CN103061456B

CN103061456B - 具有下吊卦式预应力高强度钢铰线的钢管砼桁架式拱

Info

Publication number: CN103061456B
Application number: CN201110324755.3A
Authority: CN
Inventors: 张如成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: CN103061456A

Abstract

本发明公开了一种具有下吊卦式预应力高强度钢铰线的钢管砼桁架式拱，涉及建筑拱结构的改进技术。由钢管砼桁架式拱(1)、下吊卦支撑(2)和预应力高强度钢铰线(3)构成；所述钢管砼桁架式拱(1)呈二端低中间高弧形设置，预应力高强度钢铰线(3)呈二端低中间高折线形设置，预应力高强度钢铰线(3)设置于钢管砼桁架式拱(1)下方，预应力高强度钢铰线(3)为两端低中间高结构，预应力高强度钢铰线(3)两端与钢管砼桁架式拱(1)两端的支座连接，预应力高强度钢铰线(3)的中段通过若干竖向设置的下吊卦支撑(2)与钢管砼桁架式拱(1)连接。本发明解决了现有的桁架式拱结构建筑，当一端为固定绞，另一端为可动铰支座，无水平拉杆的双绞拱存在的受力欠佳，用钢量大，造价高，承载能力有限的问题。

Description

具有下吊卦式预应力高强度钢铰线的钢管砼桁架式拱

技术领域

本发明涉及建筑桁架式拱结构的改进技术。

背景技术

现有的双铰拱，当两湍都是固定铰支座，采用桁架式拱并应用钢管砼材料时，由于是轴向受压，钢管砼优异的抗压性能和造价低，取得良好的经济效益.但是当一端为固定铰支座，另一端为水平可动铰支座并不设置水平拉杆(房屋建筑常是这样)时，无法阻止其强大的水平推力而产生位移，难以实现两湍都是固定铰支座拱的轴向受压的特点，从而无法发挥钢管砼(抗压好，抗垃差)的优点.主要缺点是：(一)受力欠佳；(二)用钢量大，造价高；(三)承载能力有限。

发明内容

本发明提供一种具有下吊卦预应力高强度钢铰线的桁架式拱，本发明解决了现有的某些建筑桁架式拱(可水平位移双铰拱)存在的受力欠佳，用钢量大，造价高，承载能力有限的问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：由钢管砼桁架式拱1、下吊卦支撑2和预应力高强度钢铰线3构成；所述钢管砼桁架式拱1呈二端低中间高弧形设置，预应力高强度钢铰线3呈二端低中间高折线型设置，预应力高强度钢铰线3设置于钢管砼平面桁架1下方，预应力高强度钢铰线3两端与钢管砼平面桁架1 两端支座连接，预应力高强度钢铰线3的中段通过若干竖向设置的下吊卦支撑2与钢管砼平面桁架1连接。

采用分数批施加荷载，数次施加预应力的多阶段多次预应力设计。

受力计算方式是：对于短杆受拉杆件：非预应力受拉构件在荷载作用下应力达σ_s时，其承载力已达到极限，事先使受拉构件承受压力，则在外荷作用下，要首先抵消预应力后才开始受拉，这样利用受拉构件材料的承载能力，是从-σ_s到+σ_s，从而使该受拉构件的承载能力提高了一倍；

使拉杆在一部分荷载作用下而受拉，应力达(+σ_s)，这时穿入高强度预应力筋并施加预应力，把拉杆中的拉应力抵消，甚至使它受压为(-σ_s)，则拉杆又恢复了承受外荷的能力；在第二部分荷载作用下，又使它由压应力一σ_s增加到拉应力+σ_s；这样，使该杆反复利用了承载力的三培(+σ_s→一σ_s→+σ_s)；

桁架式拱施加预应力实际上是用高强度钢绞线来把拉杆中已有的内力接替过来。

本发明目的及优点：

(1)通过索的轴向拉伸耒抵抗外荷载作用，可以最充分地利用钢材的强度。当采用高强度材料时，效益就更佳。索布置成二端低中间高折线型，与上部桁架式拱结构型状相似，可以取得大空间，美观，同时使桁架式拱受力均匀，合理，为节省钢材创造条件。

(2)钢管砼具有良好的抗压性能，节省钢材，因此经济实用，但是它的抗拉性能差，存在局限性.本发明采用多阶次预应力方法，使桁架式拱的所有杆件均处於可控制状态，使它们的压力或拉力控制在合理的范围，避免了钢管砼受拉差的局限性。

(3)桁架式拱既是承受荷载结构，外围护结构(例如：屋盖，墙面)，又是预应力钢铰线的支座。

附图说明

图1是本发明结构示意图；图中符号说明：钢管砼平面桁架式拱1、下吊卦支撑2、预应力高强度钢铰线3。

图2是受拉杆件承载力的对比计算图；

图3是本发明施加荷载→预应力→荷载三个阶段的计算图。

具体实施方式

如图1所示，具有下吊卦式折线型预应力高强度钢铰线的桁架式拱，由钢管砼桁架式拱1、下吊卦支撑2和预应力高强度钢铰线3构成；所述钢管砼桁架式拱1呈二端低中问高弧形设置，预应力高强度钢铰线3呈折线型设置，预应力高强度钢铰线3设置于钢管砼桁架式拱1下方，预应力高强度钢铰线3为两端低中间高折线形结构，预应力高强度钢铰线3两端与钢管砼桁架式拱1两端支座连接，预应力高强度钢铰线3的中段通过若干竖向设置的下吊卦支撑2与钢管砼桁架式拱1连接。

本发明多阶次预应力的基本原理：

对于短杆受拉杆件：非预应力受拉构件在荷载作用下应力达σ_s时，其承载力已达到极限，事先使受拉构件(短杆，不考虑失稳)承受压力，则在外荷作用下，要首先抵消预应力后才开始受拉，这样利用受拉构件材料的承载能力，是从-σ_s到+σ_s，如图2所示，从而使该受拉构件的承载能力提高了一倍，这就是过去已建成的预应力钢结构的基本原理。从对拉杆施加预应力的方法及它工作经历的阶段来看，图2经历施加预应力和荷载作用两个阶段，我们称它为二阶段设计。图中“σ_s”表示钢材的屈服点，角标“0”表示施加预应力阶段的应力和应变，“2”代表加预应力后在荷载作用下产生的应力和应变.”K”代表高强度预应力筋。

如果一开始拉杆就在一部分荷载作用下而受拉，应力达+σ_s，这时穿入高强度预应力筋并施加预应力，把拉杆中的拉应力抵消，甚至使它受压为(-σ_s)，则拉杆又恢复了承受外荷的能力；在第二部分荷载作用下，又使它由压应力一σ_s增加到拉应力+σ_s。这样，使该杆反复利用了承载力的三培(+σ_s→一σ_s→+σ_s)，如图3a所示。图中角标“1”表示加应力前荷载作用下引起的应力和应变，从它工作经历的阶段来看，图3_a经历施加荷载→预应力→荷载三个阶段，我们称它为三阶段设计。比较二、三阶段设计，显然后者承载力较前者大大提高。

以上所述均以短杆为例。其实工程上的拉杆一般都是长细杆件，对拉杆施加预应力时杆件受压，其承载能力将取决于压杆的稳定。本来是拉杆的构件如要按压杆设计，则只可能对其施加很小的压力，显然这在经济上不太合理。这样二阶段设计已不能满足需要，有必要考虑预应力多阶段设计。施加预应力实际上是用高强度钢绞线来把拉杆中已有的内力接替过来，由图2b和图3b可知，在多阶段设计中预应力钢绞线内的应力是叠加的，即预应力阶段越多，需要预应力钢绞线本身的强度越高。

本发明预应力多阶段设计的可行性：

目前，预应力多阶段设计不仅在理论上可行.而且在材料及施工工艺方面也已具备了一定的条件。

(1).预应力高强度钢绞线目前已大量生产，强度为Q345钢的 1320/310＝4.3倍，二者的价格比约为2倍，节省了钢材.降低了造价。

(2).钢绞线配套锚具一4、5、6、7都已有定型设计和定点生产⁽¹⁾，性能可靠。

(3).无粘结束锚具的耐久性⁽¹⁾，钢绞线的锚具的抗疲劳性能、低温性能良好⁽²⁾。但预应力钢绞线的抗锈蚀，尤其是在处于高应力状态时，对锈蚀特别敏感。对此本设计吸取了国内、外的成功经验，在每根钢绞线下料后，都须经过除油去锈，并立即涂刷环氧沥青铅粉底漆，再涂刷工业凡士林掺石墨。在五根钢绞线合股，包裹前在束表面再涂二道工业凡土林掺石墨.尽量将钢束表面低凹处填平。然后在外面缠包玻璃丝布五层，涂环氧树脂胶六次。形成五布六胶的玻璃钢套。从而，可以长期用于大跨度屋面等结构。

(5).预应力钢绞线的张拉

新型预应力钢结构的液压张拉施工技术并不复杂，所需设备也不多.一般配有四台YC--60型千斤顶和一台ZB4--500高压油泵就足够了，而这些设备是后张预应力砼施工中的一般常用设备。可以多次周转使用。

骨架架设完成(位于设计位置)，在锚具张拉端位置架设操作平台，分数个阶段进行安装(安装即为加荷)和张拉预应力筋穿插进行。

预应力张拉值由高压油泵压力表根据设计需要读数控制，再测出预应力筋的伸长值进行核对。

钢管砼有良好的抗压性能且经济，但受拉性能却不足，本发明通过多阶次预应力方法进行优化设计，可控制地卸载、转移，使钢管砼杆件始终处於大压力，小拉力的受力状态，充分发挥钢管砼受压的长处，避开了受拉的短处。

本发明技术方案的特点：

(1)本结构上部为钢管砼桁架式拱，下部布置二端低中间高折线型的预应力钢铰线(详见附图1)，通过下吊卦支撑及二端支座与桁架连为一体，采用分数批施加荷载，数次施加预应力的多阶次预应力设计。

(2)将荷载分解为数批施加(以荷载的实际可分性为准，如第一批荷载为桁架式拱骨架杆件自重，施加第一次预应力，第二批荷载为安装屋面，墙面，施加第二次预应力，第三批荷载为安装设备和活荷载，第三次预应力为温度差应力，第四批荷载为地震作用)。

(3)温度应力及温度差：根椐钢结构设计规范(GB50017-2003)，第8.1.5条规定露天结构温度区段可以长达120M，没有强调要作温度应力计算，而且一端支座是水平向可滑动，温度变化时(如冬季、夏季)，上部桁架与下部予应力钢铰线同时伸长和缩短，内力不受影响(摩阻力很小，因此不计)。但是，如果结构有它特殊之处，上部桁架式拱和预应力钢铰线产生温度差(例如房屋建筑桁架式拱暴露在屋面以上，室内、外有温差)时，从而使二者温度变形有差异，它对上部结构的影响十分敏感。当预应力钢铰线温度低於上部结构时，因收缩大，相当於预应力钢铰线收缩而产生一拉力；预应力钢铰线温度高於上部结构则预应力钢铰线比上部结构伸长大，相当於预应力钢铰线放松(减少预应力)而对上部结构产生影响。总之，无论处于哪种情况，都可能对结构产生不利影响。因此，上述二种工况均需验算。

(4)地震作用：本结构属於大跨度结构，根椐建筑抗震设计规范GB 50011-2001(2008年版)第5.3.3条。以8度地震为例，取该结构、构件重力荷载代表值的10％。即第一、二、三批荷载总值的1.1倍(竖向地震作用)，作用於最不利工况。

(5)本方案以预应力钢结构技术规程为依椐，预应力损失等，请查看该规程。

下吊卦折线形预应力高强度钢铰线的布置：

(1)二端低中问高折线形与桁架式拱形状相近似，美观、大空问。

(2)预应力索对桁架式拱的作用力均匀。

从而能满足建筑要求，并使结构力学模型合理，为推广应用和节省村料创造条件。

钢管砼具有良好的抗压性能，节省钢材，因此经济实用.但是它的抗拉性能差，存在局限性。本发明应用多阶次预应力方法，控制拱的受力状态，使桁架式拱始终处于合理的受压、受拉状态，发挥了钢管砼的优点，克服了受垃差的缺点。

应用多阶次预应力方法，将拱结构的外荷载作用，逐阶次卸载，转移到预应力高强度钢饺线索，充分地利用了高强度钢材的强度，从而为结构优化创造条件。

本发明将钢管砼应用於桁架式可动双铰拱结构，解决了纲管砼的拉、压异性而存在的局限性，推广了双铰拱在房屋建筑等的应用，提高了承载能力，获得良好的经济效益。

-通过例题(53M跨下吊卦的预应力桁架式拱屋盖)计算：

荷载由q＝3.3KN/M増加到q＝24.1KN/M即增加24.1/3.3＝7.3倍

拱挠度(即竖向位移)由37.3mm增加到69.9mm，挠度却只增加69.9/37.3＝1.9倍

拱水平位移由17.6mm增加到18.3mm只增加[18.3/17.6＝1.04倍

构件最大轴压力由N_max＝-290.34KN増加到N_max＝-1245KN

构件最大弯矩由M_max＝-32.4KN-M增加到M_max＝65.3KN-M

轴压力增加1245/290＝4.3倍，

弯矩增加65.3/32.4＝2倍

与荷载增加7.3倍相比，效益明显提高了，体现内力卸载，、转移的效果。

本例题(53M跨)结构每延米荷载24.1KN/M时，每延米用钢量：83.1KN/M

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.具有下吊卦式预应力高强度钢铰线的桁架式拱，其特征在于，由钢管砼桁架式拱(1)、下吊卦支撑(2)和预应力高强度钢铰线(3)构成；所述钢管砼桁架式拱(1)，呈二端低中间高弧形设置，预应力高强度钢铰线(3)呈二端低中间高折线型设置，预应力高强度钢铰线(3)设置于钢管砼桁架式拱(1)下方，预应力高强度钢铰线(3)两端与钢管砼桁架式拱(1)两端支座连接，预应力高强度钢铰线(3)的中段通过若干竖向设置的下吊卦支撑(2)与钢管砼桁架式拱(1)连接；施加荷载时采用分数批施加荷载，数次施加预应力的多阶段多次预应力设计；受力计算方式是：对于短杆受拉杆件：非预应力受拉构件在荷载作用下应力达σ_s时，其承载力已达到极限，事先使受拉构件承受压力，则在外荷作用下，要首先抵消预应力后才开始受拉，这样利用受拉构件材料的承载能力，是从-σ_s到+σ_s，从而使该受拉构件的承载能力提高了一倍；使拉杆在一部分荷载作用下而受拉，应力达(+σ_s)，这时穿入高强度预应力筋并施加预应力，把拉杆中的拉应力抵消，甚至使它受压为(-σ_s)，则拉杆又恢复了承受外荷的能力；在第二部分荷载作用下，又使它由压应力-σ_s增加到拉应力+σ_s；这样，使该杆反复利用了承载力的三倍 (+σ_s→-σ_s→+σ_s)；桁架式拱施加预应力实际上是用高强度钢铰线来把拉杆中已有的内力接替过来。