CN102235031B - 超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架及制作方法，包括网架（ 1 ） , 所述的网架（ 1 ）由双层正放四角锥桁架（ 2 ）构成，在网架（ 1 ）的每边约 1/3 处沿 x 方向和 y 方向为三层正放四角锥桁架（ 3 ）；在三层正放四角锥桁架（ 3 ）上设置有预应力钢索（ 4 ）。本发明为超大跨度（ 120m ≤ L ≤ 180m ）空间钢网格结构领域提供了一种新型的结构形式，克服了目前超大跨度钢网格结构用钢量过大的缺点，满足“安全，合理，先进，经济”设计要求，且施工简单、操作性强，与现有超大跨度钢网格结构比较，能大幅度降低用钢量，减少工程造价。

Description

超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架及制作方法

技术领域

本发明涉及一种大跨度屋盖结构，特别是一种超大跨度（120m≦L≦180m）变截面双层与三层预应力肋梁式网架及制作方法，属于建筑钢结构的技术领域。

背景技术

平板型钢网架结构国内外常用的形式有12种之多，正放四角锥钢网架结构由于结构刚度好，应用面最为广泛，但应用跨度一般在18m～60m之间，当跨度大于60m以后，为了减小斜腹杆的计算长度，采用三层平板网架，但跨度L=120m～180m等超大跨度，三层平板网架并不经济，也非最佳结构形式。目前已建成或还在兴建的超大跨度钢网格结构，如首都“鸟巢”体育场，京沪高速铁路站房，如“天津西站”及于家堡站房，均为跨度L≥100m的钢网格结构屋盖，这些屋盖结构用钢量w≥250kg/m²,即每四平方米建筑，需耗钢一吨，工程造价昂贵，达不到“安全，合理，先进，经济”的设计要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架及制作方法。该网架结构适用于跨度在120m～180m的超大跨度平板型钢网格结构，满足“安全，合理，先进，经济”的设计要求，且施工简单、可操作性强，能大幅度降低用钢量，减少工程造价。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案：超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架的制作方法。该方法是先采用双层正放四角锥桁架满铺，形成“网格板”，再在距该“网格板”每边约1/3部位，利用原双层正放四角锥桁架的下弦作为下层正放四角锥的上弦，形成三层正放四角锥桁架；然后在三层正放四角锥桁架的下弦杆上设置钢索转向支撑架，将预应力钢索的一端锚固在三层正放四角锥桁架的上承式支座上，另一端从上承式支座向下倾斜，穿过钢索转向支撑架后转折成水平线，两个方向折线钢索形成夹角。

超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架。包括网架,所述的网架由双层正放四角锥桁架构成，在网架的每边约1/3处沿x方向和y方向为三层正放四角锥桁架；在三层正放四角锥桁架上设置有预应力钢索。

上述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的双层正放四角锥桁架是由上弦、下弦和斜腹杆组成，上弦通过斜腹杆与下弦连接。

前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的双层正放四角锥桁架沿x方向为变截面，截面高度中间大，两端小；沿y方向每榀双层正放四角锥桁架的上弦、下弦相互平行。

前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述三层正放四角锥桁架的上弦为双层正放四角锥桁架的下弦，并通过下层斜腹杆与其下弦杆连接。

前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，在所述三层正放四角锥桁架的下弦杆上设置有钢索转向支撑架；预应力钢索的一端锚固在三层正放四角锥桁架的上承式支座上，另一端从上承式支座向下倾斜，穿过钢索转向支撑架后转折呈水平线。

前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的预应力钢索张拉并锚固在三层正放四角锥桁架的上承式支座上。

前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的钢索转向支撑架位于x方向和y方向三层正放四角锥桁架的正交叉点处，钢索形成折线式。

前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，x方向与y方向的预应力钢索在钢索转向支撑架处正交叉后转折，x方向与y方向的预应力钢索在交叉点处不相碰撞。

前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，在所述的钢索转向支撑架上装有x方向和y方向的钢索转向定滑轮，x方向与y方向的预应力钢索穿过钢索转向定滑轮后转折呈水平线，其斜索与水平索之间形成夹角。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明能作到“安全，合理，先进，经济”的研制要求，它采用正放四角锥考虑屋面坡度的变截面双层网架，然后x,y方向中央部分约1/3处做成正放四角锥三层网架。如同钢筋砼肋型楼盖，即双层部分为“板”，三层部分为“交叉梁”，在正交叉的三层桁架交叉点处，设置预应力钢索的转向支撑架，结构建立预应力后，交叉点处（四处）产生与荷载作用方向相反的作用力，从而达到提高结构整体刚度减小结构内力，导致使结构用钢量大幅度下降，减小工程造价的目标。本发明为超大跨度（120m≤L≤180m）空间钢网格结构领域提供了一种“安全，合理，先进，经济”的新型结构形式，克服了目前超大跨度钢网格结构用钢量过大的缺点，满足“安全，合理，先进，经济”设计要求，且施工简单、可操作性强，与现有超大跨度钢网格结构比较，能大幅度降低用钢量，减少工程造价。

本发明不同于“周边三角锥简支承体内折线预应力钢网架结构”（ZL2006102675.6），也不同于“大跨度周边简支承体内折线预应力钢网架结构”（ZL200610200674.1），此两项发明专利与本发明专利不同之点有如下几方面：其一，应用的跨度各不相同。前两种只能应用跨度L=60m～100m的大跨度，本发明可应用于L=120m～180m的超大跨度时仍有良好的力学工作性能；其二，前两种为双层网架组成的“网格式板”，双层网架高度为h₁，其受力宽度为B。从一个方向（x或y方向）分析为B×h₁梁式，由于其抗弯刚度（EI₁）小，其承载力亦小（q₁小，M_q1小），在预应力作用下，钢索转折点夹角α₁小，预应力在转折的作用力P_b1=P_asin(α₁)亦小，如图10所示。本发明双层与三层网架组成肋型楼盖，仍从一个方向分析（x或y方向），从图11可知，它的抗弯刚度（EI₂）大，其承载力亦大（q₂﹥q₁，M_q2﹥M_q1），其截面高度为h₁+h₂﹥h₁，则折线钢索夹角（α₂﹥α₁）亦大，其产生反作用力P_b2=P_asin(α₂)﹥P_b1=P_asin(α₁)，其产生的功效△M_p2﹥△M_p1，从两者的受力特性说明本发明承载能力超过前两项专利。当跨度为L=120m～180m的超大跨度时，前两种专利已无能为力，只有采用本发明的结构组成和构造，才能适用于超大跨度达到“安全，合理，先进，经济”的设计要求。

附图说明

图1是本发明的平面结构简图；

图2是图1中A部的网格布置图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图3的C-C剖视图；

图5是图2的B-B剖视图；

图6是图5的D-D剖视图；

图7是三层正放四角锥桁架的上承式支座节点构造图；

图8是钢索转向支撑架的节点构造简图；

图9是钢索转向定滑轮的节点构造简图；

图10为现有技术中正放四角锥网架等效为“网格板”时的力学简图；

图11是本发明等效为“肋型网格楼盖”时的力学简图；

图12是x方向三层正放四角锥肋形桁架在x、y向钢索预拉力作用下结构“成形态”自平衡体系图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1。如图1所示，包括网架1，网架1由双层正放四角锥桁架2构成，双层正放四角锥桁架2由上弦5、下弦6和斜腹杆7组成，上弦5通过斜腹杆7与下弦6连接。双层正放四角锥桁架2沿x方向为变截面，截面高度中间大，两端小；沿y方向每榀双层正放四角锥桁架2的上弦5、下弦6相互平行。在网架1的每边约1/3处沿x方向和y方向为三层正放四角锥桁架3；三层正放四角锥桁架3的上弦为双层正放四角锥桁架2的下弦6，并通过下层斜腹杆8与其下弦杆9连接。在三层正放四角锥桁架3上设置有预应力钢索4, 预应力钢索4张拉并锚固在三层正放四角锥桁架3的上承式支座11上。在三层正放四角锥桁架3的下弦杆9上设置有钢索转向支撑架10；预应力钢索4的一端锚固在三层正放四角锥桁架3的上承式支座11上，另一端从上承式支座11向下倾斜，穿过钢索转向支撑架10后转折呈水平线。钢索转向支撑架10位于x方向和y方向三层正放四角锥桁架3的正交叉点处。x方向与y方向的预应力钢索4在钢索转向支撑架10处正交叉后转折，x方向与y方向的预应力钢索4在交点处不相碰撞。在钢索转向支撑架10上装有x方向和y方向的钢索转向定滑轮12，x方向与y方向的预应力钢索4穿过钢索转向定滑轮12后转折呈水平线，折线钢索形成夹角。

以150m×150m超大跨度平板型钢网架为例，屋盖面积A=22500m²，采用变高度的双层正放四角锥桁架2满铺，它沿x方向考虑排水需要为变截面（x方向为变高度，中间大，两端小），其y方向亦为变高度，y向截面最高在中间，逐次向两边减小结构高度，坡度i=0.07左右。沿y方向每条双层正放四角锥桁架2的上、下弦平行。当双层正放四角锥网架整个150m×150m满铺后，形成一个方向变厚度的“网格板”。再在每边合适的部位（此处为距该“网格板”每边约1/3部位），利用原双层正放四角锥桁架2的下弦网格作为下层正放四角锥的上弦，即形成三层正放四角锥桁架3。整个平面如同钢筋砼肋型楼盖，即“双层”部位为“网格板”，“三层”部位为“网格梁”。正放四角锥网架等效为“网格板”时，其x向板带截面面积，其作用的荷载为q₁，产生的弯矩为M_q1，折线钢索产生的向上作用力为P_b1，产生的反弯矩为M_pb1，抗弯承载能力为M_q1-M_pb1=△M_p1；双层与三层网架等效为“肋型网格楼盖”时，其x方向的T形截面面积，其作用的荷载q₂﹥q₁，其向上作用的预应力效应P_b2﹥P_b1，其预应力产生的弯矩M_pb2﹥M_pb1，其抗弯承载能力△M_p2﹥△M_p1。再在有“梁”部分，采用体内折线布置钢丝束后进行张拉，建立预应力后，预应力钢索转折点处产生四个由下向上与荷载作用方向相反的作用力，它有提高结构刚度，改善结构各杆件内力分布的作用。双层正放四角锥桁架2由上弦5、下弦6、斜腹杆7组成，而三层正放四角锥桁架3的上弦亦为双层正放四角锥桁架2的下弦6，并通过下层斜腹杆8与三层正放四角锥桁架3的下弦杆9连接，从而形成由绝大多数双层网格和小部分三层网格组成的“拟肋型网格式楼盖”。整个网格结构为周边上承式简支承，在三层正放四角锥桁架3部分其上承式支座11也是预应力钢索4的张拉端和锚固端。预应力钢索4张拉及锚固均在上承式支座11进行。预应力钢索4支座端向下倾斜到钢索转向支撑架10后形成水平线。钢索斜线与水平线之间，形成夹角，此处为三层正放四角锥空间桁架3正交叉点，即x、y向两根预应力钢索4均通过此节点，建立预应力后，则x方向折线点产生由下向上的作用力，y方向拐折点产生由下向上的作用力，由于两个方向钢索均在此处正交叉后拐折并要求在交点处不相碰撞，并各自分别产生向上作用力于下弦杆的节点，在此处下弦钢球节点上方焊接x，y方向钢索转向的转向定滑轮12，预应力钢索4在转折点下方（x方向）和上方（y方向）与定滑轮12下缘紧密接触，建立预应力后，x，y两个方向的定滑轮分别产生向上作用力，两者之和即为此处由下向上作用力，整个网格结构产生由下向上作用力。由于预应力钢索4与整个钢网格结构已形成一个结构自平衡体（如图12所示），x，y方向转折点相当于钢网格结构中间部位设置了四个弹簧支座，它有减小网格结构变形（挠度）改善结构内力分布并使结构大部分杆件内力减少，减小结构用钢量降低工程造价的功效。图12为150m×150m超大跨度钢网格结构在建立预应力后，即结构的“成形态”整个结构的自平衡受力简图。从图12可知预应力作用后，有两大有利功能：其一，整个超大跨度下弦四节点相当有四个弹簧支座，它有减小结构挠度的作用，即提高了整个结构的刚度；其二，它使结构很大部分杆件产生与荷载作用相反的杆件内力，即它使原本受拉的下弦产生“预压力”，原本受压的上弦产生“预拉力”，整个结构的“使用状态”＝“成形状态”＋“荷载状态”，从而使整个网格结构很大一部分杆件内力减小，因此按杆件受拉或受压配制的钢管截面自然减小，达到降低用钢量的功效。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架的制作方法，其特征在于：先采用双层正放四角锥桁架满铺，形成“网格板”，再在距该“网格板”每边约1/3部位，利用原双层正放四角锥桁架的下弦作为下层正放四角锥的上弦，形成三层正放四角锥桁架；然后在三层正放四角锥桁架的下弦杆上设置钢索转向支撑架，将预应力钢索的一端锚固在三层正放四角锥桁架的上承式支座上，另一端从上承式支座向下倾斜，穿过钢索转向支撑架后转折成水平线，两个方向折线钢索形成夹角。

2.一种采用如权利要求1所述方法制作的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，包括网架（1）,其特征在于：所述的网架（1）由双层正放四角锥桁架（2）构成，在网架（1）的每边约1/3处沿x方向和y方向为三层正放四角锥桁架（3）；在三层正放四角锥桁架（3）上设置有预应力钢索（4）。

3.根据权利要求2所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：所述的双层正放四角锥桁架（2）由上弦（5）、下弦（6）和斜腹杆（7）组成，上弦（5）通过斜腹杆（7）与下弦（6）连接。

4.根据权利要求3所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：所述的双层正放四角锥桁架（2）沿x方向为变截面，截面高度中间大，两端小；沿y方向每榀双层正放四角锥桁架（2）的上弦（5）、下弦（6）相互平行。

5.根据权利要求2所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：所述三层正放四角锥桁架（3）的上弦为双层正放四角锥桁架（2）的下弦（6），并通过下层斜腹杆（8）与其下弦杆（9）连接。

6.根据权利要求5所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：在所述三层正放四角锥桁架（3）的下弦杆（9）上设置有钢索转向支撑架（10）；预应力钢索（4）的一端锚固在三层正放四角锥桁架（3）的上承式支座（11）上，另一端从上承式支座（11）向下倾斜，穿过钢索转向支撑架（10）后转折呈水平线。

7.根据权利要求6所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：所述的预应力钢索（4）张拉并锚固在三层正放四角锥桁架（3）的上承式支座（11）上。

8.根据权利要求6所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：所述的钢索转向支撑架（10）位于x方向和y方向三层正放四角锥桁架（3）的正交叉点处。

9.根据权利要求6所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：x方向与y方向的预应力钢索（4）在钢索转向支撑架（10）处正交叉后转折，x方向与y方向的预应力钢索（4）在交叉点处不相碰撞。

10.根据权利要求6所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在于：在所述的钢索转向支撑架（10）上装有x方向和y方向的钢索转向定滑轮（12），x方向与y方向的预应力钢索（4）穿过钢索转向定滑轮（12）后转折呈水平线。

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