CN104847017A - 一种新型预应力工业料场罩棚结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型预应力工业料场罩棚结构及施工方法。包括由横向平行布置的多跨预应力钢桁架及纵向布置的多道空间张弦梁组成，所述预应力钢桁架与空间张弦梁相互连接组成整体的一体式结构。还公开了预应力钢桁架与空间张弦梁组合结构施工方法，包括结构设计、确定施工方案、对桁架分组、钢桁架地面拼装、设置临时支撑胎架、安装纵向稳定桁架、空间张弦梁施工等步骤。将空间张弦梁和预应力钢桁架进行结合，充分发挥各自结构的优势，可使建筑结构在造型、使用空间、造价、施工、安装及运输中达到最优。

Description

一种新型预应力工业料场罩棚结构及施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程建筑结构领域，尤其涉及一种新型预应力工业料场罩棚结构及施工方法。

背景技术

钢桁架结构造型美观大方、简洁明快、结构受力清晰，适用于大跨度和超大跨度，被广泛的应用于火车站、机场等大型公用建筑、以及大跨度厂房、仓库等工业建筑。

传统的桁架结构由于自重、竖向荷载及变形的影响，其跨度受限且经济性较差。在普通桁架基础上引入预应力概念，形成张弦桁架结构，由于预应力的作用，桁架产生向上的反拱的预应力效应，能有效地的抵抗与反拱方向相反的自重、竖向恒载、活载等正向荷载，可减少桁架高度，提高结构跨度，减少用钢量。但常规的张弦桁架的预应力效应仅能抵抗正向荷载的作用，对于风吸等与反拱方向相同的反向荷载是不利的，因此不能用于风吸荷载控制的大跨度建筑。

采用张弦桁架或普通桁架作为主体结构的建筑，一般采用檩条作为屋面的支撑构件，檩条设置在桁架的上弦。桁架在自身平面内具有较强的稳定型，但在平面外的稳定性较差。檩条为梁式受弯构件，一般采用方钢或H型钢，通过檩托连接在桁架的上弦，对桁架平面外的支撑作用非常有限，这种桁架+檩条的整体稳定性较差。由于檩条为受弯构件，其较经济的跨度为5m～8m，因此桁架净间距也为5~8m，造成桁架很密，钢量很大，经济性差，同时对结构的美观造成影响。

对于拱形桁架，在竖向荷载作用下，其桁架支座处存在巨大的水平推力，造成下部结构及支座造价高昂。

张弦梁结构与张弦桁架的构造和受力方式类似，是由刚性构件上弦、柔性拉索下弦、中间连以撑杆形成的结构体系，通过张拉下弦高强度拉索使撑杆产生向上的分量，导致上弦构件产生与外部竖向荷载作用相反的内力和变形，从而降低结构的内力，减少结构的变形。常规的张弦梁的预应力效应仅能抵抗正向荷载的作用，对于风吸等与反拱方向相同的反向荷载是不利的。由于张弦梁上弦为单根杆件，其平面外刚度很弱，稳定性很差。

发明内容

本发明提出一种将预应力钢桁架和空间张弦梁进行结合的组合结构体系，有效解决张弦桁架加檩条的传统形式造成的不能有效抵抗风吸荷载、整体稳定性差，桁架间距密，用钢量大，拱形桁架支座推力大的等缺点。

具体解决方案为：本发明公开了一种新型预应力工业料场罩棚结构，包括由横向平行布置的多榀预应力钢桁架及纵向布置的多道空间张弦梁组成，所述预应力钢桁架与空间张弦梁相互连接组成整体的一体式结构。

进一步，预应力钢桁架包括由桁架上弦、桁架下弦、桁架腹杆构成的钢桁架主体结构，桁架上弦、桁架下弦和桁架腹杆相互固定连接，还包括下弦索、撑杆、斜撑杆、斜拉索，撑杆与桁架下弦铰接连接，下弦索与撑杆通过索杆连接节点连接，下弦索的端部与桁架下弦连接，通过张拉下弦索对结构施加预应力，使桁架产生向上的反拱；斜拉索的一端与桁架下弦相连，另一端连接在下弦索、撑杆、斜撑杆的桁架索杆连接点上，通过给斜拉索施加预应力，使结构产生向下的作用。

进一步，钢桁架主体结构为四边形桁架或三角形桁架；钢桁架主体结构采用相贯焊接桁架或焊接球桁架。

进一步，在预应力钢桁架的所形成的弧的最高点、下斜索与应力钢桁架1连接处及接近两端的部位设置纵向稳定桁架。

进一步，空间张弦梁由上弦梁、上弦腹杆、三角形撑杆、上斜拉索、水平拉索、下斜拉索构成；两根上弦梁和上弦腹杆形成平面桁架；上斜拉索、水平拉索和三角形撑杆对上弦梁产生向上的预应力效应，形成具有承载正向荷载的张弦梁结构；上斜拉索与三角形撑杆通过上弦梁索杆连接点连接，下斜拉索一端连接在桁架的桁架下弦上，另一端通过张弦梁索杆连接点与三角形撑杆、上斜拉索、水平拉索相连，通过张拉下斜拉索，形成具有承载反向风荷载的张弦梁结构。

6. 根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，空间张弦梁的上斜拉索和上弦梁，通过连接节点与预应力钢桁架的桁架上弦连接，空间张弦梁的下斜拉索与预应力钢桁架1的桁架下弦连接。

本发明还公开了预应力钢桁架与空间张弦梁组合结构施工方法，包括如下步骤：

第一步，完成结构设计。

第二步，确定施工方案，根据施工方案进行施工全过程仿真分析，确定每一步张拉过程中的预应力张拉值。

第三步，对桁架分组，将相邻不少于两榀预应力钢桁架及桁架之间的空间张弦梁作为一组，形成子结构。同一组子结构中的预应力钢桁架同时安装施工。

第四步，对单榀预应力钢桁架分三段进行地面拼装，分段位置设置在下弦索与桁架下弦连接节点的外侧。对桁架中段在地面布置下弦索、撑杆、斜杆；并对下弦索进行初步张拉。

第五步，设置临时支撑胎架、吊装中段；将桁架下弦固定在临时支撑胎架上；吊装预应力钢桁架的两边段，与中段拼接，形成完整单榀预应力桁架，将桁架支座与滑移施工设备连接牢固，初步张拉斜索。

第六步，同一子结构的两榀预应力钢桁架施工完成后，安装两榀预应力钢桁架之间的纵向稳定桁架；将空间张弦梁在地面拼装完成，初步张拉上斜拉索和水平拉索；吊装空间张弦梁，通过连接节点将空间张弦梁与预应力钢桁架的上弦连接；将下斜拉索连接到预应力钢桁架的下弦杆对应位置；张拉下斜拉索，使空间张弦梁达到特定预应力。

第七步，待一组内两榀预应力钢桁架之间的空间张弦梁2施工完毕；对下弦索和拉斜索进行二次张拉；张拉完成后卸载临时支撑胎架，预应力钢桁架与临时支撑胎架脱离。

第八步，将组装完成的一组子结构采用滑移施工方法滑移到特定位置，将桁架支座节点与基础连接固定，对下弦索和拉斜索进行最终张拉，使钢索拉力达到设计值。

第九步，安装各组子结构之间的空间张弦梁，完成主体结构工程施工。

有益效果：

与传统的桁架+檩条的主次结构不同，一种将预应力钢桁架和空间张弦梁进行结合的组合结构体系，将预应力钢桁架和空间张弦两相结合，形成一种相互作用的新型结构体系，提高结构的稳定性和承载能力。预应力钢桁架结构的下弦索、撑杆与桁架共同作用形成张弦桁架，能抵抗竖向荷载作用，斜拉索可抵抗反向风荷载，同时能减少支座的水平力。

空间张弦梁结构布置在两榀钢桁架之间，其传力效果与主檩条相同。由于空间张弦梁结构对平面内荷载和平面外荷载均具有有效的承载能力，同时由于下斜拉索的存在，能有效抵抗反向风吸荷载。采用空间张弦梁代替普通檩条，将传统受弯的檩条改为预应力张弦结构，与普通檩条相比可大幅的增大跨度，使檩条的跨度由5～8m增大到20～40m，减少檩条的用材料用量。由于檩条跨的增大，使相邻两榀钢桁架之间的距离增大，进而减少钢桁架的数量，降低钢桁架的材料用量。空间上弦梁结构的上斜拉索和梁的端部连接在桁架的上弦，下斜拉索与桁架结构的下弦节点连接，使桁架上弦的每一个节点都有一个侧向支点，能提高桁架的整体稳定性。将空间张弦梁和预应力钢桁架进行结合，充分发挥各自结构的优势，可使建筑结构在造型、使用空间、造价、施工难度、制造及运输中达到最优。

对于已运营的燃煤电厂露天煤场、钢铁厂的料场的封闭改造，采用本发明可采用分组滑移的施工方法，工程施工过程中不影响料场设备运行，设备无需改造，工厂无需停工，能降低造价，减少资源浪费。

附图说明

图1为实施例1预应力钢桁架与空间张弦梁组合结构的整体示意图；

图2为实施例1预应力钢桁架与空间张弦梁连接布置整体示意图；

图3为实施例1预应力钢桁架立面图；

图4为实施例1预应力钢桁架轴测示意图；

图5为实施例1空间张弦梁结构示意图；

图6为实施例1预应力钢桁架与空间张弦梁连接放大图；

图7为实施例1预应力钢桁架吊装分段与临时支撑胎架示意图；

图8为实施例1施工过程中作为分片施工的子结构示意图；

图9为实施例2预应力钢桁架与空间张弦梁组合结构的整体示意图；

图10为实施例2预应力钢桁架立面图；

图11为实施例2预应力钢桁架吊装分段示意图；

图中，1-预应力钢桁架；11-桁架上弦；12-桁架下弦；13-撑杆；14-下弦索；15-斜拉索；16-斜撑杆；17-桁架腹杆；18-索撑连接节点；19-桁架索杆连接点；2-空间张弦梁；21-上弦梁； 22-上斜拉索； 23-下斜拉索；24-连接点；25-三角形撑杆；26-水平拉索；27-上弦腹杆；28-张弦梁索杆连接点；3-纵向稳定桁架；4-临时支撑胎架；41-预应力钢桁架吊装中段；42-预应力钢桁架吊装边段；43-桁架分段位置；51-实施例2的预应力钢桁架吊装中段；52-实施例2的预应力钢桁架吊装边段。

具体实施方式

结合超大跨度建筑对本发明对本发明中的技术方案进行描述。

实施例1

如图1至图8所示，实施例1为超大跨度建筑采用空间张弦梁和弧形预应力钢桁架进行结合的组合结构体系，由弧形的预应力钢桁架1、空间张弦梁2，稳定桁架3组成；预应力钢桁架1的桁架四边形为间距36m，共12榀，平行布置，跨度180m，高度8m，宽度6m；在桁架的顶部和两侧设置三道纵向稳定桁架3，未设稳定桁架的位置布置空间张弦梁。

预应力钢桁架1由桁架上弦11、桁架下弦12、桁架腹杆17、撑杆13、下弦索14、斜拉索15、斜撑杆16构成。其中桁架上弦11、桁架下弦12、桁架腹杆17组成四边形的空间相贯焊接桁架结构；撑杆13上端与桁架下弦12铰接连接，撑杆13的两根杆件下端交为一点通过索撑连接节点18与下弦索14连接；对下弦索14施加张拉力，张拉力对桁架产生向上的预拱作用，可以有效抵抗竖向荷载作用；斜撑杆16上端连接在桁架下弦12与撑杆13连接处，下端与下弦索14、撑杆13下端、斜拉索15上端通过桁架索杆连接点19相连；斜拉索15下端连接在桁架下弦，张拉斜拉索15能抵抗反向风荷载作用。

预应力钢桁架1平行布置，两榀预应力钢桁架1之间设稳定桁架3，由于空间张弦梁2的存在，稳定桁架布置梁可以大大减少。

空间上弦梁2结构的上斜拉索22连接在上弦梁21的端部，在地面拼接张拉完成后掉装到预应力钢桁架1的上弦11相应位置；通过连接节点24将上弦梁21与桁架上弦11连接；空间张弦梁2的下斜拉索23与预应力钢桁架1的下弦节点20连接，张拉下斜拉索23；

空间张弦梁2的上弦梁21代替普通钢桁架之间的主檩条，形成主次结构相互作用的组合结构体系。

实施例2

如图9至图10所示，实施例2为超大跨度建筑采用空间张弦梁和方形预应力钢桁架进行结合的组合结构体系，由方形的预应力钢桁架1、空间张弦梁2，稳定桁架3组成；预应力钢桁架1的桁架四边形为间距36m，共12榀，平行布置，跨度180m，高度8m，宽度6m；在桁架的顶部和两侧设置三道纵向稳定桁架3，未设稳定桁架的位置布置空间张弦梁。

本发明的预应力钢桁架与空间张弦梁组合结构施工方法，包括如下步骤：

首先，完成结构设计。

其次，确定施工方案，根据施工方案进行施工全过程仿真分析，确定每一步张拉过程中的预应力张拉值。

接着，对桁架分组，将相邻不少于两榀预应力钢桁架1及桁架之间的空间张弦梁2作为一组，形成子结构。同一组子结构中的预应力钢桁架1同时安装施工。

第四步，对单榀预应力钢桁架1分三段进行地面拼装，分段位置设置在下弦索14与桁架下弦12连接节点的外侧。对桁架中段51在地面布置下弦索14、撑杆13、斜杆16；并对下弦索14进行初步张拉。

第五步，先安装预应力钢桁架1的两边段52，吊装桁架中段51，与边段452拼接，形成完整单榀预应力钢桁架1，将桁架支座与滑移施工设备连接牢固，初步张拉斜索15。

第六步，同一子结构的两榀预应力钢桁架1施工完成后，安装两榀预应力钢桁架1之间的纵向稳定桁架3。将空间张弦梁2在地面拼装完成，初步张拉上斜拉索22和水平拉索26；吊装空间张弦梁2，通过连接节点24将空间张弦梁2与桁架1的上弦连接；将下斜拉索23连接到预应力钢桁架1的下弦杆12对应位置；张拉下斜拉索23，使空间张弦梁2达到特定预应力。

第七步，待一组内两榀预应力钢桁架1之间的空间张弦梁2施工完毕；对下弦索14和拉斜索15进行二次张拉。

第八步，将组装完成的一组子结构采用滑移施工方法滑移到特定位置，将桁架支座节点与基础连接固定，对下弦索14和拉斜索15进行最终张拉，使钢索拉力达到设计值。

最后，安装各组子结构之间的空间张弦梁2，完成主体结构工程施工。

Claims (8)

1. 一种新型预应力工业料场罩棚结构，其特征在于，包括由横向平行布置的多榀预应力钢桁架（1）及纵向布置的多道空间张弦梁（2）组成，所述预应力钢桁架（1）与空间张弦梁（2）相互连接组成整体的一体式结构。

2.根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，预应力钢桁架（1）包括由桁架上弦（11）、桁架下弦（12）、桁架腹杆（17）构成的钢桁架主体结构，桁架上弦（11）、桁架下弦（12）和桁架腹杆（17）相互固定连接，

还包括下弦索（14）、撑杆（13）、斜撑杆（16）、斜拉索（15）， 撑杆（13）与桁架下弦（12）铰接连接，下弦索（14）与撑杆（13）通过索杆连接节点（19）连接；

下弦索（14）的端部与桁架下弦（12）连接，通过张拉下弦索对结构施加预应力，使桁架产生向上的反拱；斜拉索（15）的一端与桁架下弦（12）相连，另一端连接在下弦索（14）、撑杆（13）、斜撑杆（16）的桁架索杆连接点（19）上，通过给斜拉索（15）施加预应力，使结构产生向下的作用。

3. 根据权利要求2所述的组合结构，其特征在于，钢桁架主体结构为四边形桁架或三角形桁架；钢桁架主体结构采用相贯焊接桁架或焊接球桁架。

4.根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，在预应力钢桁架（1）的所形成的弧的最高点、下斜索（14）与预应力钢桁架（1）连接处及接近两端的部位设置纵向稳定桁架（3）。

5.根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，空间张弦梁（2）由上弦梁（21）、上弦腹杆（27）、三角形撑杆（25）、上斜拉索（22）、水平拉索（26）、下斜拉索（23）构成；两根上弦梁（21）和上弦腹杆（27）形成平面桁架；

上斜拉索（22）、水平拉索（26）和三角形撑杆（25）对上弦梁（21）产生向上的预应力效应，形成具有承载正向荷载的张弦梁结构。

6.根据权利要求5所述的组合结构，其特征在于，上斜拉索（22）与三角形撑杆（25）通过上弦梁索杆连接点（28）连接，下斜拉索（23）一端连接在桁架（1）的桁架下弦（12）上，另一端通过张弦梁索杆连接点（28）与三角形撑杆（25）、上斜拉索（22）、水平拉索（26）相连，通过张拉下斜拉索（23），形成具有承载反向风荷载的张弦梁结构。

7. 根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，空间张弦梁（2）的上斜拉索（22）和上弦梁(21)，通过连接节点(24)与预应力钢桁架（1）的桁架上弦（12）连接，空间张弦梁(2)的下斜拉索(23)与预应力钢桁架（1）的桁架下弦(12)连接。

8. 预应力钢桁架与空间张弦梁组合结构施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，完成结构设计；

第二步，确定施工方案，根据施工方案进行施工全过程仿真分析，确定每一步张拉过程中的预应力张拉值；

第三步，对桁架分组，将相邻不少于两榀预应力钢桁架（1）及桁架之间的空间张弦梁（2）作为一组，形成子结构；同一组子结构中的预应力钢桁架（1）同时安装施工；

第四步，对单榀预应力钢桁架（1）分三段进行地面拼装，分段位置设置在下弦索（14）与桁架下弦（12）连接节点的外侧；对桁架中段（41）在地面布置下弦索（14）、撑杆（13）、斜杆（16）；并对下弦索（14）进行初步张拉；

第五步，设置临时支撑胎架（4）、吊装中段（41）；将桁架下弦（12）固定在临时支撑胎架（4）上；吊装预应力钢桁架（1）的两边段（42），与中段（41）拼接，形成完整单榀预应力钢桁架（1），将桁架支座与滑移施工设备连接牢固，初步张拉斜索（15）；

第六步，同一子结构的两榀预应力钢桁架（1）施工完成后，安装两榀预应力桁架（1）之间的纵向稳定桁架（3）；将空间张弦梁（2）在地面拼装完成，初步张拉上斜拉索（22）和水平拉索（26）；吊装空间张弦梁（2），通过连接节点(24)将空间张弦梁（2）与预应力钢桁架（1）的上弦连接；将下斜拉索（23）连接到预应力钢桁架（1）的下弦杆（12）对应位置；张拉下斜拉索（23），使空间张弦梁（2）达到特定预应力；

第七步，待一组内两榀预应力钢桁架（1）之间的空间张弦梁（2）施工完毕；对下弦索（14）和拉斜索（15）进行二次张拉；张拉完成后卸载临时支撑胎架，预应力钢桁架（1）与临时支撑胎架脱离；

第八步，将组装完成的一组子结构采用滑移施工方法滑移到特定位置，将桁架支座节点与基础连接固定，对下弦索（14）和拉斜索（15）进行最终张拉，使钢索拉力达到设计值；

第九步，安装各组子结构之间的空间张弦梁，完成主体结构工程施工。