CN102235055A - 下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构及其制作方法，其网格（1）是由沿x方向布置的x向空间管桁架（2）和沿y方向布置的y向空间管桁架（3）相互正交连接形成；在网格（1）的两边约1/3处沿x方向有x向预应力空间管桁架（4），沿y方向有y向预应力空间管桁架（5）；在x向预应力空间管桁架（4）和y向预应力空间管桁架（5）上设置有预应力钢索（6）和钢索转向支撑架（7）。本发明是一种新型的钢网格屋盖结构形式，应用于平面尺寸接近方形的超大跨度(120m≤L≤180m)屋盖，在保证变形与强度的条件下，能作到用钢量最少，降低工程造价的功效，是一种安全、合理、先进、经济的新型结构体系。
Description
下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种预应力正交空间管桁架钢网格屋盖结构，特别是一种超大跨度 (120m ^L^ 180m)下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构及制作方法，属于建筑结构的技术领域。
背景技术
[0002] 拟梁式空间管桁架结构从上世纪末由国外引进，它的特点是：结构形式是梭式空间管桁架，即上弦两根钢管和下弦一根钢管通过四根斜腹杆连接形成倒三角形截面的空间管桁架，其上弦向下弯曲，下弦向上弯曲形成梭形；结构组成的网格大，钢管直径大（相对平板网架而言）；杆件交汇处无节点交汇的钢球，而采用次管（直径较小）切弧后与主管 (直径大者）相贯焊接连接；空间管桁架为“拟梁式”如同以往常用的平面钢屋架为两端支承。它适用于长边尺寸与短边（跨度）尺寸之比大于1. 5的矩形平面。常规的梭式空间管桁架应用于平面尺寸长边与短边比大于1. 5的矩形平面，且跨度在45m〜65m之间，其经济性较显著，当跨度大于60m后，其用钢量显著增加。一般空间管桁架在跨度在Z=45m〜65m之间，且屋盖平面长边Z1与短边Z2之比Z1/ Z2 > 1.5的单方向传递屋面荷载的矩形平面其经济性较好。当跨度在（120m<Z<180m)的超大跨度，且其长、短之比乙/ Z2 < 1. 5接近方形的两个方向传递屋面荷载时，再采用现行梭形空间管桁架结构，就不能达到“安全、合理、 先进、经济”的设计要求。近几年出现了多种发明专利技术，如“一种短撑杆式张弦桁架及其制作方法”（ZL200410155399. 7)及“大跨度张弦桁架的制作方法”（ZL200410022224. 9)， 这两种专利技术是在现有拟梁式空间管桁架基础上的创新与发展，它解决屋盖平面长边与短边(跨度）尺寸大于1. 5的矩形平面，而且短跨跨度在60m左右时，可作到经济的用钢量。 如长、短边之比为小于1.5，即接近方形时，周边简支承且跨度亦大（120m<L< 180m)，再采上述两项发明专利也是不合理的，因为荷载通过结构传递到支承结构是根据结构延刚度大小分配，若为方形，荷载的传递为一分为二，此时结构两个方向均勻受力，且结构内力大幅度减小，导致用钢量减少。屋盖设计中除了结构强度稳定得到保证外，其变形亦是重要指标，屋盖允许的竖向变形（挠度）是有严格规定的，屋盖允许变形是与屋盖结构刚度相关连的，如简支桁架它的刚度与荷载呈正比，与允许变形呈反比。如150mX150m的屋盖，其结构高度大于15m，若使屋盖改为双向受力，且辅之以“现代预应力方法”，其结构高度可下降为 9m和8. 5m，其结构高度减了 6m〜6. 5m，屋盖高度不仅占去建筑物体积，也增加建筑物的维护材料的费用。仍用150mX 150m屋盖为例，采用常规“拟梁式空间管桁架结构”，它多占建筑体积13. 5〜14. 6万立方米，并增加围护材料费用，对“节能减排”不利。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构及其制作方法。该结构可应用于平面尺寸接近方形的超大跨度（120m<L< 180m)屋盖，是一种安全、合理、先进、经济的新型结构体系。
3[0004] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案：下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构的制作方法。该方法是沿X方向设置若干的X向空间管桁架，沿y方向设置若干的y 向空间管桁架，并使χ向空间管桁架和y向空间管桁架两者相互正交，形成正交空间管桁架钢网格结构；再在该正交空间管桁架钢网格的四边边长约1/3部位分别设置预应力钢索， 即形成下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构。
[0005] 下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构。其构成包括网格，所述网格是由沿X 方向布置的X向空间管桁架和沿1方向布置的1向空间管桁架相互正交连接形成；在网格的两边约1/3处沿X方向有X向预应力空间管桁架，沿y方向有y向预应力空间管桁架，χ 向预应力空间管桁架和y向预应力空间管桁架相互正交；在χ向预应力空间管桁架和y向预应力空间管桁架上设置有预应力钢索，在χ向预应力空间管桁架和y向预应力空间管桁架下弦的交叉点设置有钢索转向支撑架。
[0006] 上述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构中，在每榀χ向预应力空间管桁架的上弦两端分别设置有两个支座节点，下弦设置有一个钢索转向支撑架；两根X方向的预应力钢索分别穿过该X向预应力空间管桁架上弦两端的支座节点钢球后向下倾斜，并穿过下弦后在钢索转向支撑架处转折为水平，钢索形成夹角\。
[0007] 前述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构中，在每榀y向预应力空间管桁架的上弦两端分别设置有两个支座节点，下弦设置有一个钢索转向支撑架；两根y方向的预应力钢索分别穿过该y向预应力空间管桁架上弦两端的支座节点钢球后向下倾斜，并穿过下弦后在钢索转向支撑架处转折，形成钢索夹角〜。
[0008] 前述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构中，所述的预应力钢索穿过下弦在钢索转向支撑架处转折后呈水平线。
[0009] 前述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构中，所述的χ向空间管桁架和X 向预应力空间管桁架的两根上弦杆向下弯曲，一根下弦杆为水平直杆，两根上弦杆和一根下弦杆通过四根斜腹杆上下连接。
[0010] 前述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构中，所述的y向空间管桁架和y 向预应力空间管桁架的两根上弦杆为水平直杆，下弦杆与上弦杆相互平行，两根上弦杆和一根下弦杆通过四根斜腹杆上下连接。
[0011] 本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构是一种新型的钢网格屋盖结构形式，应用于平面尺寸接近方形的超大跨度 (120m彡l<180m)屋盖，是一种安全、合理、先进、经济的新型结构体系，它与相同平面尺寸和荷载的其他超大跨度钢网格比较，在保证变形与强度的条件下，能作到用钢量最少，降低工程造价的功效；本发明有效解决了在屋盖为超大跨度（120m< 180m)且平面尺寸接近方形时再采用常规拟梁式空间管桁架结构的技术难题和不合理性。
附图说明
[0012] 图1是本发明的平面结构布置图；
图2是本发明的χ向空间管桁架的侧立面图； 图3是图2的A-A剖视图； 图4是本发明的y向空间管桁架的侧立面图；图5是图4的B-B剖视图；
图6是本发明的χ向预应力空间管桁架的侧立面图； 图7是图6的C-C平面图；
图8是本发明的y向预应力空间管桁架的侧立面图； 图9是本发明的外形轮廓如同圆柱切割的A形状轴侧图； 图10是图9中截面A的轴测形状图；
图11是本发明的χ向预应力空间管桁架和y向预应力空间管桁架的支座节点构造图； 图12是钢索转向支撑架的空间轴测简图；
图13是χ向预应力空间管桁架和y向预应力空间管桁架下弦钢索转向支撑架的构造
图；
图14是本发明的上弦节点构造图； 图15是本发明的下弦节点构造图。
[0013] 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
[0014] 实施例1。如图1、2所示，网格1是由若干沿χ方向布置的χ向空间管桁架2和若干沿y方向布置的y向空间管桁架3相互正交连接形成；在网格1的两边约1/3处沿χ方向有两榀χ向预应力空间管桁架4，沿y方向有两榀y向预应力空间管桁架5，该两榀χ向预应力空间管桁架4和两榀y向预应力空间管桁架5相互正交；在χ向预应力空间管桁架 4和y向预应力空间管桁架5上设置有预应力钢索6，在χ向预应力空间管桁架4和y向预应力空间管桁架5下弦的交叉点设置有钢索转向支撑架7。在每榀χ向预应力空间管桁架 4的上弦两端分别设置有两个支座节点8，即每榀χ向预应力空间管桁架4 一端有两个支座节点，下弦设置有一个钢索转向支撑架7 ；两根χ方向的预应力钢索6分别穿过该χ向预应力空间管桁架4上弦两端的支座节点8钢球后向下倾斜，并穿过下弦后在钢索转向支撑架 7处转转折后呈水平线，形成夹角\。在每榀y向预应力空间管桁架5的上弦两端分别设置有两个支座节点8，即每榀y向预应力空间管桁架5 —端有两个支座节点，下弦设置有一个钢索转向支撑架7 ；两根y方向的预应力钢索6分别穿过该y向预应力空间管桁架5上弦两端的支座节点8钢球后向下倾斜，并穿过下弦后在钢索转向支撑架7处转折后呈水平线，形成夹角〜。χ向空间管桁架2和χ向预应力空间管桁架4的两根上弦杆9向下弯曲， 一根下弦杆10为水平直杆，两根上弦杆9和一根下弦杆10通过四根斜腹杆11上下连接。 y向空间管桁架3和y向预应力空间管桁架5的两根上弦杆9为水平直杆，下弦杆10与上弦杆9相互平行，两根上弦杆9和一根下弦杆10通过四根斜腹杆11上下连接。
[0015] 以平面尺寸为正方形的150mX 150m超大跨度屋盖为例，周边设置钢筋混凝土大截面柱、柱顶标高16m，周边柱网为5m、10m相间布置，网格周边抽空5mX 10m，中部抽空 IOmX IOm,网格水平投影尺寸为5mX5m。两上弦宽度5m，支承条件为“上承式”，即每榀χ向空间管桁架2、y向空间管桁架3 —端有两个支座节点8，对X，y方向施加预应力的χ向预应力空间管桁架4和y向预应力空间管桁架5分别有两榀，位于网格1的两边1/3处，即离周边37. 5m处。χ向空间管桁架2、y向空间管桁架3组成正交抽空型，沿周边抽空净面积 5mX 10m，在网格结构中央抽空净面积IOmX 10m，形成正交空间管桁架正放抽空网格结构，
5结构总的覆盖面积为150mX150m=22500m2，抽空部分总面积12250 m2，占总面积，使承力结构杆件数量大幅度下降，虽然从表面上分析大幅度使用钢量下降，但从结构刚度和杆件内力分析，如不采取相应技术措施来提高结构刚度和改善结构内力，其用钢量下降是不符合结构力学原理的，本发明采用强度比普通钢材大（7〜8)倍的高强预应力钢索，从而提高结构刚度的同时，使结构内力降低，达到减小结构用钢量的目的。图6为χ向预应力空间管桁架侧立面图，χ向空间管桁架2组成形式每一榀均相同，其中两榀χ向空间管桁架2设置预应力装置，其他八榀无。图8为y向预应力空间管桁架5侧立面图，其中两榀设置预应装置，其他八榀无。向空间管桁架的组成特点有如下几方面：其一，结构的上、下弦相互平行，均为直线杆件；其二，结构每榀的总高度由中央向两端递减，其两根上弦位置一高一低，分别由中央向χ向两支座边倾斜，向空间管桁架上、下弦节点坐标实际上已由χ方向空间管桁架确定。两个方向空间管桁架抽空正交后，其外形轮廓尺寸形成等截面圆柱，沿弦长切割后，再沿柱纵向两端切割，如图9所示，整个结构的外形为“柱面型”，如图10所示，形成“柱面型板”，从力学性能分析，在周边简支均布荷载作用下，与比常规平板比较，它为变截面，板变形较大处其截面亦大。如ζ向中央变形大处其弯矩也最大，故其截面最大，向也是中央变形及弯矩最大处，其截面最大。由于截面大其抗弯刚度亦大，当“实心平板”的体积与“柱面型实心平板”的体积相等时后者由于其合理的截面组成，其极限承载力比前者高，更能充分发挥结构的承载效应，达到节约建筑钢材的功效。本发明的具体实施办法为在图1网格平面图χ及y方向，分别布置两榀χ向预应力空间管桁架4和y向预应力空间管桁架5 (如图6，图8所示)，他们两端分别有两个上承式支座节点8。支座节点8的空心钢球布置预应力钢索6并向下倾斜至钢索转向支撑架7，则斜索与水平索之间形成夹角aix及 aiy0设建立预应力后，钢索的预张力分别为Pax，Pay则钢索转向支撑架7在预张拉力作用下， 必然对该处网格下弦节点产生由下向上作用力屯=I腿化和〜=Z^smodl,此作用
力恰与荷载作用力方向相反，具有提高结构刚度和改善结构内力的作用。X，y方向分别设置正交的两榀预应力空间管桁架，其钢索转向支撑架7如图12所示，每榀χ向预应力空间管桁架4和y向预应力空间管桁架5的两束预应力钢索6在钢索转向支撑架7两边节点转
折，管桁架下弦节点球12分别向上作用力为2巧，+ 2-¾ ,整个网格结构下弦节点处共对称
设置4个钢索转向支撑架7，因此整个屋盖网格结构在预应力作用下产生向上作用力，预应力钢索6通过钢索转向支撑架7下部节点钢球13下部的定滑轮14后产生向上作用力为
= + ,它与钢网格结构承受的由上向下作用力正好相反，从而取到提高
结构刚度减小结构变形和结构各杆件内力的作用力，达到节约结构用钢量的目的。本发明
是在超大跨度（120m彡L彡180m)平面尺寸接近方形（I = Z1H2 <1.5 )钢网格结构中采用
部分预应力后，作到“安全、合理、先进、经济”的结构形式。
[0016] 本发明的χ向空间管桁架2和y向空间管桁架3与常规空间管桁架形式不同，它们两者彼此正交，形成正交抽空空间管桁架网格结构，再在其四边边长约1/3部位分别设置预应力钢索6。结构建立预应力后，预应力钢索6在其转折点处形成夹角，钢索的预张力乘夹角的正弦，则预应力钢索6转折点处下弦节点产生四个由下向上作用而与荷载作用相反的作用力，从而形成结构自平衡结构体系，即结构的“成型态”。当结构承受屋盖各种荷载作用时，即结构“荷载态”，它产生的结构各节点变形和杆件的内力一般均与“成型态”结构各节点变形和内力相反，两者相加后形成结构正常“使用状态”。它有提高结构整体刚度，减小结构各杆件内力的作用，从而达到使结构用钢量下降而又保证结构整体刚度要求，从而形成一种由空间管桁架正交的新型预应力空间钢网格结构体系。本发明不同于常规的梭形空间管桁架，其沿χ方向设置的χ向空间管桁架2两根上弦杆9向下弯曲，两根上弦杆9上弦管的连线为斜线，其曲率亦是屋盖的排水坡度（i=0. 05或i=0. 07等），其下弦杆10为水平直杆，两根上弦杆9和一根下弦杆10通过四根斜腹杆11上下连接，形成空间管桁架；y 向空间管桁架3其两根上弦杆9和一根下弦杆10相互平行，为水平直杆，两根上弦杆9和一根下弦杆10通过四根斜腹杆11上下连接，其几何尺寸（上弦及下弦节点坐标）已由ζ 向空间管桁架2各节点坐标确定，形成沿向由中央处最高的空间管桁架向坡度两边逐次递减的空间管桁架。
[0017] 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 (7)
1. 一种下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构的制作方法，其特征在于：沿X方向设置若干X向空间管桁架，沿y方向设置若干y向空间管桁架，并使X向空间管桁架和y向空间管桁架两者相互正交，形成正交空间管桁架钢网格结构；再在该正交空间管桁架钢网格的四边边长约1/3部位分别设置预应力钢索，即形成下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构。
2. 一种采用如权利要求1所述方法制作的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构， 包括网格（1)，其特征在于：所述网格（1)是由沿χ方向布置的χ向空间管桁架（2)和沿y 方向布置的y向空间管桁架（3)相互正交连接形成；在网格（1)的两边约1/3处沿χ方向有 χ向预应力空间管桁架（4)，沿y方向有y向预应力空间管桁架（5)，x向预应力空间管桁架 (4)和y向预应力空间管桁架（5)相互正交；在χ向预应力空间管桁架（4)和y向预应力空间管桁架（5)上设置有预应力钢索（6)，在χ向预应力空间管桁架（4)和y向预应力空间管桁架（5)下弦的交叉点设置有钢索转向支撑架（7)。
3.根据权利要求2所述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构，其特征在于：在每榀χ向预应力空间管桁架（4)的上弦两端分别设置有两个支座节点（8)，下弦设置有一个钢索转向支撑架（7);两根χ方向的预应力钢索（6)分别穿过该χ向预应力空间管桁架（4) 上弦两端的支座节点（8)钢球后向下倾斜，并穿过下弦后在钢索转向支撑架（7)处转折为水平，形成夹角ειχ。
4.根据权利要求2所述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构，其特征在于：在每榀y向预应力空间管桁架（5)的上弦两端分别设置有两个支座节点（8)，下弦设置有一个钢索转向支撑架（7)；两根y方向的预应力钢索（6)分别穿过该y向预应力空间管桁架（5) 上弦两端的支座节点（8)钢球后向下倾斜，并穿过下弦后在钢索转向支撑架（7)处转折，形成夹角
5.根据权利要求3或4所述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构，其特征在于： 所述的预应力钢索（6)穿过下弦在钢索转向支撑架（7)处转折后呈水平线。
6.根据权利要求2所述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构，其特征在于：所述的χ向空间管桁架（2)和χ向预应力空间管桁架（4)的两根上弦杆（9)向下弯曲，一根下弦杆（10)为水平直杆，两根上弦杆（9)和一根下弦杆（10)通过四根斜腹杆（11)上下连接。
7.根据权利要求2所述的下撑式预应力正交空间管桁架钢网格结构，其特征在于：所述的y向空间管桁架（3)和y向预应力空间管桁架（5)的两根上弦杆（9)为水平直杆，下弦杆（10)与上弦杆（9)相互平行，两根上弦杆（9)和一根下弦杆（10)通过四根斜腹杆（11)上下连接。
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