CN102251615B

CN102251615B - 预应力金属薄板结构体系及其施工方法

Info

Publication number: CN102251615B
Application number: CN201110106980A
Authority: CN
Inventors: 钱英欣; 吴金志; 袁英战; 侯国华; 徐刚; 苏国柱; 王丰; 徐瑞龙; 沈斌; 王泽强
Original assignee: Beijing Building Construction Research Institute Co Ltd
Current assignee: Construction Project Quality First Testing Institute Of Beijin
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: CN102251615A

Abstract

本发明涉及一种预应力金属薄板结构体系及其施工方法，包括结构框架、下弦拉索和屋面板还包括张拉辅助装置，所述结构框架由钢柱、边梁和内梁组成，所述边梁架设在钢柱的顶端，内梁平行于边梁，设置在钢柱围合的空间内，所述下弦拉索垂直于内梁设置，其与内梁垂足处设置有屋面撑杆，所述撑杆顶面平行于下弦拉索设置有厚板带，所述屋面板为预应力金属薄板，设置在两块厚板带之间，并与其铆接，屋面板端部通过张拉辅助装置与边梁连接。实现了金属薄板的屋面板与线性结构共同受力，并克服了现有的与线性结构共同受力的张拉膜容易变形，容易发生破坏的缺点，可广泛应用于大跨度钢结构的施工。

Description

预应力金属薄板结构体系及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种钢结构结构体系及其施工方法。

背景技术

到目前为止，各种预应力钢结构体系大多是由线型构件共同组成合理的受力体系，来抵抗荷载作用。这些线型构件包括钢索和各种钢结构杆件。这些结构的共同特点，在主体结构成型后，需要设置独立的屋面围护体系，来达到预期的建筑功能。围护体系包括传统的屋面板、轻钢屋面、金属屋面及其支撑体系。

近年来得到广泛应用的，以织物膜材建造的张拉膜结构，采用建筑织物膜材实现了将围护功能与参与结构受力功能合二为一，从这一角度来说，为预应力空间结构技术开辟了新的方向。但是，张拉式膜结构在实际应用中，存在不少问题。首先，由于膜材本身强度较低，尤其是抗撕裂强度差，在大跨度、大体量工程应用中要非常谨慎，尤其是在较强风荷载作用下，膜材容易发生局部破坏从而引起整个结构的坍塌；第二，膜材弹性模量低，属于大变形结构，在荷载作用下往往会产生较大变形，容易导致积水积雪，局部变形，成为结构使用过程中的不利因素。第三，膜材在建造使用过程中极易发生皱褶，影响建筑美观。第四，高强度高性能膜材往往要依赖进口，造价高，使得建筑成本偏高。

发明内容

本发明的目的是提供一种预应力金属薄板结构体系及其施工方法，要解决屋面围护结构与线性结构不能共同受力的技术问题；并克服现有的与线性结构共同的张拉膜容易变形，容易发生破坏的缺点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种预应力金属薄板结构体系，包括结构框架、下弦拉索和屋面板，还包括张拉辅助装置，所述结构框架由钢柱、边梁和内梁组成，所述边梁架设在钢柱的顶端，其内侧面上预装有承力外伸板，所述内梁平行于边梁，设置在钢柱围合的空间内，所述下弦拉索垂直于内梁设置，其与内梁垂足处设置有屋面撑杆，所述撑杆顶面平行于下弦拉索设置有厚板带，所述屋面板为预应力金属薄板，设置在两块厚板带之间，并与其铆接，屋面板端部通过张拉辅助装置与边梁连接。

所述钢柱排列成圆环形，所述边梁和内梁均为环梁，钢柱围成的区域中心设置有内框架，所述内环框架由上内环梁、下内环梁和内环撑杆组成，所述下弦拉索一端与边梁锚固连接，另一端与下内环梁，其和内梁之间为平面垂直，所述屋面撑杆的底端与下弦拉索连接，所述屋面板为等腰梯形。

所述钢柱排列成两列，其外侧拉有斜拉索，所述边梁和内梁均为直梁，所述下弦拉索和内梁之间为空间垂直，所述屋面撑杆设置在下弦拉索和内梁之间，所述屋面板为矩形。

所述屋面撑杆两端带有叉耳，下弦拉索与屋面撑杆连接处扣有两块夹板，所述夹板通过直螺栓B连接，与屋面撑杆相对的夹板上焊接有耳板A，所述耳板A插入叉耳内，两者通过销子固定。

所述下弦拉索端部带有叉耳，所述钢柱和边梁交接处焊接有耳板B，所述耳板B插入叉耳内，两者通过销子固定。

所述内梁和屋面撑杆连接处焊有耳板A，所述耳板A插入叉耳内，两者通过销子固定。

所述屋面板为厚度为0.4～2.0mm的彩钢板、不锈钢或合金板。

所述张拉辅助装置包括辅助张拉板，角钢，承力外伸板和U型螺栓，所述角钢的水平肢相对拼在辅助张拉板的两侧，并通过直螺栓连接为一体，所述辅助张拉板与承力外伸板位于同一水平面，且两者之间留有缝隙，所述承力外伸板和角钢的竖肢之间通过U型螺栓连接，所述辅助张拉板与屋面板焊接，所述辅助张拉板比屋面板厚。

所述钢柱之间设置有柱间支撑，所述柱间支撑为剪刀撑、人字撑或单向斜撑。

所述预应力金属薄板结构体系的施工方法，步骤如下：

步骤一，确定结构尺寸及钢柱平面布置方式；

步骤二，按确定好的钢柱平面布置方式浇注钢柱基础，并在基础中安装钢柱柱脚预埋件；

步骤三，将钢柱底端与预埋件连接，并在钢柱顶面安装边梁；

步骤四，在内梁设计位置搭设脚手架；

步骤五，将内梁放置在脚手架顶面，并进行临时连接；

步骤六，垂直内梁安装下弦拉索；

步骤七，在内梁与下弦拉索的垂足处，安装屋面撑杆；

步骤八，在屋面撑杆顶面平行于下弦拉索安装厚板带；

步骤九，对下弦拉索初步张拉，当测试其索力达到设计预拉力的10%后撤除内梁下部的脚手架；

步骤十，将屋面板搭在其两侧的厚板带上，并与厚板带铆接，其端部通过张拉辅助装置与边梁连接，并通过张拉辅助装置上的调节螺母对屋面板进行预紧；

步骤十一，对下弦拉索继续张拉，直至达到下弦拉索的索力达到设计预拉力；

步骤十二，再次调节张拉辅助装置上的调节螺母，对屋面板内的预应力进行调节。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

首先，本发明提供了两种不能的结构平面布置形式，可根据工程具体要求灵活选择，具有很强的适应力。

其次，本发明通过对下弦索施加预拉力，可间接对金属薄板施加预应力，从而使其与下部结构构件共同受力，共同抵抗外部荷载，改变了传统屋面结构多重传力体系和相对复杂的构造做法，使得整个结构更为轻盈、简洁、现代，同时提高整个结构体系的整体性和承受荷载的效率，是对现有预应力空间结构体系的丰富和拓展。

还有，由于金属板材料强度高，性能稳定，经济性好，薄钢板材目前是我国钢材产品的重点发展方向，近年来已建有成熟的生产线和加工工艺，产量大幅度增长，产品规格型号丰富，且能够保证良好的力学性能和产品质量，可定型化生产，同时，本发明通过将受力构件及围护构件合二为一，可实现对材料强度的充分利用，因此，在大跨度公共建筑、工业建筑、仓储及临时建筑中有很好的应用前景。

另外，本发明中设置的辅助张拉装置，可以对屋面板的状态和应力进行微调，确保了屋面板内的预应力的均匀分布。

再者，预应力金属薄板在此结构体系中始终处于弹性受拉状态，能够充分利用钢材受拉强度高的特点，体现了节约材料、节约能源、保护环境的技术发展方向。

最后，本发明所提供的这种结构体系具有自重轻、使较大跨度的实施成为可能，同时结构合理、施工简便，在大跨度结构中具备明显经济性优势。

本发明可广泛应用于大跨度钢结构。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一未铺设屋面板的结构示意图。

图2是本发明实施例二结构示意图。

图3是图1和图2中A处详图。

图4是下弦拉索和屋面撑杆连接详图。

图5是屋面撑杆与内梁连接详图。

图6是下弦拉索与边梁连接详图。

附图标记：1－屋面板、2－斜拉索、3－屋面撑杆、4－内梁、5－边梁、6－钢柱、7－下弦拉索、8－厚板带、9－辅助张拉板、10－U型调节螺栓、11－柱间斜撑、12－承力外伸板、13－加劲肋板、14－角钢、15－直螺栓A、16－夹板、17－直螺栓B、18－耳板A、19－叉耳、20－销子、21－耳板B、22－上内环梁、23－下内环梁、24－内环撑杆。

具体实施方式

实施例一参见图1、图5和图6所示，一种预应力金属薄板结构体系，其钢柱平面布置为两列，包括结构框架、张拉索7和屋面板1，还包括张拉辅助装置，所述结构框架由至少两列钢柱6、边梁5、内梁4和厚板带8组成，所述每列钢柱6外侧拉有斜拉索2，所述边梁5架设在钢柱列的顶端，其内侧面上预装有承力外伸板12，所述内梁4与钢柱列平行，间隔设置在钢柱列之间，所述厚板带8垂直内梁4间隔设置，内梁4和厚板带8的交点底面连接有屋面撑杆3，屋面撑杆3支撑在与厚板带位于同一竖向面的下弦拉索7上，所述屋面板1为预应力矩形金属薄板，铺设在厚板带8和内梁4形成的网格上，并与厚板带8铆接，与边梁5之间通过张拉辅助装置连接。所述承力外伸板12底面间隔设置有加劲肋板13。屋面撑杆3与内梁4连接详图参见图5，所述内梁4和屋面撑杆3连接处焊有耳板A18，所述耳板A18插入叉耳19内，两者通过销子20固定。下弦拉索7与钢柱和边梁连接详图参见图6，所述张拉索7端部带有叉耳19，所述钢柱和边梁交接处焊接有耳板B21，所述耳板B21插入叉耳19内，两者通过销子20固定。

实施例二参见图2，一种预应力金属薄板结构体系，其钢柱平面布置为圆环形，包括结构框架和屋面板1，还包括张拉辅助装置，所述结构框架由外环框架、内环框架、下弦拉索7、内梁4和屋面撑杆9组成，所述外环框架由环形分布的钢柱6和环向架设在钢柱顶面的边梁5组成，所述内环框架位于外环框架的中心，由上内环梁22、下内环梁23和内环撑杆24组成，所述内环撑杆24支撑在上内环梁22和下内环梁23之间，所述边梁5和下内环梁23之间通过下弦拉索7连接，垂直下弦拉索7，边梁5和下内环梁23之间间隔设置有内梁4，内梁4和下弦拉索7的交点顶面设置有向上的屋面撑杆9，所属屋面撑杆9的高度自外向内依次递增，所述屋面板1铺在上内环梁22、边梁5和屋面撑杆9形成的斜面上，与边梁5通过张拉辅助装置连接。所述上内环梁22环的直径比下内环梁23的环的直径大。所述屋面板1为预应力金属薄板，其形状为等腰梯形。

上述两个实施例下弦拉索7和屋面撑杆3连接详图参见图4，所述屋面撑杆3两端带有叉耳19，下弦拉索7与屋面撑杆3连接处扣有两块夹板16，所述夹板16通过直螺栓B17连接，与撑杆3相对的夹板16上焊接有耳板A18，所述耳板A18插入叉耳19内，两者通过销子20固定。

上述两个实施例的张拉辅助装置详图参见图3，包括辅助张拉板9，角钢14，承力外伸板12和U型螺栓10，所述角钢14的水平肢相对拼在辅助张拉板9的两侧，并通过直螺栓A15连接为一体，所述辅助张拉板9与承力外伸板12位于同一水平面，且两者之间留有缝隙，所述承力外伸板12和角钢14的竖肢之间通过U型螺栓10连接，所述辅助张拉板9与屋面板1焊接。

上述两个实施例所述辅助张拉板9比屋面板1厚。

上述两个实施例所述钢柱列的相邻钢柱之间设置有柱间支撑6。

上述两个实施例所述柱间支撑6为剪刀撑、人字撑或单向斜撑。

上述两个实施例所述屋面板为厚度为0.4～2.0mm的彩钢板、不锈钢或合金板。

为充分利用材料强度，张拉完成后，金属薄板内预应力应达到薄板屈服强度的40%～50%以上。

预应力金属薄板结构体系的施工方法，步骤如下：

步骤一，确定结构尺寸及钢柱平面布置方式；

步骤三，将钢柱底端与预埋件连接，并在钢柱顶面安装边梁5；

步骤四，在内梁4设计位置搭设脚手架；

步骤五，将内梁4放置在脚手架顶面，并进行临时连接；

步骤六，垂直内梁4安装下弦拉索7；

步骤七，在内梁4与下弦拉索7的垂足处，安装屋面撑杆3；

步骤八，在屋面撑杆顶面平行于下弦拉索安装厚板带8；

步骤九，对下弦拉索7初步张拉，当测试其索力达到设计预拉力的10%后撤除内梁下部的脚手架；

步骤十，将屋面板2搭在其两侧的厚板带8上，并与厚板带铆接，其端部通过张拉辅助装置与边梁5连接，并通过张拉辅助装置上的调节螺母对屋面板1进行预紧；

步骤十一，对下弦拉索7继续张拉，直至达到下弦拉索的索力达到设计预拉力；

步骤十二，再次调节张拉辅助装置上的调节螺母，对屋面板1内的预应力进行调节。

所述下弦拉索的索力通过油压传感器、弓矢测力仪、拉压传感器、或穿心力传感器等索力测试仪器测得。

所述下弦拉索的张拉方法为索端张拉或调节套筒张拉。

所述屋面板1上粘贴有用于金属薄板内应力监测的应变片。

Claims

1.一种预应力金属薄板结构体系，包括结构框架、下弦拉索（7）和屋面板（1），其特征在于：还包括张拉辅助装置，所述结构框架由钢柱（6）、边梁（5）和内梁（4）组成，所述边梁（5）架设在钢柱（6）的顶端，其内侧面上预装有承力外伸板（12），所述内梁（4）平行于边梁（5），设置在钢柱围合的空间内，所述下弦拉索（7）垂直于内梁（4）设置，其与内梁（4）垂足处设置有屋面撑杆（3），所述撑杆顶面设置有厚板带（8），所述厚板带（8）平行于下弦拉索（7），所述屋面板（1）为预应力金属薄板，设置在两块厚板带（8）之间，并与其铆接，屋面板端部通过张拉辅助装置与边梁（5）连接。

2.根据权利要求1所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于：所述钢柱（6）排列成圆环形，所述边梁（5）和内梁（4）均为环梁，钢柱围成的区域中心设置有内框架，所述内环框架由上内环梁（22）、下内环梁（23）和内环撑杆（24）组成，所述下弦拉索（7）一端与边梁（5）锚固连接，另一端与下内环梁（23）连接，下弦拉索（7）和内梁（4）之间为平面垂直，所述屋面撑杆（3）的底端与下弦拉索（7）连接，所述屋面板（1）为等腰梯形。

3.根据权利要求1所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于：所述钢柱（6）排列成两列，其外侧拉有斜拉索（2），所述边梁（5）和内梁（4）均为直梁，所述下弦拉索（7）和内梁（4）之间为空间垂直，所述屋面撑杆（3）设置在下弦拉索（7）和内梁（4）之间，所述屋面板（1）为矩形。

4.根据权利要求3所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述屋面撑杆（3）两端带有叉耳（19），下弦拉索（7）与屋面撑杆（3）连接处扣有两块夹板（16），所述夹板（16）通过直螺栓B（17）连接，与屋面撑杆（3）相对的夹板（16）上焊接有耳板A（18），所述耳板A（18）插入叉耳（19）内，两者通过销子（20）固定。

5.根据权利要求3所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述下弦拉索（7）端部带有叉耳（19），所述钢柱和边梁交接处焊接有耳板B（21），所述耳板B（21）插入叉耳（19）内，两者通过销子（20）固定。

6.根据权利要求2～5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述内梁（4）和屋面撑杆（3）连接处焊有耳板A（18），所述耳板A（18）插入叉耳（19）内，两者通过销子（20）固定。

7.根据权利要求2～5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述屋面板（1）为厚度为0.4～2.0mm的彩钢板、不锈钢或合金板。

8.根据权利要求2～5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述张拉辅助装置包括辅助张拉板（9），角钢（14），承力外伸板（12）和U型螺栓（10），所述角钢（14）的水平肢相对拼在辅助张拉板（9）的两侧，并通过直螺栓（15）连接为一体，所述辅助张拉板（9）与承力外伸板（12）位于同一水平面，且两者之间留有缝隙，所述承力外伸板（12）和角钢（14）的竖肢之间通过U型螺栓（10）连接，所述辅助张拉板（9）与屋面板（1）焊接，所述辅助张拉板（9）比屋面板（1）厚。

9.根据权利要求2～5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述钢柱之间设置有柱间支撑（6），所述柱间支撑（6）为剪刀撑、人字撑或单向斜撑。

10.根据权利要求1～9所述预应力金属薄板结构体系的施工方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一，确定结构尺寸及钢柱平面布置方式；

步骤三，将钢柱底端与预埋件连接，并在钢柱顶面安装边梁（5）；

步骤四，在内梁（4）设计位置搭设脚手架；

步骤五，将内梁（4）放置在脚手架顶面，并进行临时连接；

步骤六，垂直内梁（4）安装下弦拉索（7）；

步骤七，在内梁（4）与下弦拉索（7）的垂足处，安装屋面撑杆（3）；

步骤八，在屋面撑杆顶面平行于下弦拉索安装厚板带（8）；

步骤九，对下弦拉索（7）初步张拉，当测试其索力达到设计预拉力的10%后撤除内梁下部的脚手架；

步骤十，将屋面板（2）搭在其两侧的厚板带（8）上，并与厚板带铆接，其端部通过张拉辅助装置与边梁（5）连接，并通过张拉辅助装置上的调节螺母对屋面板（1）进行预紧；

步骤十一，对下弦拉索（7）继续张拉，直至达到下弦拉索的索力达到设计预拉力；

步骤十二，再次调节张拉辅助装置上的调节螺母，对屋面板（1）内的预应力进行调节。