CN105625623A - 一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚及其工法 - Google Patents

一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚及其工法 Download PDF

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Abstract

一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚及其工法，该圆形罩棚包括棚顶和主体，所述圆形罩棚为近似球缺面，棚顶为索穹顶结构，主体为空间钢桁架结构，索穹顶结构的底端和空间钢桁架结构的顶端固定连接。空间钢桁架结构包括至少一层的纬向曲梁，纬向曲梁为多边形空间钢桁架。空间钢桁架结构包括至少二层的纬向曲梁和径向曲柱，径向曲柱连接各层纬向曲梁，相邻的径向曲柱之间均通过按固定纬度间隔设置的纬向拉杆连接。本发明结合了张拉和刚性结构，将张拉结构向内拉力、空间钢桁架结构向外推力结合起来，实现内外受力自平衡，减小拱型钢结构受力，结构整体稳定性更好，同时降低钢桁架结构下部结构及支座的水平推力，减少后期防腐维护费用施工效率高。

Description

一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚及其工法
技术领域
本发明涉及一种拉索和钢结构组合的新型结构体系，特别是一种索穹顶与空间钢桁架的组合结构及其施工方法。
背景技术
现有的拱型空间钢桁架结构受力清晰，因此被广泛的应用于大跨度厂房、仓库等工业建筑。拱型空间钢桁架结构由于受力的需要，跨度越大，拱高越高，易造成不必要的空间浪费。同时在自重和竖向荷载的作用下，现有的拱型空间钢桁架结构用钢量相对较高，并且在落地支座处产生较大的水平推力，造成上部钢结构及下部结构、支座造价较高，杆件较多也会造成后期防腐维护费用较高。
目前索穹顶结构在国内外已经建成多座。索穹顶结构作为一种柔性的大跨空间结构，它主要由预应力提供刚度。已有的索穹顶结构作为一种张拉结构，为了平衡内部拉力，必须设置专门的约束构件，该约束构件一般是采用受压环梁或环桁架的方式承受内部索穹顶的径向向内拉力，使外围的脊索和斜索外端连接在固定端，与周边的受压环梁组成一个闭合回路。这种受压环梁或环桁架做为约束构件往往自重较大，造成受压环梁或环桁架的用钢量较大，而且受压环梁或环桁架和使用目的仅仅是为了承受索穹顶外部拉力，造成了材料浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚及其工法，要解决现有拱型空间钢桁架结构用钢量较高造价较高，落地支座水平推力较大，杆件维护费较高的技术问题，还要解决现有的索穹顶结构的约束构件自重较大，用钢量较大材料浪费的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，包括棚顶和主体，所述圆形罩棚为近似球缺面，棚顶为索穹顶结构，主体为空间钢桁架结构，索穹顶结构的底端和空间钢桁架结构的顶端固定连接。
所述空间钢桁架结构包括至少一层的纬向曲梁，所述纬向曲梁为多边形空间钢桁架。
所述空间钢桁架结构包括至少二层的纬向曲梁和径向曲柱，所述径向曲柱连接各层纬向曲梁，相邻的径向曲柱之间均通过按固定纬度间隔设置的纬向拉杆连接。
所述纬向曲梁为多边形空间钢桁架，所述径向曲柱为三角形空间钢桁架，所述纬向曲梁的第一上弦杆与径向曲柱的第二上弦杆连接，所述纬向曲梁的第一下弦杆与径向曲柱的第二下弦杆连接。
所述索穹顶结构包括呈阶梯状逐层连接的三层索，由下至上分别为外索、中索和内索，每层索都至少包括径向的脊索、纬向的环索和斜索，相邻两层索之间还连接有竖向的撑杆，所述撑杆的顶端与上一层的脊索和斜索的交点连接，撑杆的底端与下一层的环索和斜索的交点连接，脊索的最外圈脊索和斜索的最外圈斜索连接。
所述外索是由外圈脊索、外圈环索和外圈斜索组成，所述中索是由中圈脊索、中圈环索和中圈斜索，所述内索是由内圈脊索、内圈环索和内圈斜索组成，其中内圈环索为上下双层环索，分别为上层环索和下层环索，内圈脊索连接至上层环索上，内圈斜索连接至下层环索上，外索与中索之间连接有第一撑杆，中索与内索之间连接有第二撑杆，上下双层环索之间连接有第三撑杆。
顶层的纬向曲梁的上弦杆上连接有耳板，最外圈脊索即外圈脊索和最外圈斜索即外圈斜索的外端均通过固定在该耳板上与该纬向曲梁连接。
所述纬向曲梁和径向曲柱通过弦杆间相贯焊接。
一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚的施工方法，施工步骤如下：
步骤一，安装施工的临时支撑胎架；
步骤二，在地面进行第一榀和第二榀的径向曲柱的拼装，通过吊车将两榀径向曲柱的下端与下部的混凝土结构连接，两榀径向曲柱的上端支撑在临时支撑胎架的顶部；
步骤三，在地面进行各层纬向曲梁的拼装，通过吊车将纬向曲梁安装于步骤二中已安装就位的两榀径向曲柱之间，同时在径向曲柱之间连接纬向拉杆；
步骤四，重复步骤二至步骤三，直至将空间钢桁架结构全部安装完毕；
步骤五，将索穹顶结构中的所有索杆在地面整体组装完成；
步骤六，最外圈脊索和最外圈斜索通过耳板与顶层的纬向曲梁相连接；
步骤七，通过提升张拉外圈斜索，将索穹顶结构整体张拉就位；
步骤八，拆除临时支撑胎架，索穹顶结构与空间钢桁架结构组合的圆形罩棚结构施工完成。
所述步骤五中的杆件包括：外圈脊索、外圈环索、外圈斜索、中圈脊索、中圈环索、中圈斜索、内圈脊索、内圈环索、内圈斜索、第一撑杆、第二撑杆和第三撑杆，所述内圈环索为上下双层环索，分别为上层环索和下层环索，上下双层环索之间连接有第三撑杆，上层环索、下层环索和第三撑杆三者组成顶部拉力环结构，所述内圈脊索连接至上层环索上，内圈斜索连接至下层环索上。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明提出了一种新的圆形罩棚结构，结合了张拉结构和刚性结构的优势，将索穹顶结构等张拉结构向内拉力、空间钢桁架结构向外推力结合起来，实现内外受力自平衡，减小拱型钢结构受力，结构整体稳定性更好，同时降低钢桁架结构下部结构及支座的水平推力，减少后期防腐维护费用，施工效率高。
本发明中，空间钢桁架结构产生径向向外的推力作用，索穹顶结构预应力张拉和承载后，径向脊索和斜索产生径向向内的拉力作用。因此，通过索穹顶结构产生径向向内的拉力，平衡空间钢桁架结构产生径向向外的推力，减小空间钢桁架结构受力及对下部结构产生的推力作用，实现降低结构用钢量及下部结构用量。
本发明中，索穹顶结构拱高比现有的拱型空间钢桁架结构拱高小，可以避免造成建筑空间的浪费。同时索穹顶结构杆件数量很少，且钢拉索一般在建筑设计使用年限不需要进行防腐维护，减少后期防腐维护费用。索穹顶结构可采用整体张拉施工，中部无施工脚手架，施工速度快。索穹顶结构上部围护结构采用膜材自重较轻，可实现更大跨度拱型结构，同时可减小拱型空间钢桁架结构产生的水平推力。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是图1的剖视结构示意图。
图3是图1的俯视结构示意图。
图4是索穹顶结构与单层纬向曲梁连接的三维结构示意图。
图5为纬向曲梁的结构示意图。
图6为纬向曲梁和径向曲柱间的空间钢桁架连接结构示意图。
图7为纬向曲梁与索穹顶结构连接的节点结构示意图。
附图标记：1－棚顶、1.1－脊索、1.11－外圈脊索、1.12－中圈脊索、1.13－内圈脊索、1.2－环索、1.21－外圈环索、1.22－中圈环索、1.23－内圈环索、1.23a－上层环索、1.23b－下层环索、1.3－斜索、1.31－外圈斜索、1.32－中圈斜索、1.33－内圈斜索、1.4－撑杆、1.41－第一撑杆、1.42－第二撑杆、1.43－第三撑杆、2－主体、3－纬向曲梁、3.1－第一上弦杆、3.2－第一下弦杆、4－径向曲柱、4.1－第二上弦杆、4.2－第二下弦杆、5－纬向拉杆、6－耳板、7－临时支撑胎架。
具体实施方式
实施例参见图1所示，一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，包括棚顶和主体，所述圆形罩棚为近似球缺面，棚顶1为索穹顶结构，主体2为空间钢桁架结构，索穹顶结构的底端和空间钢桁架结构的顶端固定连接。
参见图1-4所示，该实施例中的空间钢桁架结构包括二层的纬向曲梁3和径向曲柱4，所述径向曲柱4连接各层纬向曲梁3，相邻的径向曲柱4之间均通过按固定纬度间隔设置的纬向拉杆5连接。
参见图5-6所示，所述纬向曲梁3为多边形空间钢桁架，所述径向曲柱4为三角形空间钢桁架，所述纬向曲梁3的第一上弦杆3.1与径向曲柱4的第二上弦杆4.1连接，所述纬向曲梁3的第一下弦杆3.2与径向曲柱4的第二下弦杆4.2连接。纬向曲梁3和径向曲柱4通过弦杆间相贯焊接。
参见图1-4所示，所述索穹顶结构包括呈阶梯状逐层连接的三层索，由下至上分别为外索、中索和内索，每层索都至少包括脊索1.1、环索1.2和斜索1.3，相邻两层索之间还连接有竖向的撑杆1.4，所述撑杆1.4的顶端与上一层的脊索1.1和斜索1.3的交点连接，撑杆1.4的底端与下一层的环索1.2和斜索1.3的交点连接，脊索的最外圈脊索和斜索的最外圈斜索连接。
所述外索是由外圈脊索1.11、外圈环索1.21和外圈斜索1.31组成，所述中索是由中圈脊索1.12、中圈环索1.22和中圈斜索1.32，所述内索是由内圈脊索1.13、内圈环索1.23和内圈斜索1.33组成，其中内圈环索1.23为上下双层环索，分别为上层环索1.23a和下层环索1.23b，内圈脊索1.13连接至上层环索1.23a上，内圈斜索1.33连接至下层环索1.23b上，外索与中索之间连接有第一撑杆1.41，中索与内索之间连接有第二撑杆1.42，上下双层环索之间连接有第三撑杆1.43。
参见图7所示，顶层的纬向曲梁3的上弦杆3.1上连接有耳板6，最外圈脊索即外圈脊索1.11和最外圈斜索即外圈斜索1.31的外端均通过固定在该耳板6上与该纬向曲梁3连接。
参见图1-7所示，这种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚的施工方法，施工步骤如下：
步骤一，安装施工的临时支撑胎架7。
步骤二，在地面进行第一榀和第二榀的径向曲柱4的拼装，通过吊车将两榀径向曲柱4的下端与下部的混凝土结构连接，两榀径向曲柱4的上端支撑在临时支撑胎架7的顶部。
步骤三，在地面进行各层纬向曲梁3的拼装，本实施例为两层纬向曲梁，通过吊车将两层纬向曲梁3均安装于步骤二中已安装就位的两榀径向曲柱4之间，同时在径向曲柱之间连接纬向拉杆5。
步骤四，重复步骤二至步骤三，直至将空间钢桁架结构全部安装完毕。
步骤五，将索穹顶结构中的所有索杆在地面整体组装完成，杆件包括外圈脊索1.11、外圈环索1.21、外圈斜索1.31、中圈脊索1.12、中圈环索1.22、中圈斜索1.32、内圈脊索1.13、内圈环索1.23、内圈斜索1.33、第一撑杆1.41、第二撑杆1.42和第三撑杆1.43，所述内圈环索1.23为上下双层环索，分别为上层环索1.23a和下层环索1.23b，上下双层环索之间连接有第三撑杆1.43，上层环索1.23a、下层环索1.23b和第三撑杆1.43三者组成顶部拉力环结构，所述内圈脊索1.13连接至上层环索1.23a上，内圈斜索1.33连接至下层环索1.23b上。
步骤六，最外圈脊索和最外圈斜索通过耳板6与顶层的纬向曲梁3相连接。
步骤七，通过提升张拉外圈斜索，将索穹顶结构整体张拉就位。
步骤八，拆除临时支撑胎架7，索穹顶结构与空间钢桁架结构组合的圆形罩棚结构施工完成。
本发明包括张拉结构和刚性钢桁架结构，两者通过顶层纬向曲梁做为刚性约束构件进行连接。张拉结构优选为索穹顶结构，也可以为车辐式双层索网结构、悬索结构、单层索网结构等。刚性结构优选为空间钢桁架结构，也可以为钢网架结构或其他钢结构。

Claims (10)

1.一种索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，包括棚顶和主体，其特征在于：所述圆形罩棚为近似球缺面，棚顶（1）为索穹顶结构，主体（2）为空间钢桁架结构，索穹顶结构的底端和空间钢桁架结构的顶端固定连接。
2.根据权利要求1所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，其特征在于：所述空间钢桁架结构包括至少一层的纬向曲梁（3），所述纬向曲梁（3）为多边形空间钢桁架。
3.根据权利要求1所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，其特征在于：所述空间钢桁架结构包括至少二层的纬向曲梁（3）和径向曲柱（4），所述径向曲柱（4）连接各层纬向曲梁（3），相邻的径向曲柱（4）之间均通过按固定纬度间隔设置的纬向拉杆（5）连接。
4.根据权利要求3所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，其特征在于：所述纬向曲梁（3）为多边形空间钢桁架，所述径向曲柱（4）为三角形空间钢桁架，所述纬向曲梁（3）的第一上弦杆（3.1）与径向曲柱（4）的第二上弦杆（4.1）连接，所述纬向曲梁（3）的第一下弦杆（3.2）与径向曲柱（4）的第二下弦杆（4.2）连接。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，其特征在于：所述索穹顶结构包括呈阶梯状逐层连接的三层索，由下至上分别为外索、中索和内索，每层索都至少包括径向的脊索（1.1）、纬向的环索（1.2）和斜索（1.3），相邻两层索之间还连接有竖向的撑杆（1.4），所述撑杆（1.4）的顶端与上一层的脊索（1.1）和斜索（1.3）的交点连接，撑杆（1.4）的底端与下一层的环索（1.2）和斜索（1.3）的交点连接，脊索的最外圈脊索和斜索的最外圈斜索连接。
6.根据权利要求5所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，其特征在于：所述外索是由外圈脊索（1.11）、外圈环索（1.21）和外圈斜索（1.31）组成，所述中索是由中圈脊索（1.12）、中圈环索（1.22）和中圈斜索（1.32），所述内索是由内圈脊索（1.13）、内圈环索（1.23）和内圈斜索（1.33）组成，其中内圈环索（1.23）为上下双层环索，分别为上层环索（1.23a）和下层环索（1.23b），内圈脊索（1.13）连接至上层环索（1.23a）上，内圈斜索（1.33）连接至下层环索（1.23b）上，外索与中索之间连接有第一撑杆（1.41），中索与内索之间连接有第二撑杆（1.42），上下双层环索之间连接有第三撑杆（1.43）。
7.根据权利要求6所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，其特征在于：顶层的纬向曲梁（3）的上弦杆（3.1）上连接有耳板（6），最外圈脊索即外圈脊索（1.11）和最外圈斜索即外圈斜索（1.31）的外端均通过固定在该耳板（6）上与该纬向曲梁（3）连接。
8.根据权利要求3或4所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚，其特征在于：所述纬向曲梁（3）和径向曲柱（4）通过弦杆间相贯焊接。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚的施工方法，其特征在于，施工步骤如下：
步骤一，安装施工的临时支撑胎架（7）；
步骤二，在地面进行第一榀和第二榀的径向曲柱（4）的拼装，通过吊车将两榀径向曲柱（4）的下端与下部的混凝土结构连接，两榀径向曲柱（4）的上端支撑在临时支撑胎架（7）的顶部；
步骤三，在地面进行各层纬向曲梁（3）的拼装，通过吊车将纬向曲梁（3）安装于步骤二中已安装就位的两榀径向曲柱（4）之间，同时在径向曲柱之间连接纬向拉杆（5）；
步骤四，重复步骤二至步骤三，直至将空间钢桁架结构全部安装完毕；
步骤五，将索穹顶结构中的所有索杆在地面整体组装完成；
步骤六，最外圈脊索和最外圈斜索通过耳板（6）与顶层的纬向曲梁（3）相连接；
步骤七，通过提升张拉外圈斜索，将索穹顶结构整体张拉就位；
步骤八，拆除临时支撑胎架（7），索穹顶结构与空间钢桁架结构组合的圆形罩棚结构施工完成。
10.根据权利要求9所述的索穹顶与空间钢桁架组合的圆形罩棚的施工方法，其特征在于，所述步骤五中的杆件包括：外圈脊索（1.11）、外圈环索（1.21）、外圈斜索（1.31）、中圈脊索（1.12）、中圈环索（1.22）、中圈斜索（1.32）、内圈脊索（1.13）、内圈环索（1.23）、内圈斜索（1.33）、第一撑杆（1.41）、第二撑杆（1.42）和第三撑杆（1.43），所述内圈环索（1.23）为上下双层环索，分别为上层环索（1.23a）和下层环索（1.23b），上下双层环索之间连接有第三撑杆（1.43），上层环索（1.23a）、下层环索（1.23b）和第三撑杆（1.43）三者组成顶部拉力环结构，所述内圈脊索（1.13）连接至上层环索（1.23a）上，内圈斜索（1.33）连接至下层环索（1.23b）上。
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