CN103114671A - 一种可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构 - Google Patents

Abstract

一种可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构。其包括上弦桁架、多个V形竖向撑杆、下弦柔性拉索、多个夹片式锚具、多个撑杆连接器、滑动铰支座和固定铰支座。本发明的张弦桁架结构具有如下先进性：1)抗灾能力更好：避免断索后常规张弦桁架的连续倒塌，给张弦桁架下方人员疏散留出一定时间，安全性更高。2)施工方便：仅需要在布索过程中预留夹片式锚具，张拉完成后在拉索竖向限位器两端安装夹片式锚具，使夹片式锚具顶紧拉索竖向限位器即可。3)经济性高：可充分发挥下弦柔性拉索受拉性能，精细化设计提高经济性，在灾后可为下方人员撤离提供时间，减少人员伤亡和财产损失，灾后重建中可局部维修补强，避免结构倒塌后全部拆除重建，减少重复投资。

Description

一种可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，尤其是涉及一种可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构。

技术背景

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多根上弦桁架杆件构成的上弦桁架、下弦柔性拉索、多根中间受压撑杆、滑动铰支座和固定铰支座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。张弦桁架结构包括平面张弦桁架结构和空间张弦桁架结构，其中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。

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，并减少滑动铰支座的水平位移。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。

虽然张弦桁架结构是一种受力合理、刚度大的大跨度空间结构，但由于其在工程中的实际应用只有二十几年的时间，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，从而造成财产损失和人员伤亡。因此，如何提供一种高效、美观、实用的设计方法，防止拉索突然断裂后结构的倒塌或者延迟结构的倒塌时间，就显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种抗灾能力更好、安全性更高，并具有二道设防能力，防止断索后结构迅速倒塌，为人员逃逸及救灾提供时间的张弦桁架结构。

为了达到上述目的，本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构包括上弦桁架、多个V形竖向撑杆、下弦柔性拉索、多个夹片式锚具、多个撑杆连接器、滑动铰支座和固定铰支座；其中上弦桁架由多根上弦桁架杆件构成；多个V形竖向撑杆的上端连接在上弦桁架上；撑杆连接器连接在V形竖向撑杆的下端；下弦柔性拉索的中部贯穿多个撑杆连接器，张拉后两端分别固定在滑动铰支座和固定铰支座上；滑动铰支座和固定铰支座分别设置在建筑物两侧的结构柱顶部；所述的撑杆连接器包括腹板、拉索竖向限位器、转接件和转接板；其中转接板水平设置，腹板垂直固定在转接板的表面上，并且V形竖向撑杆的下端铰接在腹板上；转接件的上端连接在转接板的底面中部，下端连接在拉索竖向限位器的上端；拉索竖向限位器上沿左右方向贯通形成有两个用于贯穿下弦柔性拉索及固定夹片式锚具的圆孔，并且每个拉索竖向限位器两侧的下弦柔性拉索上分别安装有一个夹片式锚具，用于将下弦柔性拉索固定在拉索竖向限位器上。

所述的拉索竖向限位器由上半部分和下半部分通过螺栓连接而构成，并且下半部分由左右两部分组成，这样便于维修时更换下弦柔性拉索。

所述的转接板的表面中部还设有两条与腹板相互垂直的加劲肋。

本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构具有如下先进性：1)抗灾能力更好：避免了断索后常规张弦桁架的连续倒塌，设置了第二道安全防线，利用上弦桁架的安全储备，允许张弦桁架产生大变形，可给张弦桁架下方人员疏散留出一定时间，因此安全性更高。2)施工方便：仅需要在布索过程中预留夹片式锚具，张拉完成后在拉索竖向限位器两端安装夹片式锚具，并使夹片式锚具顶紧拉索竖向限位器即可。上述工作可在地面完成，然后整体吊装。3)经济性高：一方面可充分发挥下弦柔性拉索的受拉性能，精细化设计提高经济性，另一方面在灾后(如地震、台风、火灾等)可为下方人员撤离提供时间，减少人员伤亡和财产损失，在灾后重建中可局部维修补强，避免结构倒塌后全部拆除重建，减少重复投资。

附图说明

图1为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构示意图；

图2为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上V形竖向撑杆下端连接部位结构示意图；

图3为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上撑杆连接器正向结构示意图；

图4为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上撑杆连接器俯视图；

图5为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上转接件和拉索竖向限位器三维轴测图；

图6为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上第一跨索断裂后结构变形图；

图7为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上第二跨索断裂后结构变形图；

图8为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上第三跨索断裂后结构变形图；

图9为本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构上第四跨索断裂后结构变形图。

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可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构进行详细说明。

如附图1-图5所示，本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构包括上弦桁架1、多个V形竖向撑杆2、下弦柔性拉索3、多个夹片式锚具4、多个撑杆连接器5、滑动铰支座11和固定铰支座12；其中上弦桁架1由多根上弦桁架杆件构成；多个V形竖向撑杆2的上端连接在上弦桁架1上；撑杆连接器5连接在V形竖向撑杆2的下端；下弦柔性拉索3的中部贯穿多个撑杆连接器5，张拉后两端分别固定在滑动铰支座11和固定铰支座12上；滑动铰支座11和固定铰支座12分别设置在建筑物两侧的结构柱顶部；所述的撑杆连接器5包括腹板6、拉索竖向限位器7、转接件8和转接板9；其中转接板9水平设置，腹板6垂直固定在转接板9的表面上，并且V形竖向撑杆2的下端铰接在腹板6上；转接件8的上端连接在转接板9的底面中部，下端连接在拉索竖向限位器7的上端；拉索竖向限位器7上沿左右方向贯通形成有两个用于贯穿下弦柔性拉索3及固定夹片式锚具4的圆孔13，并且每个拉索竖向限位器7两侧的下弦柔性拉索3上分别安装有一个夹片式锚具4，用于将下弦柔性拉索3固定在拉索竖向限位器7上。

所述的拉索竖向限位器7由上半部分和下半部分通过螺栓连接而构成，并且下半部分由左右两部分组成，这样便于维修时更换下弦柔性拉索3。

所述的转接板9的表面中部还设有两条与腹板6相互垂直的加劲肋10。

现将本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构安装方法阐述如下：首先在地面上由工作人员将多个V形竖向撑杆2的上端固定在已组装好的上弦桁架1上，然后将V形竖向撑杆2的下端与撑杆连接器5上的腹板6铰接在一起，之后将下弦柔性拉索3依次贯穿每一个撑杆连接器5上拉索竖向限位器7的一个圆孔13，张拉下弦柔性拉索3后将其两端分别连接在滑动铰支座11和固定铰支座12上，并在每个拉索竖向限位器7两侧的下弦柔性拉索3上分别安装一个夹片式锚具4，并将夹片式锚具4的一端插入圆孔13中，由此形成可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构，最后将上述张弦桁架结构整体吊装至建筑物顶部，并将滑动铰支座11和固定铰支座12分别设置在建筑物两侧的结构柱顶部即可完成整个安装过程。

另外，如灾后重建中需要更换断裂的下弦柔性拉索3，可将连接在拉索竖向限位器7上半部分和下半部分中与另一个圆孔13位于同一侧的左或右部分之间的螺栓松开，然后将新下弦柔性拉索3放入另一圆孔13中，之后再利用螺栓将上半部分和上述左或右部分重新组合在一起，最后张拉新下弦柔性拉索3后在每个拉索竖向限位器7两侧的新下弦柔性拉索3上分别安装一个夹片式锚具4即可。

为了验证本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构的效果，本发明人利用有限元分析软件ANSYS计算了具有下列参数的本张弦桁架结构断索后的变形：跨度80m，跨中矢高8.375m，V形竖向撑杆2下端点间距均为10m，上弦桁架1采用空间拱形桁架，分析结果见图6-图9。由图可见，一旦由于某种因素导致下弦柔性拉索3出现断裂，虽然下弦柔性拉索3在不同位置断裂后均会引起结构变形加大，但由于夹片式锚具4能顶紧拉索竖向限位器7并作为断索的新锚固端，从而将下弦柔性拉索3约束在V形竖向撑杆2下方，通过结构变形吸收断索带来的冲击力，成为张弦桁架结构的第二道安全防线，因此张弦桁架结构没有立即倒塌，大大提高了结构安全性。由此证明本发明提供的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构能解决断索后导致张弦桁架连续倒塌的问题，具有理论可行性和可靠性。

Claims (3)

1.一种可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构，包括上弦桁架(1)、多个V形竖向撑杆(2)、下弦柔性拉索(3)、多个夹片式锚具(4)、多个撑杆连接器(5)、滑动铰支座(11)和固定铰支座(12)；其中上弦桁架(1)由多根上弦桁架杆件构成；多个V形竖向撑杆(2)的上端连接在上弦桁架(1)上；撑杆连接器(5)连接在V形竖向撑杆(2)的下端；下弦柔性拉索(3)的中部贯穿多个撑杆连接器(5)，张拉后两端分别固定在滑动铰支座(11)和固定铰支座(12)上；滑动铰支座(11)和固定铰支座(12)分别设置在建筑物两侧的结构柱顶部；其特征在于：所述的撑杆连接器(5)包括腹板(6)、拉索竖向限位器(7)、转接件(8)和转接板(9)；其中转接板(9)水平设置，腹板(6)垂直固定在转接板(9)的表面上，并且V形竖向撑杆(2)的下端铰接在腹板(6)上；转接件(8)的上端连接在转接板(9)的底面中部，下端连接在拉索竖向限位器(7)的上端；拉索竖向限位器(7)上沿左右方向贯通形成有两个用于贯穿下弦柔性拉索(3)及固定夹片式锚具(4)的圆孔(13)，并且每个拉索竖向限位器(7)两侧的下弦柔性拉索(3)上分别安装有一个夹片式锚具(4)，用于将下弦柔性拉索(3)固定在拉索竖向限位器(7)上。

2.根据权利要求1所述的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构，其特征在于：所述的拉索竖向限位器(7)由上半部分和下半部分通过螺栓连接而构成，并且下半部分由左右两部分组成。

3.根据权利要求1所述的可防止断索引发倒塌的张弦桁架结构，其特征在于：所述的转接板(9)的表面中部还设有两条与腹板(6)相互垂直的加劲肋(10)。

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