现有中小型建筑工程使用的刚性材料杆件来形成大跨距建筑工程屋顶实现全封闭的支撑平台从设计和施工中都难以达到技术要求，至使现有无支柱且跨距在100米以上的大型建筑工程大都不能实现屋顶全封闭。这是因为随着跨距的增大，杆件横截面必须增大，杆件自身重量增大，对巨大恒载整体构架很难满足抗弯、抗压和挠度等技术要求；二是因为刚性杆件组合传力系统复杂，施工难度大、要求高且结构存在相互依赖性，如果杆件或杆件节点出现局部破坏或失稳，就会造成诺米骨牌效应，相邻结构失去依靠，甚至导致结构整体垮塌；再是刚性杆件组合结构抗震性较脆弱，由于杆件增重，建筑工程造价也大大增加。

发明内容

针对上述现有技术中无支柱且跨距在100米以上大型建筑工程不能使用刚性杆件组合作为屋顶全封闭的支撑平台的问题，本发明提出了一种既可用于无支柱且跨距在100米以上大型跨中建筑实现屋顶支撑和全封闭施工、又能确保工程质量、降低工程造价、提高工程抗震性的支撑平台。

本发明要解决的技术问题所采取的技术方案是：所述用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台包括骨架体和钢索网，所述骨架体由间隔交错固定相连的轻质梁形成，所述骨架体周边支撑固定在桁架上，所述钢索网由穿过轻质梁并间隔相互交织与张拉的钢索形成，在钢索穿过轻质梁的两边设置有可使钢索网与骨架体形成整体的夹紧装置。

所述夹紧装置包括卡板和索卡，卡板对称嵌入轻质梁内并用索卡固定连接。

所述骨架体由轻质梁采用焊接、铆接或轻质合金连接板进行固定连接所形成，所述卡板采用轻质合金制造，所述连接螺杆和索卡上最好设置有防水罩，所述轻质梁最好使用铝合金工字梁，也可采用其它轻质合金工字梁。

本发明所述的支撑平台构造原理是：采用铝合金工字梁形成一个中间无支柱支撑的骨架体，所述骨架体用钢索支撑在四周的桁架上形成一个铝钢索骨架组合的支撑平台，它充分利用交错编织的钢索来支撑铝合金骨架体，所采用的铝合金工字梁重量只有同一标号普通钢轨重量的34％，在跨距在300米以内铝合金骨架体支撑平台又具有工字钢形成的支撑平台相当的强度和刚性，从力学计算和建筑工程技术要求都是可行的。

本发明在施工中，先将X方向和Y方向的轻质梁用连接螺杆和连接板进行连接形成田字形铝合金骨架体，再将钢索分别穿过X方向和Y方向的轻质梁，钢索相互上下交错编织，再将钢索两端穿过桁架，并在钢索两端连接拉力器，而后先将X方向钢索张拉至70％的设计拉力，张拉后在Y方向用卡板和索卡将钢索和轻质梁预紧固连接，而后再将Y方向钢索张拉至100％的设计拉力，张拉后在X方向用卡板和索卡将钢索和轻质梁紧固连接，最后将X方向钢索张拉至100％设计拉力，再将索卡紧固，从而形成一个铝钢骨架组合的支撑平台。

本发明具有的技术效果是：所形成的铝钢索骨架组合的支撑平台单位面积重量只有钢骨架的34％，减轻了桁架的负重，所形成的支撑平台呈柔性结构，相互依赖性降低，具有高的强度和刚性，能提高大跨距建筑工程的抗震性，安全系数高；所述支撑平台不仅施工方便，且工程造价低，每平方米造价低于0.5万元，比现有跨距为100米的建筑工程支撑平台造价(4万元/m²)低得多。本发明特点是为大跨距建筑工程屋顶封闭提供了一个支撑屋顶负载和屋顶封闭施工的支撑平台，解决了100米以上无支柱大跨距建筑工程不能实现屋顶全封闭的问题。

所述铝钢骨架支撑平台结构负荷受力分析：

1、Y向各间距的铝钢骨架作用，在对应屋顶和支撑平台之间铰接有间距均为9米并呈30°倾斜的斜支撑杆，因而可将屋项的载荷分解为大部份水平力和1/2的垂直力，这样就可减轻对铝钢骨架组合的支撑平台上的垂直压力。同时也使屋顶形成一个整体拱桥作用，提高了支撑平台的抗弯作用能力。

2、虽然铝钢索骨架组合的支撑平台在垂直方向只承担1/2的垂直力，为了提高支撑平台的刚性，在铝钢骨架上设置有与屋项和桁架相连的斜拉索，在1/2的Y向宽度(103.5米)上的B和C处分别设置有斜拉索，B处和C处相距63.5米，B处与桁架和C处与屋项中心均相距20米，使斜拉索与桁架之间形成三角桁架，这样在103.5米跨内增设了两个支承座面，从而增加支撑平台的抗弯强度，由于跨度较大，因此，钢骨架只承受少部份抗弯，大部份抗弯由有充足反力的双向钢索网支撑，从而确保支撑平台有足够的抗弯强度保障。

3、三角桁架的之间的抗压应力合力足以抵抗钢索向内的拉合力，从而大大减少桁架的水平力，因为大跨距建筑桁架高度至少在18米以上，有利于桁架的设计。

4、由于铝钢索骨架组合的支撑平台跨距大，钢索张拉受压力后容易弯曲，为此，在钢索穿过铝骨架时，用卡板和索卡将钢索与骨架体连接，并通过钢索相互交织，使骨架体与钢索能形成铝钢索骨架组合整体，通过钢索使骨架体受力传递到每一根钢索上，这样大大增强了铝钢索骨架组合的支撑平台的抗弯能力。

附图说明

图1是本发明所述支撑平台局部俯视结构示意图，

图2是图1的P-P剖视结构示意图，

图3是图1的I-I局部放大示意图，

图4是图3的X-X剖视结构示意图，

图5是图3的Y-Y剖视结构示意图，

图6是图4的A向视结构示意图，

图7是图5的Z-Z俯视结构示意图。

图8是本发明Y方向跨距局部受力图，

图9是本发明Y方向载荷图，

图10是三角桁架的斜拉索受力图。

在图中，1、桁架2、钢索3、轻质梁4、支撑平台5、屋顶6、斜支撑杆7、斜拉索8、连接螺杆9、连接板10、卡板11、索卡

具体实施方式

一、在图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7中，建筑工程四周设桁架1，桁架采用具有足够强度和刚性的钢质材料或钢筋混凝土柱形成，所述桁架X方向跨距为270米、Y方向跨距为207米，在270米×207米内无支柱，轻质梁3采用I63C#铝合金工字梁，当然也可以采用其它轻质合金制造的轻质梁，X方向和Y方向的轻质梁相互间距均为9米，X方向有个30间距，Y方向有个23间距，即X方向有30根轻质梁，Y方向有23根轻质梁，所述铝合金工字梁交错固定连接形成270米×207米的骨架体，所述桁架强度和刚性应保证能承受钢索的张拉的骨架体的负载的要求来设计施工，所述骨架体外端固定在桁架四周，在X方向的每个跨距设置有11根直径为21.5毫米的钢索2，在Y方向的每个跨距设置有11根直径为26.5毫米的钢索2，所述钢索之间相互交织形成钢索网，所述钢索两端穿过桁架后连接有张拉器(图中未画出)，所述轻质梁3之间采用铝质L形的连接板9和高强度的连接螺杆8紧固相连，从而形成铝合金骨架体，所述连接螺杆四只对称设置，所述连接板厚度和连接螺杆直径根据工程结构进行计算得出连接块厚度和连接螺杆的直径，当然也可采用铝焊接或铆接将轻质钢紧固连接，在X方向每个9米的间隔内分别设置有11根平行固定在桁架一端并穿过轻质梁(轻质梁上设有钢索孔)固定在桁架另一端的钢索2，在Y方向每个9米间隔内设置有11根平行固定在从桁架一端并穿过轻质梁到固定在桁架另一端的钢索2，所述X方向的钢索与Y方向的钢索相互上下交错编织，在钢索穿过轻质梁两边上下均设置有卡板10，所述夹板用铝合金制造，夹板一端伸入到轻质梁凹槽内，夹板另一端伸展在钢索上，夹板之间用索卡11紧固连接，在轻质梁两侧用卡板和索卡紧固钢索2。当然也可以采用其它结构形式有夹装装置将钢索固定在骨架体上，通过上述骨架体和钢索的组合形成支撑平台4，所述支撑平台的四周与桁架之间间隔设置有斜拉索7，斜拉索与屋顶和支撑平台形成三角桁架，斜拉索与水平倾斜角度为8.5度，依托支撑平台4在支撑平台上可设置各种不同封闭结构的屋顶5，屋顶与支撑平台之间用铰轴间隔设置有呈30°的斜支撑杆6，所述封闭的屋顶设计成坡度值不大于3％(最大正切值为0.03，最大角度为2°，使屋顶的垂直力基本上分解成水平力，钢索所受垂直受力大大降低，水平方向受力大大增加，钢索不会下凹，从而使铝钢骨架支撑平台始终能保持足够的强度和刚性。所述屋顶在坡度确定后，其造型可以自由选择，可以是固定全封闭，也可以是开合式全封闭等。

二、如图8、图9、图10所示：

所述207m×270m铝钢索骨架组合的支撑平台结构的基本计算：

1、屋顶结构恒载计算：假设屋顶结构为铝合金型钢杆件和100mm厚的保温隔热防水屋面板组成，铝合金型钢杆件自重2.7KN/m²，吊顶重0.3KN/m²、雪载0.75KN/m²，屋面板自重0.6KN/m²

合计屋顶最大重量q＝2.7+0.3+0.75+0.6＝4.35KN/m²，

每跨荷载＝4.35×9×9＝352.35KN。(9米×9米方格间距)

2、支撑平台负重(不包括三角桁架和支撑重量)，

X和Y向骨架采用铝合金工字钢、I63C、查表自重0.485KN/m跨距9米，Y方向有23跨，每跨有一根斜拉索，各根斜支撑杆承受的水平力和垂直力

水平力D＝(352.35+0.51×9)×COS30°≈309KN

垂直力P＝(352.35+0.51×9)×sin30°≈178.5KN

骨架体受总水平分力＝305×11＝3399KN(力方向指向跨端部)

骨架体用I63C铝合金轻质梁，自重＝0.485KN/M×1.1＝0.53KN(包括卡板等附件)

垂直集中荷载每处178.5KN×11(处)

均布荷载铝梁自重0.53KN/m

3、Y向半跨骨架体弯矩计算：

P＝178.5KN，固端弯矩计算：MBC＝MCB＝(2n²+1/24n)pL+qL²/12＝(2×6²+1/24×6)×178.5×63.5+0.53×63.52²/12＝-5924KN-m

MBA＝MCD＝Pa(1-a)+&²/12＝178.5×3.5×(1-3.5)+0.53×20²/12＝-1579.5KNm

单位刚度AB＝CD＝1/20＝0.05BC＝1/63.5＝0.016

分配系数：uBA＝uCD＝0.05/(0.05+0.016)＝0.758uBC＝uCB＝0.016/0.066＝0.242

分配得：MB＝MC＝-4872.6KN-m

BC跨M总(按简支计算)，最大弯矩点在BC跨中点处

简支VB＝VC＝178.5×11/2+0.53×63.5/2＝998.6KN

Mmax＝998.6×63.5/2-1/2×0.53×31.75²-178.5-(45+36+27+18+9)＝7340.9KN-M

跨内M＝7340.9-4872.6×0.7(调幅系数)＝3930KN-M

AB、CD跨内M计算：

VA＝VD＝178.5+0.53×10-4872.6×0.7/20＝13.25KN

跨内M＝13.25×4.5-1/2×0.53×4.5²＝54.26KN-M

BC跨I63C钢[M]由钢梁抗弯式б＝M/wf≤[б]

则[M]＝[б]·wf＝2100kg/c m²×3298cm3＝6925800kg-cm＝692.58KN-m

AB、CD跨内M由I63C钢抗M，有大量富余，计算从略，支座BC抗负M计算，因钢梁本身693KN-M[M]＜3411KN-M故支座段应加高截面，现设B、C支座左右设加焊I63C钢则h＝126cm

W＝3298×126²/63²×1.3(有4个翼绿)＝3298×5.2(倍)＝17150cm³

б＝34110000/17150＝1989kg/cm³＜2100kg/cm² I63C，B左长12m B右长7m

4、钢索网计算

前算钢梁抗弯矩692.58KN-M，则钢索反力应抗弯矩的均布荷载为：

3930-692.58＝3237.42KN-M化成等效均布荷载后钢索反力为：

由M²/(1/8qL2)则q＝M/(1/8L2)＝3237.42/0.125×63.5²＝6.42KN/M

总反力＝6.42×63.5＝407.67KN

分给每根钢索反力＝407.67/[70(X向)+11]＝5.03KN

20m跨因正弯矩较小，由钢梁抗弯有很多富余故不算索反力。

Y向钢索总反力为5.03+X向(I钢和索自重)1.41×1.3＝6.86KN/处，6.86×29＝198.94KN

Y向5.03×1.1×2＝11.07KN(钢索尚应张拉至三角桁架向端部的总水平压力＝柱三角桁架的水平反力：

Y向钢索直径计算：每根钢索应有拉力＝6081/0.6×11＝921.36KN，(6081＝3399+2682)，每根钢索截面积＝921360/1670＝552mm²，钢索直径为26.5mm。

X向钢索直径计算：1989.40×1.8/0.6×1676＝357mm²(式中1.8为考虑钢索受荷后，有一定下弯，形成斜拉力的增大系数)，直径ф21.3，设计为ф21.5mm。B、C等4个点斜拉索计算：

由钢梁[M]＝692.58KN-M化成等效均布荷载后计算端部剪力为V右＝692.58/0.125×63.52×63.5/2＝43.63KN

AB和CD跨，由前算VA＝13.25KN，则VB左＝178.5×2+0.53×20-13.25＝354.35KN

斜拉索的垂直荷载受力图：如图10所示

R＝43.63+354.35＝397.98KN

BC斜拉力＝397.98KN/Sin8°32′＝397.98/0.14838＝3682KN

фX索的面积＝2682000×1.4/1670＝562mm²用4ф26.5或2ф28高强索

支撑平台轴心受压计算：

11根斜支撑杆水平分力的合力＝3399KN(见前算)力方向为跨端，斜拉索水平力为2682KN力方向为跨端。往跨端总压力为N＝3399+2682＝6081KN

根据钢索结构轴心受压式：

б＝N/фA≤[б](式中ф为最大长细比稳定系数，因设计图中支撑平台有钢索穿过且两侧用卡板卡固，故不考虑ф系数)，

则б＝6081000N/18010mm²＝338N/mm²＞[б](210N/mm²)

应加大截面：所需的受压截面积计算：

6081000×1.5/210＝43436mm²尚少面积＝43436-18010＝25426mm²

设在I63C的中轴壁加厚：中壁净高＝556mm，厚为25426/556＝46mm

46+17＝63，用中壁厚高为63mm的I63C。

铝钢索骨架组合的支撑平台抗压计算：

11根斜支撑杆水平分力合力3399KN，斜拉索水平力因B、C点方向相反，相互抵消。

б＝N/A＝3399000/18010＝188.7N/mm²＜[б](210N/mm²)满足，钢筋混凝土柱计算，设柱截面b×h＝700×1000，Y向柱因钢索拉力较小，三角桁架足以抵抗柱水平力，Y向每跨11根钢索张拉总力等于桁架水平总支座反力。

X向柱往内水平力＝198.94×11×1.5＝3283KN(1.5为形成斜拉力后增大系数)，I63C钢抗水平力＝210×18010/1000＝3782KN＞3283满足，周围穿索钢桁架计算。

穿钢索后桁架计算：设桁架外轮廓b×h＝180×900(h为水平向)I＝bh³/12＝180×900³/12＝10935×10⁵

截面如能满足挠度要求，一般能满足抗弯要求：(按两端固定梁算，因端部伸进柱内)fmax＝npL3/384EI＝10×921360×8300³/384×2.1×10⁵×10395×10＝6.28mm，而X向钢索直径＝8300/400≈21mm＞6.28mm，满足设计要求，取X向钢索直径为21.5mm。

说明：以上计算均按老结构规范取安全系数，抗弯K＝1.4，索抗拉K＝1/0.6＝1.67，抗压K＝1.5，比新规范恒载×1.2活载×1.4有所偏高(因为前面计算只有恒载)。结论：以上计算，对于构件抗弯抗拉，抗压均有足够安全系数，所以结构是安全的，对于大空间稳定性问题，因周围有足够截面的刚性柱，房屋外围四周有钢桁架和钢筋混凝梁连结，柱顶又有钢桁架或钢梁约束，这样组成了一个刚性整体构架，对空间稳定性有一定保障，通过结构基本计算，网索骨架组合结构用于超大跨度屋盖的受荷平台，从力学上可行。

二、钢索骨架组合的支撑平台造价估算

ф25高强钢索(2075×478+270.5×297)×2.45kg/m＝440t

12000元/t×440t×1.1＝528万元×1.10(工资系数)＝581万元

铝合金工字钢：I63C

Y向(205.4×4×29+268.4×23)×1.1×48.5＝1600.5t×1.08＝17000元/t×1600.5×1.08＝2721万元×1.08(工资系数)＝2938.5万元

钢桁架2.86t/跨×106跨＝303.16t

4500元/t×303.16t＝136.42万元

钢筋混凝土柱(房屋高24m)

0.7×1.00×24.3×112＝1881.6m³，1200元/m³×1881.6m³＝276万元

铃桩基础(定8m深d1100桩)，0.7854×1.1²×8×1.15×110＝962m³

600元/m³×962m³＝57.7万元

周围桁架连梁共设3道b×h＝350×350

8.3×0.35×0.35×106×3＝323m³1300×323＝42万元

脚手架：207×270＝55890m²

10.53元/m²×55890＝58.85万元

外脚手架(220+207)×2×24.3＝23182m²

9元/m²×23182＝20.9万元

合计：(581+2938.5+136.42+276+57.7+42+58.85+20.9)＝4111.37万元

(如不包含脚手架费为3981.62万元)

上部屋顶结构，周围外墙板，室内周围观众席台阶、室内地面、室外排水沟散水，吊顶、水电安装，按以上不包含脚手架费用的直接费4111.37万元×2＝8222.74万元。

合计直接费：10284.11万元

今后设计中的不可预计费和前面计算中的不可预计费30％＝2650.9万元

间接费30％3049.56万元，税收6％792.9万元

总计：1.677747亿元，造价：140076700/55890(207m×270m)＝3018元/m²。

上述计算是针对图1至图7所示的270米×207米内无支柱的大跨度建筑屋项全封闭支撑和施工用的支撑平台结构强度的计算，通过计算本发明所述的支撑平台能满足屋顶全封闭支撑和施工的技术要求。

Claims (3)

1.一种用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台，其特征是：它包括骨架体和钢索网，所述骨架体由间隔交错固定相连的轻质梁(3)形成，所述骨架体周边支撑固定在桁架(1)上，所述钢索网由穿过轻质梁并间隔相互交织与张拉的钢索(2)形成，在钢索穿过轻质梁的两边设置有可使钢索网与骨架体形成整体的夹紧装置。

2.根据权利要求1的所述的一种用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台，其特征是：所述夹紧装置包括卡板(10)和索卡(11)，所述卡板设置在钢索(2)两边，卡板一端嵌入轻质梁(3)内并用索卡固定连接。

3.根据权利要求1的所述的一种用于大跨距建筑屋顶封闭的支撑平台，其特征是：所述轻质梁(3)用铝合金制成。

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