CN102635186A - 双层轮辐式空间张弦结构钢屋架及其预应力张拉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢屋架，尤其涉及一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架及其预应力张拉方法，属于钢结构领域。立柱的侧壁通过外环支承与外环桁架相固定连接，外环桁架通过内环支承与内环桁架相固定连接，外环桁架的底部设有呈间隔连续分布的外撑杆，其中最内端的外撑杆的底部设有外环向索紧固装置，其余外撑杆的底部设有外下弦径向紧固装置，内环桁架的底部设有呈间隔连续分布的内撑杆，其中最内端的内撑杆的底部设有内环下弦环梁紧固装置，其余内撑杆的底部设有内下弦径向紧固装置。双层轮辐式空间张弦结构钢屋架及其预应力张拉方法结构简单，施工精度高，施工工效高，施工成本低，提高施工安全性。

Description

双层轮辐式空间张弦结构钢屋架及其预应力张拉方法

技术领域

   本发明涉及一种钢屋架，尤其涉及一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架及其预应力张拉方法，属于钢结构领域。

背景技术

目前现有技术中大型钢结构，施工精度相对不高，而且结构复杂，施工周期长，钢结构整体安全性不稳定，存在一定的安全隐患。

 发明内容

  本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种结构简单，而且整个结构体系分为周围结构和中间结构两部分，属于多方向受力的张弦结构体系，具有类似于自行车轮辐的传力机理，有很好的空间整体性和结构刚度，同时还具有较好的抗连续倒塌的能力的双层轮辐式空间张弦结构钢屋架及其预应力张拉方法。

   本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，钢屋架由每榀桁架连续分布而成，每榀桁架包括立柱、外环桁架和内环桁架，所述的立柱的侧壁通过外环支承与外环桁架相固定连接，所述的外环桁架通过内环支承与内环桁架相固定连接，所述的外环桁架的底部设有呈间隔连续分布的外撑杆，其中最内端的外撑杆的底部设有外环向索紧固装置，其余外撑杆的底部设有外下弦径向紧固装置，所述的内环桁架的底部设有呈间隔连续分布的内撑杆，其中最内端的内撑杆的底部设有内环下弦环梁紧固装置，其余内撑杆的底部设有内下弦径向紧固装置，所述的外下弦径向紧固装置通过外径向索相连接，所述的外径向索的一端与外环支承相固定，所述的外径向索的另一端与外环向索紧固装置相固定，所述的内下弦径向紧固装置通过内径向索相连接，所述的内径向索的一端通过内环支承相固定连接，所述的内径向索的另一端与内环下弦环梁紧固装置相固定，所述的外环向索紧固装置中设有外环向索，所述的外环桁架和内环桁架形成弧状，所述的外撑杆的长度由外而内依次增加，所述的内撑杆的长度由外而内依次增加。

不仅满足了建筑对屋盖结构净空的功能要求，而且使内外两层结构具有明确的分界。同时，根据不同部位结构的重要性对相应构件进行强化，可以进一步提高结构的抗连续倒塌的能力（比如，当中间部分的结构发生某种破坏而丧失部分刚度和承载能力时，经过强化的周边结构作为主要且独立的结构体系仍将能维持足够的竖向承载能力而不至于发生整体破坏）。

  作为优选，所述的外下弦径向紧固装置和内下弦径向紧固装置结构相同，所述的外下弦径向紧固装置包括上半球、下半球和紧固螺栓，所述的上半球的顶部设有削冠半球，所述的削冠半球中设有撑杆紧固不通孔，所述的上半球和下半球的外壁分别设有4个相均匀对称分布凹坑，凹坑间通过紧固螺栓相紧固，上半球的底部设有上索道凹槽，所述的下半球的顶部设有下索道凹槽，所述的上索道凹槽和下索道凹槽形成索道孔。

  作为优选，所述的索道孔内的索道面设有毛齿，所述的毛齿的高度为1～2mm。

  作为优选，所述的外环向索紧固装置包括环向索固定座、撑杆固定耳和拉索支撑耳，所述的环向索固定座的上部设有撑杆固定耳，所述的环向索固定座的左侧端设有拉索支撑耳，所述的拉索支撑耳呈倾斜状与环向索固定座相固定，所述的环向索固定座的上部两端和下部两端分别设有环索固定槽，所述的环索固定槽为偏心的弧形槽。

  作为优选，所述的内环下弦环梁紧固装置包括索销轴连接板、内环梁和箱型环梁加劲板，所述的索销轴连接板的顶部为撑杆固定位，所述的索销轴连接板的左端为径向索连接支耳，所述的索销轴连接板的下部设有弧形竖向槽，所述的箱型环梁加劲板为中间折弯状，箱型环梁加劲板的中间位设有竖向槽，所述的弧形竖向槽和竖向槽呈十字相扣紧固，所述的箱型环梁加劲板与索销轴连接板间设有内环梁。

  作为优选，所述的弧形竖向槽的宽度比箱型环梁加劲板的厚度大1～2mm，所述的竖向槽的宽度比索销轴连接板的厚度大1～2mm。

  一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架的预应力张拉方法，按以下步骤进行：

（1）、外撑杆和内撑杆固定：

 将最内端的外撑杆与外环向索紧固装置中的撑杆固定耳通过销轴固定，其余外撑杆的底部拧入外下弦径向紧固装置中的上半球中，将外撑杆的上部通过杆件与外环桁架相固定，外撑杆与外环桁架无弯矩传递；将最内端的内撑杆与内环下弦环梁紧固装置中的索销轴连接板固定，其余内撑杆的底部拧入外下弦径向紧固装置中的上半球中，将内撑杆的上部通过杆件与内环桁架相固定，所述的内撑杆与内环桁架无弯矩传递；

（2）、安装预应力索：

   采用牵引千斤顶将外环桁架两端的外径向索提升，当外径向索提升到索预备精确标志与外撑杆中上半球的上索道凹槽下端10～10mm，将一端外径向索的索头就位，开动外环桁架的另一端的油泵，从索头一端到另一端逐个将索预备精确标志外从下往上嵌入外撑杆底部的上半球的上索道凹槽内，并将下半球的下索道凹槽从下而上扣入至外径向索上，将紧固螺栓拧入上半球和下半球内并将外径向索定位，将另一端索头就位；

用（2）的相同方法将内环桁架进行安装预应力索；

（3）、紧固预应力：

拧紧紧固螺栓，直至外径向索和内径向索的索顶紧穿索道孔；

（4）、环向索预应力：

   将外环向索嵌入至外环向索紧固装置中的环向索固定座的环索固定槽内，并将外环向索拉紧；

（5）、预应力张拉：    按先张拉外径向索，再张拉内径向索；

 当所要张拉的节点都安装完成后，开始对内外径向索进行拉索预紧；

 第一阶段，每榀桁架的两端采取同步分级张拉，对整个外环结构每间隔三榀桁架张拉一榀桁架的分四批张拉外径向索，每榀桁架两端主索张拉点超张拉到105%～110%预应力施工控制值，单次同步张拉分级0%→25%→50%→70%→90%→105%～110%；

第二阶段，待所有外环桁架张拉完成后，采取同样方法对内环结构每间隔1榀桁架张拉分两批张拉内径向索；当所有次索张拉完成，整个多重弦支网壳结构预应力施工即告完成：

在张拉过程中，由于每一批次张拉，整个结构受力复杂，当前批索力初始值比预应力施工控制值大5%～10%，并要求同一步骤的所有张拉组控制给油速度约在10kN/min，每级之间持荷时间约1min，保证每一批次每一级张拉的同步。

1、施工精度高。由于采用了外环向索紧固装置、外下弦径向紧固装置、内环下弦环梁紧固装置及内下弦径向紧固装置，可以更加简单、准确、有效的进行下弦节点紧固，且其承载力高，能有效防止在下弦拉索张拉时对紧固件的局部破坏，防止紧固件受力屈曲。因此保证了拉索，竖向撑杆等的预应力精度。

2.施工工效高。双层轮辐式结构采用分阶段、分批次、分级对称张拉方法施工速度快，方法简单易行，成效明显。

3.施工成本低。采用的预应力施工方法所用的设备简单而施工精度高，对铸钢节点的滑动性能要求不高，通过直接张拉径向索将预应力均匀传递给换向索，同时避免使用大量的张拉设备和人力，因此施工成本大幅度降低。

4．施工安全。由于采取先张拉外层径向钢索，后张拉内层径向钢索的预应力施工方案，随着外层钢索索力的不断增加，对内层钢索索力产生较大影响，约使内层钢索增加35%的设计索力，但对内层结构的起拱值影响小，约占内层结构总起拱值的6%，随着内层钢索索力的不断增加，外层结构起拱值下降近50%，但对外层钢索索力影响很小，增幅约为4.5%。

   本发明提供双层轮辐式空间张弦结构钢屋架及其预应力张拉方法，结构简单，施工精度高，施工工效高，施工成本低，提高施工安全性。

附图说明

图1是本发明中每榀桁架的结构示意图；

图2是本发明中内环下弦环梁紧固装置的结构示意图；

图3是本发明中内环下弦环梁紧固装置中的索销轴连接板的结构示意图；

图4是本发明中内环下弦环梁紧固装置中的索销轴连接板的仰视结构示意图；

图5是本发明中内环下弦环梁紧固装置中的箱型环梁加劲板的俯视结构示意图；

图6是本发明中外下弦径向紧固装置和内下弦径向紧固装置中的结构示意图；

图7是本发明中外下弦径向紧固装置和内下弦径向紧固装置中的上半球和下半球的组合结构示意图；

图8是本发明中外环向索紧固装置的结构示意图；

图9是本发明中预应力张拉中的第一阶段张拉结构示意图；

图10是本发中预应力张拉中的第二阶段的张拉结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。    

  实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，钢屋架由每榀桁架1连续分布而成，每榀桁架1包括立柱2、外环桁架3和内环桁架4，所述的立柱2的侧壁通过外环支承5与外环桁架3相固定连接，所述的外环桁架3通过内环支承6与内环桁架4相固定连接，所述的外环桁架3的底部设有呈间隔连续分布的外撑杆7，其中最内端的外撑杆7的底部设有外环向索紧固装置，其余外撑杆7的底部设有外下弦径向紧固装置，所述的内环桁架4的底部设有呈间隔连续分布的内撑杆8，其中最内端的内撑杆8的底部设有内环下弦环梁紧固装置，其余内撑杆8的底部设有内下弦径向紧固装置，所述的外下弦径向紧固装置通过外径向索9相连接，所述的外径向索9的一端与外环支承5相固定，所述的外径向索9的另一端与外环向索紧固装置相固定，所述的内下弦径向紧固装置通过内径向索10相连接，所述的内径向索10的一端通过内环支承6相固定连接，所述的内径向索10的另一端与内环下弦环梁紧固装置相固定，所述的外环向索紧固装置中设有外环向索11，所述的外环桁架3和内环桁架4形成弧状，所述的外撑杆7的长度由外而内依次增加，所述的内撑杆8的长度由外而内依次增加，所述的外下弦径向紧固装置和内下弦径向紧固装置结构相同，所述的外下弦径向紧固装置包括上半球12、下半球13和紧固螺栓14，所述的上半球12的顶部设有削冠半球15，所述的削冠半球15中设有撑杆紧固不通孔16，所述的上半球12和下半球13的外壁分别设有4个相均匀对称分布凹坑17，凹坑17间通过紧固螺栓14相紧固，上半球12的底部设有上索道凹槽18，所述的下半球13的顶部设有下索道凹槽19，所述的上索道凹槽18和下索道凹槽19形成索道孔20，所述的索道孔20内的索道面设有毛齿，所述的毛齿的高度为1～2mm，所述的外环向索紧固装置包括环向索固定座21、撑杆固定耳22和拉索支撑耳23，所述的环向索固定座21的上部设有撑杆固定耳22，所述的环向索固定座21的左侧端设有拉索支撑耳23，所述的拉索支撑耳23呈倾斜状与环向索固定座21相固定，所述的环向索固定座21的上部两端和下部两端分别设有环索固定槽24，所述的环索固定槽24为偏心的弧形槽，所述的内环下弦环梁紧固装置包括索销轴连接板25、内环梁26和箱型环梁加劲板27，所述的索销轴连接板25的顶部为撑杆固定位28，所述的索销轴连接板25的左端为径向索连接支耳29，所述的索销轴连接板25的下部设有弧形竖向槽30，所述的箱型环梁加劲板27为中间折弯状，箱型环梁加劲板27的中间位设有竖向槽31，所述的弧形竖向槽30和竖向槽31呈十字相扣紧固，所述的箱型环梁加劲板27与索销轴连接板25间设有内环梁26，所述的弧形竖向槽30的宽度比箱型环梁加劲板27的厚度大1～2mm，所述的竖向槽31的宽度比索销轴连接板25的厚度大1～2mm。

   一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架的预应力张拉方法，按以下步骤进行：

（1）、外撑杆和内撑杆固定：

 将最内端的外撑杆7与外环向索紧固装置中的撑杆固定耳22通过销轴固定，其余外撑杆7的底部拧入外下弦径向紧固装置中的上半球12中，将外撑杆7的上部通过杆件与外环桁架3相固定，外撑杆7与外环桁架3无弯矩传递；将最内端的内撑杆8与内环下弦环梁紧固装置中的索销轴连接板25固定，其余内撑杆8的底部拧入外下弦径向紧固装置中的上半球12中，将内撑杆8的上部通过杆件与内环桁架4相固定，所述的内撑杆8与内环桁架4无弯矩传递；

（5）、安装预应力索：

   采用牵引千斤顶将外环桁架3两端的外径向索9提升，当外径向索9提升到索预备精确标志与外撑杆7中上半球12的上索道凹槽18下端10～10mm，将一端外径向索9的索头就位，开动外环桁架3的另一端的油泵，从索头一端到另一端逐个将索预备精确标志外从下往上嵌入外撑杆7底部的上半球12的上索道凹槽18内，并将下半球13的下索道凹槽19从下而上扣入至外径向索9上，将紧固螺栓14拧入上半球12和下半球13内并将外径向索9定位，将另一端索头就位；

用（2）的相同方法将内环桁架4进行安装预应力索；

（6）、紧固预应力：

拧紧紧固螺栓14，直至外径向索9和内径向索10的索顶紧穿索道孔20；

（7）、环向索预应力：

   将外环向索11嵌入至外环向索紧固装置中的环向索固定座21的环索固定槽24内，并将外环向索11拉紧；

（5）、预应力张拉：    按先张拉外径向索9，再张拉内径向索10；

 当所要张拉的节点都安装完成后，开始对内外径向索进行拉索预紧；

 第一阶段，每榀桁架1的两端采取同步分级张拉，对整个外环结构每间隔三榀桁架张拉一榀桁架的分四批张拉外径向索，每榀桁架1两端主索张拉点超张拉到105%～110%预应力施工控制值，单次同步张拉分级0%→25%→50%→70%→90%→105%～110%；

第二阶段，待所有外环桁架3张拉完成后，采取同样方法对内环结构每间隔1榀桁架张拉分两批张拉内径向索10；当所有次索张拉完成，整个多重弦支网壳结构预应力施工即告完成：

在张拉过程中，由于每一批次张拉，整个结构受力复杂，当前批索力初始值比预应力施工控制值大5%～10%，并要求同一步骤的所有张拉组控制给油速度约在10kN/min，每级之间持荷时间约1min，保证每一批次每一级张拉的同步。

图9和图10中的黑点代表张拉。

Claims (7)

1.一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，其特征在于：钢屋架由每榀桁架（1）连续分布而成，每榀桁架（1）包括立柱（2）、外环桁架（3）和内环桁架（4），所述的立柱（2）的侧壁通过外环支承（5）与外环桁架（3）相固定连接，所述的外环桁架（3）通过内环支承（6）与内环桁架（4）相固定连接，所述的外环桁架（3）的底部设有呈间隔连续分布的外撑杆（7），其中最内端的外撑杆（7）的底部设有外环向索紧固装置，其余外撑杆（7）的底部设有外下弦径向紧固装置，所述的内环桁架（4）的底部设有呈间隔连续分布的内撑杆（8），其中最内端的内撑杆（8）的底部设有内环下弦环梁紧固装置，其余内撑杆（8）的底部设有内下弦径向紧固装置，所述的外下弦径向紧固装置通过外径向索（9）相连接，所述的外径向索（9）的一端与外环支承（5）相固定，所述的外径向索（9）的另一端与外环向索紧固装置相固定，所述的内下弦径向紧固装置通过内径向索（10）相连接，所述的内径向索（10）的一端通过内环支承（6）相固定连接，所述的内径向索（10）的另一端与内环下弦环梁紧固装置相固定，所述的外环向索紧固装置中设有外环向索（11），所述的外环桁架（3）和内环桁架（4）形成弧状，所述的外撑杆（7）的长度由外而内依次增加，所述的内撑杆（8）的长度由外而内依次增加。

2.根据权利要求1所述的双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，其特征在于：所述的外下弦径向紧固装置和内下弦径向紧固装置结构相同，所述的外下弦径向紧固装置包括上半球（12）、下半球（13）和紧固螺栓（14），所述的上半球（12）的顶部设有削冠半球（15），所述的削冠半球（15）中设有撑杆紧固不通孔（16），所述的上半球（12）和下半球（13）的外壁分别设有4个相均匀对称分布凹坑（17），凹坑（17）间通过紧固螺栓（14）相紧固，上半球（12）的底部设有上索道凹槽（18），所述的下半球（13）的顶部设有下索道凹槽（19），所述的上索道凹槽（18）和下索道凹槽（19）形成索道孔（20）。

3.根据权利要求2所述的双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，其特征在于：所述的索道孔（20）内的索道面设有毛齿，所述的毛齿的高度为1～2mm。

4.根据权利要求1所述的双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，其特征在于：所述的外环向索紧固装置包括环向索固定座（21）、撑杆固定耳（22）和拉索支撑耳（23），所述的环向索固定座（21）的上部设有撑杆固定耳（22），所述的环向索固定座（21）的左侧端设有拉索支撑耳（23），所述的拉索支撑耳（23）呈倾斜状与环向索固定座（21）相固定，所述的环向索固定座（21）的上部两端和下部两端分别设有环索固定槽（24），所述的环索固定槽（24）为偏心的弧形槽。

5.根据权利要求1所述的双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，其特征在于：所述的内环下弦环梁紧固装置包括索销轴连接板（25）、内环梁（26）和箱型环梁加劲板（27），所述的索销轴连接板（25）的顶部为撑杆固定位（28），所述的索销轴连接板（25）的左端为径向索连接支耳（29），所述的索销轴连接板（25）的下部设有弧形竖向槽（30），所述的箱型环梁加劲板（27）为中间折弯状，箱型环梁加劲板（27）的中间位设有竖向槽（31），所述的弧形竖向槽（30）和竖向槽（31）呈十字相扣紧固，所述的箱型环梁加劲板（27）与索销轴连接板（25）间设有内环梁（26）。

6.根据权利要求5所述的双层轮辐式空间张弦结构钢屋架，其特征在于：所述的弧形竖向槽（30）的宽度比箱型环梁加劲板（27）的厚度大1～2mm，所述的竖向槽（31）的宽度比索销轴连接板（25）的厚度大1～2mm。

7.一种双层轮辐式空间张弦结构钢屋架的预应力张拉方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）、外撑杆和内撑杆固定：

 将最内端的外撑杆（7）与外环向索紧固装置中的撑杆固定耳（22）通过销轴固定，其余外撑杆（7）的底部拧入外下弦径向紧固装置中的上半球（12）中，将外撑杆（7）的上部通过杆件与外环桁架（3）相固定，外撑杆（7）与外环桁架（3）无弯矩传递；将最内端的内撑杆（8）与内环下弦环梁紧固装置中的索销轴连接板（25）固定，其余内撑杆（8）的底部拧入外下弦径向紧固装置中的上半球（12）中，将内撑杆（8）的上部通过杆件与内环桁架（4）相固定，所述的内撑杆（8）与内环桁架（4）无弯矩传递；

（2）、安装预应力索：

   采用牵引千斤顶将外环桁架（3）两端的外径向索（9）提升，当外径向索（9）提升到索预备精确标志与外撑杆（7）中上半球（12）的上索道凹槽（18）下端10～10mm，将一端外径向索（9）的索头就位，开动外环桁架（3）的另一端的油泵，从索头一端到另一端逐个将索预备精确标志外从下往上嵌入外撑杆（7）底部的上半球（12）的上索道凹槽（18）内，并将下半球（13）的下索道凹槽（19）从下而上扣入至外径向索（9）上，将紧固螺栓（14）拧入上半球（12）和下半球（13）内并将外径向索（9）定位，将另一端索头就位；

用（2）的相同方法将内环桁架（4）进行安装预应力索；

（3）、紧固预应力：

拧紧紧固螺栓（14），直至外径向索（9）和内径向索（10）的索顶紧穿索道孔（20）；

（4）、环向索预应力：

   将外环向索（11）嵌入至外环向索紧固装置中的环向索固定座（21）的环索固定槽（24）内，并将外环向索（11）拉紧；

（5）、预应力张拉：    按先张拉外径向索（9），再张拉内径向索（10）；

 当所要张拉的节点都安装完成后，开始对内外径向索进行拉索预紧；

 第一阶段，每榀桁架（1）的两端采取同步分级张拉，对整个外环结构每间隔三榀桁架张拉一榀桁架的分四批张拉外径向索，每榀桁架（1）两端主索张拉点超张拉到105%～110%预应力施工控制值，单次同步张拉分级0%→25%→50%→70%→90%→105%～110%；

第二阶段，待所有外环桁架（3）张拉完成后，采取同样方法对内环结构每间隔1榀桁架张拉分两批张拉内径向索（10）；当所有次索张拉完成，整个多重弦支网壳结构预应力施工即告完成：

在张拉过程中，由于每一批次张拉，整个结构受力复杂，当前批索力初始值比预应力施工控制值大5%～10%，并要求同一步骤的所有张拉组控制给油速度约在10kN/min，每级之间持荷时间约1min，保证每一批次每一级张拉的同步。

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