CN102587497A - 一种具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法 - Google Patents

Abstract

一种具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法。所述的张弦桁架结构包括上弦桁架、多根撑杆、拉索、球节点固定支座和滑动铰支座；球节点固定支座包括下部支撑结构、预埋垫板、倒T形滑动板、多根预埋钢筋、固定球节点、多个柱状滚动轴承、锚具、多根阻尼弹簧和支座。本发明所提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法具有材料利用率高、受力性能好、施工安全简便、安全性能优越等优点。

Description

一种具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法

技术领域

本发明属于建筑结构的大跨度预应力钢结构技术领域，特别是涉及一种具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法。

背景技术

张弦桁架结构最早是由日本大学M.Saitoh教授在1986年提出，该结构是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，其主要是由作为压弯部件的上弦桁架杆件、下弦柔性拉索以及中间受压撑杆组成的自平衡混合结构，也是一种混合结构体系发展中比较成功的大跨度预应力空间结构体。

张弦桁架结构的特点是体系简单、受力明确、结构形式多样，充分发挥了刚柔材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此已经获得了良好的应用。近几年来，以上海浦东国际机场候机楼、广州国际会展中心、哈尔滨国际会展中心、北京农展馆、国家体育馆为代表的大跨度张弦桁架屋盖结构已成为我国标志性建筑。

目前，本领域的研究人员普遍认为张弦桁架结构的受力机理是通过对下弦柔性拉索施加预应力而使上弦桁架杆件产生反挠度，使得结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而中间受压撑杆对上弦桁架杆件提供的弹性支撑可以改善结构的受力性能。一般由上弦桁架杆件构成的上弦桁架采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦柔性拉索承受，以减轻拱对支座产生的水平推力并减少滑动支座的水平位移。张弦桁架结构可发挥高强索的强抗拉性能，改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，从而达到自平衡。

张弦桁架结构包括平面张弦桁架结构和空间张弦桁架结构，空间张弦桁架结构主要有单向张弦桁架结构、双向张弦桁架结构、多向张弦桁架结构、辐射式张弦桁架结构，其设计方法、施工手段日臻成熟，研究人员也进行了多方面的研究并取得了很多成果。

虽然张弦桁架结构是一种受力合理、刚度大、重量轻的大跨度空间结构，但由于其在工程中的实际应用只有十几年的时间，并且尚未经受强烈地震、台风等动力灾变荷载的考验。在上述动力灾变荷载作用下，下弦柔性拉索的内力会急速变化，由于该拉索属于脆性材料，破坏前无明显征兆，如果突然断裂将会引起相邻拉索的应力集中后连续断裂，进而导致主结构倒塌。因此，目前张弦桁架结构设计中常留有较大的安全系数，因此未能充分发挥材料的性能。

荷载缓和体系是上世纪80年代由英国研究人员提出的一种解决荷载变化过大的方法，其核心理念是在结构中引入某种做机械运动的装置，当结构形状变化很大时其内力变化不大，可借鉴运用到张弦桁架结构中来。此概念最初由单建教授引入我国，郭彦林教授将其应用到体育场罩棚结构设计中，都是荷载缓和体系在理论研究中取得的成果。

然而，荷载缓和体系的应用仍存在一定局限，具体表现为：用一定程度的变形缓和结构受力，造成应用面较窄，因此较适合于柔性结构；利用恒定重物的竖向荷载缓和装置应用较多，利用弹簧的水平向荷载缓和装置研究较少；弦支结构中的应用更是少见。同时，如何提供一种高效、美观、实用的荷载缓和装置，就成为限制荷载缓和体系突破理论层面而进入实际应用的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种安全可靠、施工方便、美观实用，在动力灾变荷载作用下具有荷载缓和作用，避免局部拉索受力过大断裂而引起张弦桁架结构连续倒塌，从而充分发挥材料性能的张弦桁架结构及实施方法。

为了达到上述目的，本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构包括上弦桁架、多根撑杆、拉索、具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座和滑动铰支座；其中上弦桁架为正放三角锥空间拱桁架，由多根上弦桁架杆件依次连接而构成，拉索的两端分别连接在相对设置的球节点固定支座和滑动铰支座上，而多根撑杆则相隔距离垂直连接在上弦桁架和拉索之间；所述的球节点固定支座包括下部支撑结构、预埋垫板、倒T形滑动板、多根预埋钢筋、固定球节点、多个柱状滚动轴承、锚具、多根阻尼弹簧和支座；其中下部支撑结构的下端固定在结构柱的顶部；预埋垫板水平设置在下部支撑结构的表面；倒T形滑动板由下翼缘板和沿前后方向垂直设置的腹板一体构成，其中下翼缘板的底面与多个相隔距离沿前后方向并排设置在预埋垫板表面一侧的柱状滚动轴承相连接，因此能够左右滑动，腹板的中部形成有一个用于贯穿拉索的开孔；支座固定在预埋垫板的表面另一侧；多根预埋钢筋相隔距离垂直设置在下部支撑结构的内部，其中位于支座下方的预埋钢筋上端贯穿支座的前后端部，并且利用螺帽旋紧在预埋钢筋上端的方式将支座与预埋垫板和下部支撑结构之间相互固定；固定球节点为空心球体，安装在支座的上端，其上部同时与多个张弦桁架杆件的端部相连；锚具安装在位于倒T形滑动板和固定球节点之间的拉索端部，用于将拉索的端部固定；多根阻尼弹簧相隔距离水平连接在倒T形滑动板上腹板的内侧面和固定球节点上相对应的表面之间。

所述的支座由底板和十字形托架构成，其中底板水平设置，托架安装在底板的表面中部，并且托架的上端中部呈圆弧形状。

所述的多根阻尼弹簧设置在位于倒T形滑动板和固定球节点之间的拉索周围。

所述的腹板两侧设有多条加强板。

本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构实施方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据跨度要求、净空限制和各种荷载组合工况，不考虑荷载缓和作用，设计上述具有荷载缓和作用的张弦桁架结构中上弦桁架杆件和撑杆的长度和截面尺寸、拉索的截面面积及相应初始预应力值F；

2)根据步骤1)中确定的拉索截面面积确定支座锚固端是单索、双索或是多索，进而确定具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座的形状和尺寸，同时根据拉索的初始预应力值F来确定阻尼弹簧的弹性刚度系数K及根数n，初始预应力值F、阻尼弹簧的弹性刚度系数K及阻尼弹簧的根数n之间存在如下关系：

F＝n×K×x，

其中：F为拉索的初始预应力值，n为阻尼弹簧的根数，K为阻尼弹簧的弹性刚度系数，x为阻尼弹簧的伸长量；

3)根据步骤1)确定的构件截面尺寸确定上弦桁架杆件及撑杆的下料尺寸，并根据步骤2)确定的阻尼弹簧的伸长量x确定拉索的下料长度，在工厂预加工；

4)在土建主体结构指定位置安装普通的滑动铰支座和具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座；

5)在施工场地用多根上弦桁架杆件拼装上弦桁架，安装撑杆及拉索而制成一榀张弦桁架，之后将一榀张弦桁架吊装就位后将其与滑动铰支座及球节点固定支座相连接，并施以临时支撑，在滑动铰支座端对拉索进行预应力张拉，直至拉索的预应力值F达到设计值后封锚固定；

(6)待多榀张弦桁架全部张拉完毕后，在相邻张弦桁架的上弦桁架间设置多根横向撑杆而构成张弦桁架屋盖结构，以保证张弦桁架结构的侧向稳定性，撤除临时支撑，施工完毕。

本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法具有如下优点：1)材料利用率高：具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座能保证拉索内力在静、动力荷载作用下相对稳定，可充分发挥拉索受拉能力强的特点，提高材料利用率。2)受力性能好：拉索内力得到缓和，可避免上弦桁架局部位置杆件因动力荷载作用提前进入塑性流动阶段造成局部破坏，在提高构件受力性能的同时提高了结构整体受力性能。3)施工安全简便：拉索穿过倒T形滑动板后锚固，即可进行张拉；如因施工误差造成超张拉，固定支座的荷载缓和作用可提前发挥，通过增加拉索变形保护上部结构避免反拱过度遭受破坏。4)安全性能优越：建筑物一旦遭受强烈地震、台风等动力灾变荷载，具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座即可发挥作用，阻尼弹簧的伸缩可保证结构产生较大变形时拉索不断裂，消除了因拉索内力过大断裂而引起主结构倒塌的安全隐患，同时阻尼弹簧还可以消耗地震产生能量，减小震害。

附图说明

图1为本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构主视图。

图2为本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构上球节点固定支座主视图。

图3为本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构上球节点固定支座俯视图。

图4为本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构上球节点固定支座左视图。

图5为本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构上球节点固定支座右视图。

图6为图5示出的球节点固定支座上支座结构立体图。

图7为由本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构构成的张弦桁架屋盖结构立体图。

图8为本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构上球节点固定支座与上弦桁架杆件连接部位示意图。

图9为在地震作用下本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构和传统张弦桁架结构上拉索内力变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法进行详细说明。

如图1-图8所示，本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构包括上弦桁架13、多根撑杆14、拉索6、具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座15和滑动铰支座16；其中上弦桁架13为正放三角锥空间拱桁架，由多根上弦桁架杆件24依次连接而构成，拉索6的两端分别连接在相对设置的球节点固定支座15和滑动铰支座16上，而多根撑杆14则相隔距离垂直连接在上弦桁架13和拉索6之间；所述的球节点固定支座15包括下部支撑结构1、预埋垫板2、倒T形滑动板3、多根预埋钢筋4、固定球节点7、多个柱状滚动轴承8、锚具9、多根阻尼弹簧10和支座11；其中下部支撑结构1的下端固定在结构柱的顶部；预埋垫板2水平设置在下部支撑结构1的表面；倒T形滑动板3由下翼缘板17和沿前后方向垂直设置的腹板18一体构成，其中下翼缘板17的底面与多个相隔距离沿前后方向并排设置在预埋垫板2表面一侧的柱状滚动轴承8相连接，因此能够左右滑动，腹板18的中部形成有一个用于贯穿拉索6的开孔19；支座11固定在预埋垫板2的表面另一侧；多根预埋钢筋4相隔距离垂直设置在下部支撑结构1的内部，其中位于支座11下方的预埋钢筋4上端贯穿支座11的前后端部，并且利用螺帽5旋紧在预埋钢筋4上端的方式将支座11与预埋垫板2和下部支撑结构1之间相互固定；固定球节点7为空心球体，安装在支座11的上端，其上部同时与多个张弦桁架杆件24的端部相连；锚具9安装在位于倒T形滑动板3和固定球节点7之间的拉索6端部，用于将拉索6的端部固定；多根阻尼弹簧10相隔距离水平连接在倒T形滑动板3上腹板18的内侧面和固定球节点7上相对应的表面之间。

所述的支座11由底板20和十字形托架21构成，其中底板20水平设置，托架21安装在底板20的表面中部，并且托架21的上端中部呈圆弧形状。

所述的多根阻尼弹簧10设置在位于倒T形滑动板3和固定球节点7之间的拉索6周围。

所述的腹板18两侧设有多条加强板12。

本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构实施方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据跨度要求、净空限制和各种荷载组合工况，不考虑荷载缓和作用，设计上述具有荷载缓和作用的张弦桁架结构中上弦桁架杆件24和撑杆14的长度和截面尺寸、拉索6的截面面积及相应初始预应力值F；

2)根据步骤1)中确定的拉索6截面面积确定支座锚固端是单索、双索或是多索，进而确定具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座15的形状和尺寸，同时根据拉索6的初始预应力值F来确定阻尼弹簧(10)的弹性刚度系数K及根数n，初始预应力值F、阻尼弹簧(10)的弹性刚度系数K及阻尼弹簧(10)的根数n之间存在如下关系：

F＝n×K×x，

其中：F为拉索6的初始预应力值，n为阻尼弹簧10的根数，K为阻尼弹簧10的弹性刚度系数，x为阻尼弹簧10的伸长量；

在拉索6的初始预应力值F和阻尼弹簧10的伸长量x一定时，阻尼弹簧10的弹性刚度系数K越大，阻尼弹簧10的根数n越少，同时根据具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座15的特点，以阻尼弹簧10的根数n为偶数为佳，可对称分布于拉索6的两侧，另外，根据研究发现阻尼弹簧10的弹性刚度系数K对拉索6的初始预应力值F的缓和作用呈抛物线关系，即阻尼弹簧10的弹性刚度系数K偏小或偏大，都会降低荷载缓和效果，因此应根据步骤1)中的设计参数通过试算后确定阻尼弹簧10的弹性刚度系数K。

3)根据步骤1)确定的构件截面尺寸确定上弦桁架杆件24及撑杆14的下料尺寸，并根据步骤2)确定的阻尼弹簧10的伸长量x确定拉索6的下料长度，在工厂预加工；

4)在土建主体结构指定位置安装普通的滑动铰支座16和具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座15；

5)在施工场地用多根上弦桁架杆件24拼装上弦桁架13，安装撑杆14及拉索6而制成一榀张弦桁架23，之后将一榀张弦桁架23吊装就位后将其与滑动铰支座16及球节点固定支座15相连接，并施以临时支撑，在滑动铰支座16端对拉索6进行预应力张拉，直至拉索6的预应力值F达到设计值后封锚固定；

(6)待多榀张弦桁架23全部张拉完毕后，在相邻张弦桁架23的上弦桁架13间设置多根横向撑杆17而构成张弦桁架屋盖结构，以保证张弦桁架结构的侧向稳定性，此时张弦桁架结构达到初始设计形状并在竖向及侧向获得足够刚度即可满足变形要求，撤除临时支撑，施工完毕。

现以由7榀张弦桁架23构成的具有荷载缓和作用的单向张弦桁架屋盖结构为例对本发明进行说明。

本单向张弦桁架屋盖结构的桁架间距为8.4m，纵向总长50.4m，屋面设横向撑杆17。单榀张弦桁架23的跨度为80m，上弦拱矢高4m，拉索垂度4m，拉索呈抛物线形状。每榀张弦桁架23的一端为滑动铰支座16，另一端为具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座15，支座标高均为18.0m。

竖向荷载取值参见常规张弦桁架结构计算取值，即：屋面系统及吊顶0.5kN/m²，屋面活(雪)荷载0.5kN/m²，荷载组合1.2恒+1.4活＝1.3kN/m²。上弦桁架13为正放三角锥空间拱桁架，上弦桁架杆件24的截面尺寸为Φ351×16，拉索6的截面尺寸为Φ299×16，撑杆14的截面尺寸为Φ299×10，拉索6为PES5-241拉索，上述部件均为钢材，其中上弦桁架13和撑杆14的弹性模量为2.06×10⁵Mpa，拉索6的弹性模量为1.85×10⁵Mpa，泊松比0.3，阻尼比0.02。阻尼弹簧10的根数n＝4，弹性刚度系数K＝5×10⁶N/m，阻尼选200kN·s/m。

为了验证本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构的抗震性能，本发明人利用有限元软件建模计算了EL-Centro(1940)波水平向地震力作用时拉索6内力的动力时程曲线，400个荷载步，加载时间8s，结果见图9。由图9可见，本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构上拉索6的内力幅值较传统张弦桁架结构内力幅值下降了40％，表明本发明提供的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构比传统张弦桁架结构的抗震性能好。

由此可见，本发明对传统张弦桁架结构所做的改进效果明显，理论依据可靠，实施方法简便，便于实际应用。

Claims (5)

1.一种具有荷载缓和作用的张弦桁架结构，其包括上弦桁架(13)、多根撑杆(14)、拉索(6)、具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座(15)和滑动铰支座(16)；其中上弦桁架(13)为正放三角锥空间拱桁架，由多根上弦桁架杆件(24)依次连接而构成，拉索(6)的两端分别连接在相对设置的球节点固定支座(15)和滑动铰支座(16)上，而多根撑杆(14)则相隔距离垂直连接在上弦桁架(13)和拉索(6)之间；其特征在于：所述的球节点固定支座(15)包括下部支撑结构(1)、预埋垫板(2)、倒T形滑动板(3)、多根预埋钢筋(4)、固定球节点(7)、多个柱状滚动轴承(8)、锚具(9)、多根阻尼弹簧(10)和支座(11)；其中下部支撑结构(1)的下端固定在结构柱的顶部；预埋垫板(2)水平设置在下部支撑结构(1)的表面；倒T形滑动板(3)由下翼缘板(17)和沿前后方向垂直设置的腹板(18)一体构成，其中下翼缘板(17)的底面与多个相隔距离沿前后方向并排设置在预埋垫板(2)表面一侧的柱状滚动轴承(8)相连接，因此能够左右滑动，腹板(18)的中部形成有一个用于贯穿拉索(6)的开孔(19)；支座(11)固定在预埋垫板(2)的表面另一侧；多根预埋钢筋(4)相隔距离垂直设置在下部支撑结构(1)的内部，其中位于支座(11)下方的预埋钢筋(4)上端贯穿支座(11)的前后端部，并且利用螺帽(5)旋紧在预埋钢筋(4)上端的方式将支座(11)与预埋垫板(2)和下部支撑结构(1)之间相互固定；固定球节点(7)为空心球体，安装在支座(11)的上端，其上部同时与多个张弦桁架杆件(24)的端部相连；锚具(9)安装在位于倒T形滑动板(3)和固定球节点(7)之间的拉索(6)端部，用于将拉索(6)的端部固定；多根阻尼弹簧(10)相隔距离水平连接在倒T形滑动板(3)上腹板(18)的内侧面和固定球节点(7)上相对应的表面之间。

2.根据权利要求1所述的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构，其特征在于：所述的支座(11)由底板(20)和十字形托架(21)构成，其中底板(20)水平设置，托架(21)安装在底板(20)的表面中部，并且托架(21)的上端中部呈圆弧形状。

3.根据权利要求1所述的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构，其特征在于：所述的多根阻尼弹簧(10)设置在位于倒T形滑动板(3)和固定球节点(7)之间的拉索(6)周围。

4.根据权利要求1所述的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构，其特征在于：所述的腹板(18)两侧设有多条加强板(12)。

5.一种如权利要求1所述的具有荷载缓和作用的张弦桁架结构实施方法，其特征在于：所述的实施方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)根据跨度要求、净空限制和各种荷载组合工况，不考虑荷载缓和作用，设计上述具有荷载缓和作用的张弦桁架结构中上弦桁架杆件(24)和撑杆(14)的长度和截面尺寸、拉索(6)的截面面积及相应初始预应力值F；

2)根据步骤1)中确定的拉索(6)截面面积确定支座锚固端是单索、双索或是多索，进而确定具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座(15)的形状和尺寸，同时根据拉索(6)的初始预应力值F来确定阻尼弹簧(10)的弹性刚度系数K及根数n，初始预应力值F、阻尼弹簧(10)的弹性刚度系数K及阻尼弹簧(10)的根数n之间存在如下关系：

F＝n×K×x，

其中：F为拉索(6)的初始预应力值，n为阻尼弹簧(10)的根数，K为阻尼弹簧(10)的弹性刚度系数，x为阻尼弹簧(10)的伸长量；

3)根据步骤1)确定的构件截面尺寸确定上弦桁架杆件(24)及撑杆(14)的下料尺寸，并根据步骤2)确定的阻尼弹簧(10)的伸长量x确定拉索(6)的下料长度，在工厂预加工；

4)在土建主体结构指定位置安装普通的滑动铰支座(16)和具有缓和拉索内力作用的球节点固定支座(15)；

5)在施工场地用多根上弦桁架杆件(24)拼装上弦桁架(13)，安装撑杆(14)及拉索(6)而制成一榀张弦桁架(23)，之后将一榀张弦桁架(23)吊装就位后将其与滑动铰支座(16)及球节点固定支座(15)相连接，并施以临时支撑，在滑动铰支座(16)端对拉索(6)进行预应力张拉，直至拉索(6)的预应力值F达到设计值后封锚固定；

(6)待多榀张弦桁架(23)全部张拉完毕后，在相邻张弦桁架(23)的上弦桁架(13)间设置多根横向撑杆(17)而构成张弦桁架屋盖结构，以保证张弦桁架结构的侧向稳定性，撤除临时支撑，施工完毕。

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