CN105888065A - 一种拉梁索杆穹顶结构及其施工方法 - Google Patents

一种拉梁索杆穹顶结构及其施工方法 Download PDF

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CN105888065A CN201610223779.2A CN201610223779A CN105888065A CN 105888065 A CN105888065 A CN 105888065A CN 201610223779 A CN201610223779 A CN 201610223779A CN 105888065 A CN105888065 A CN 105888065A
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Abstract

本发明公开了一种拉梁索杆穹顶结构及其施工方法,穹顶结构包括径向拉梁、环向拉梁、斜索、压杆、环索、外压环和拉梁铰,径向拉梁和环向拉梁构成不同形状大小的三角形单元,所述三角形单元彼此连接并共用一边构成拉梁网格,所述三角形单元连接处向下延伸有压杆,所述斜索连接每相邻两环内侧的压杆下端和与其最近外侧的压杆上端,或最外环所述压杆下端和外压环,所述环索连接同环的压杆下端,所述拉梁铰设于拉梁网格中径向拉梁和环向拉梁的端部或中部,拉梁网格、外压环、压杆和斜索之间彼此铰接,并提供了一种低空组装高空拉张成型的施工方法。本发明提供了一种铺设刚性屋面材料的空间张力结构,采用整体牵引提升的机构扩展方法进行施工。

Description

一种拉梁索杆穹顶结构及其施工方法
技术领域
[0001]本发明公开了一种新型的由拉梁网格、拉索、和外压环铰接构成的张力结构,属于土木工程的空间结构技术领域,具体涉及一种穹顶结构及其施工方法。
背景技术
[0002]索结构作为空间结构的主要结构类型之一,已在国内外建筑结构中得到广泛应用,目前,在工程中常用的索结构形式有张弦梁、弦支穹顶、斜拉网格、索穹顶、索桁架、索网等,其中基于张拉整体思想的索穹顶,以新颖的结构造型、巧妙的构思,一经问世便引起了建筑师和结构工程师的青睐,常规索穹顶是一种由脊索、斜索、环索、压杆和外压环构成的柔性空间张力结构,构形简洁、通透性好、空间跨越能力强、自重轻、净空高、传力途径明确,现已在国内外推广应用,由于建筑和结构的要求,索穹顶构件之间网格尺寸较大,这就要求屋面系统自身具有很好的跨越性能,因此在国外主要采用张拉膜作为索穹顶的屋面材料,张拉膜为柔性材料,具有厚度薄、自重轻、部分透光、负高斯曲面、柔性大等特性,但保温性能和抗环境污染能力较差,价格较贵,单一的屋面材料是限制索穹顶在国内推广应用的因素之一,玻璃面板、彩钢板等传统刚性屋面材料,在国内钢屋盖结构中已有非常广泛的应用,但刚性屋面的跨越能力小,需要增设次结构支承屋面,并将屋面荷载传递至索穹顶主体结构,这对次结构的跨越能力提出了较高的要求,对于常规索穹顶结构,次结构宜搁置在压杆顶端,而不宜搁置在脊索上,否则,不仅构造复杂,而且受拉的脊索仅有轴向刚度,无抗弯刚度,需要较大的索力才能为次结构提供足够的弹性支撑,减小脊索跨中挠度,弦支穹顶结构是一种刚柔相济的杂交结构,其用上部网壳替换了常规索穹顶结构中的脊索网。对比两者,从力学性能上来说,索穹顶为全张力结构,除压杆和外压环受压外其它均为受拉构件,索力需要由外支座或者外环梁来平衡,而弦支穹顶的下部索系的拉力可由上部网壳平衡,为预应力自平衡结构,压杆受压,拉索受拉,网壳因受压弯而存在局部和整体稳定性的问题,从用钢量来说,索穹顶大部分构件受拉,大量采用高强拉索,因此用钢量少,而弦支穹顶存在受压弯的网壳,用钢量相对较大,从施工方法来说弦支穹顶普遍需要搭设大量支架来高空拼装网壳,施工措施费高,高空焊接量大,工期长,从刚性屋面材料铺设难易程度上来说,索穹顶不易铺设刚性屋面材料,而弦支穹顶由于存在上部网壳而易于铺设刚性屋面材料
[0003] 但施工难度大。
发明内容
[0004]发明目的:本发明目的在于针对索穹顶不易铺设刚性屋面材料,而弦支穹顶由于存在上部网壳而易于铺设刚性屋面材料但施工难度大的不足,提供一种拉梁索杆穹顶结构及其施工方法。
[0005]技术方案:本发明的一种拉梁索杆穹顶结构,包括径向拉梁、环向拉梁、斜索、压杆、环索、外压环和拉梁铰,所述径向拉梁和环向拉梁构成不同形状大小的三角形单元,所述三角形单元彼此连接并共用一边构成拉梁网格,所述三角形单元连接处向下延伸有压杆,所述斜索连接每相邻两环内侧的压杆下端和与其最近外侧的压杆上端,所述斜索还连接最外环压杆下端和外压环,所述环索连接同环的压杆下端,所述拉梁铰设于拉梁网格中径向拉梁和环向拉梁的端部或中部,所述拉梁网格、外压环、压杆和斜索之间彼此铰接。
[0006]优选的,所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和内环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0007]或所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和内环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端和中部;
[0008] 或所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和中环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0009] 或所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和中环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端和中部;
[0010] 或所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和内、中环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0011] 或所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和内、中环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端和中部;
[0012]或所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和内、中、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0013]或所述拉梁铰设于各环径向拉梁的两端和内、中、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两〗而和中部;
[0014]或所述拉梁铰设于内、中环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0015] 或所述拉梁铰设于内、中环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端和中部;
[0016]或所述拉梁铰设于中、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0017]或所述拉梁铰设于中、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端和中部;
[0018]或所述拉梁铰设于内、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0019]或所述拉梁铰设于内、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端和中部;
[0020]或所述拉梁铰设于内、中、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端;
[0021]或所述拉梁铰设于内、中、外环径向拉梁的中部及各环环向拉梁的两端和中部。
[0022]进一步的,拉梁索杆穹顶结构的施工方法:高空安装外压环,低空组装包括径向拉梁、环向拉梁、斜索、压杆和环索的提升单元,将所述提升单元提升至高空,再将最外侧径向拉梁与外压环连接,通过张拉在结构中建立预应力,结构成型;
[0023]或低空组装包括径向拉梁、环向拉梁、斜索、压杆、环索和外压环的提升单元,将所述提升单元提升至高空,然后将外压环与周边结构连接,通过张拉在结构中建立预应力,结构成型。
[0024]或在低空组装包括径向拉梁、环向拉梁、斜索、压杆、环索和外压环的提升单元,通过张拉在结构中建立预应力,再将所述提升单元提升至高空与周边结构连接,结构成型。
[0025]进一步的,径向拉梁、斜索和环索中建立预拉应力,压杆和外压环中建立预压应力。
[0026]有益效果:本发明的一种拉梁索杆穹顶结构及其施工方法,兼具常规索穹顶和弦支穹顶的优点,拉梁网格由径向拉梁和环向拉梁构成,相比仅有径向脊索的脊索网格,网格的尺寸更小,另外径向拉梁具有抗弯刚度,便于铺设刚性屋面,挠度小,所需预张力小,通过预应力张拉,在径向拉梁、斜索和环索中均建立预张力,属于全张力结构,受拉弯的拉梁网格稳定性明显优于弦支穹顶中受压弯的网壳,通过在径向拉梁和环向拉梁上合理设置拉梁铰,采用少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法成型,在预应力张拉之前,铰接拉梁网格为机构,有利于预应力张拉导致结构发生大变形时,径向拉梁中内力以轴向拉力为主,而其中少量弯矩仅由径向拉梁自重产生;拉梁索杆穹顶用受拉弯且铰接的拉梁网格替代了常规索穹顶中的仅受拉的柔性脊索网,且增加了环向拉梁,因此,拉梁网格具有抗弯刚度且尺寸较小,而脊索网格无抗弯刚度且尺寸较大,因此拉梁网格相比脊索网格便于铺设刚性屋面,且挠度小,所需预张力小;拉梁索杆穹顶与弦支穹顶在预应力分布上存在较大差异,拉梁索杆穹顶的预应力由外压环平衡,径向拉梁通过张拉也建立了预拉力,通过储备足够的预拉力,在结构使用中径向拉梁为拉弯构件,而弦支穹顶中拉索的预拉力由上部网壳平衡,网壳构件为压弯构件,因此受拉弯的拉梁网格比受压弯的网壳稳定性好;弦支穹顶的刚性网壳一般采用高空原位拼装的施工方法,需要搭设大量的支架,高空焊接量大,施工措施费高,而常规索穹顶由于拉索无抗弯和抗压刚度,在无张力的条件下会形成松垂的机构,从而可采用少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法:在低空组装索杆系,整体呈“ω”形通过牵引提升至高空并展开与周边连接,最后通过张拉形成结构,而拉梁索杆穹顶的拉梁网格具有抗拉和抗弯刚度,在无张力的条件下,机构的径向拉梁网格可由上凸的弧形转变为下凹的松垂“W”形,从而在无张力条件下,铰接成型的拉梁网格也会类似脊索网一样形成松垂的机构,可采用少支架或无支架的整体牵引提升的机构扩展施工方法,形成一种易于在拉梁网格上铺设刚性材料的拉梁索杆穹顶结构。
附图说明
[0027]图1为拉梁铰分布模式一的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0028]图2为拉梁铰分布模式二的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0029]图3为拉梁铰铰分布模式一、二的拉梁索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图;
[0030]图4为拉梁铰铰分布模式三的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0031 ]图5为拉梁铰铰分布模式四的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0032]图6为拉梁铰铰分布模式三、四的拉梁索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图;
[0033]图7为拉梁铰铰分布模式五的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0034]图8为拉梁铰铰分布模式六的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0035]图9为拉梁铰铰分布模式五、六的拉梁索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图;
[0036]图10为拉梁铰铰分布模式七的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0037]图11为拉梁铰铰分布模式八的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0038]图12为拉梁铰铰分布模式七、八的拉梁索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图;
[0039]图13为拉梁铰铰分布模式九的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0040]图14为拉梁铰铰分布模式十的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0041]图15为拉梁铰铰分布模式九、十的拉梁索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图;
[0042]图16为拉梁铰铰分布模式十一的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0043]图17为拉梁铰铰分布模式十二的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0044]图18为拉梁铰铰分布模式十一、十二的拉梁索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图;
[0045]图19为拉梁铰铰分布模式十三的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0046]图20为拉梁铰铰分布模式十四的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0047]图21为拉梁铰铰分布模式十三、十四的拉梁-索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图;
[0048]图22为拉梁铰铰分布模式十五的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0049]图23为拉梁铰铰分布模式十六的拉梁索杆穹顶结构三维图;
[0050]图24为拉梁铰铰分布模式十五、十六的拉梁-索杆穹顶结构整体牵引提升过程示意图。
具体实施方式
[0051]下面对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0052] 实施例
[0053]本发明的一种拉梁索杆穹顶结构,包括径向拉梁1、环向拉梁7、斜索2、压杆5、环索
3、外压环6和拉梁铰4,径向拉梁I和环向拉梁7构成不同形状大小的三角形单元,三角形单元彼此连接并共用一边构成拉梁网格,三角形单元连接处向下延伸有压杆5,特别的,最中心的压杆5也可由内拉环代替,斜索2连接每相邻两环内侧的压杆5下端和与其最近外侧的压杆5上端,或最外环压杆5下端和外压环6,环索3连接同环的压杆5下端,拉梁铰4设于拉梁网格中径向拉梁I和环向拉梁7的端部或中部,拉梁网格、外压环6、压杆5和斜索2之间彼此铰接,其中拉梁铰4可以灵活布置,拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和内环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和内环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部;或拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和中环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和中环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部;或拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和内、中环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和内、中环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部;或拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和内、中、外环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于各环径向拉梁I的两端和内、中、外环径向径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部;或拉梁铰4设于内、中环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于内、中环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部;或拉梁铰4设于中、外环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于中、外环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部;或拉梁铰4设于内、外环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于内、外环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部;或拉梁铰4设于内、中、外环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端;或拉梁铰4设于内、中、外环径向拉梁I的中部及各环环向拉梁7的两端和中部,通过预应力张拉在径向拉梁1、斜索2和环索3中均建立预张力,压杆5中建立预压力,径向拉梁I可采用高强的能受拉弯且能设置铰接节点的的圆管、方管、实心棒材、工字型和H型等构件,本拉梁索杆穹顶结构设计和施工的步骤如下:
[0054] (I)首先确定拉梁索杆穹顶结构的几何拓扑关系,以及支座约束条件;
[0055] (2)进行结构找形和找力分析,初步确定结构位形、预应力以及构件的材质和规格;
[0056] (3)初步设置拉梁网格的拉梁铰4位置;
[0057] (4)进行结构极限承载力分析、正常使用极限状态分析及其它必要分析;
[0058] (5)调整和优化结构参数,包括拉梁铰4的位置,满足结构使用和施工要求;
[0059] (6)高空安装外压环6,低空组装包括径向拉梁1、环向拉梁7、斜索2、压杆5和环索3的提升单元;
[0060] (7)安装牵引提升的设备以及提升工装索9和牵引工装索10,其中牵引提升设备放置在外压环6上,提升工装索9连接中心的内拉环或压杆5,牵引工装索10连接外围的径向拉梁I;
[0061] (8)用提升工装索9提升中心的内拉环或压杆5,用牵引工装索10牵引外围的径向拉梁I,以中心提升为先,以外围牵引为辅,将整体机构呈“W”形牵引提升至高空并展开,将径向拉梁I与外压环6连接就位;
[0062] (9)通过预应力张拉在斜索2、环索3和径向拉梁I中建立预张力,在压杆5中建立预压力,此过程的拉梁网格由下凹的“W”形转为上凸的形,结构刚化成型。

Claims (4)

1.一种拉梁索杆穹顶结构,其特征在于:包括径向拉梁(I)、环向拉梁(7)、斜索(2)、压杆(5)、环索(3)、外压环(6)和拉梁铰(4),所述径向拉梁(I)和环向拉梁(7)构成不同形状大小的三角形单元,所述三角形单元彼此连接并共用一边构成拉梁网格,所述三角形单元连接处向下延伸有压杆(5),所述斜索(2)连接每相邻两环内侧的压杆(5)下端和与其最近外侧的压杆(5)上端,所述斜索(2)还连接最外环压杆(5)下端和外压环(6),所述环索(3)连接同环的压杆(5)下端,所述拉梁铰(4)设于拉梁网格中径向拉梁(I)和环向拉梁(7)的端部或中部,所述拉梁网格、外压环(6)、压杆(5)和斜索(2)之间彼此铰接。
2.根据权利要求1所述的一种拉梁索杆穹顶结构,其特征在于:所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和内环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和内环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部; 或所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和中环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和中环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部; 或所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和内、中环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和内、中环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部; 或所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和内、中、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于各环径向拉梁(I)的两端和内、中、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部; 或所述拉梁铰(4)设于内、中环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于内、中环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部; 或所述拉梁铰(4)设于中、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于中、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部; 或所述拉梁铰(4)设于内、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于内、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部; 或所述拉梁铰(4)设于内、中、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端; 或所述拉梁铰(4)设于内、中、外环径向拉梁(I)的中部及各环环向拉梁(7)的两端和中部。
3.一种拉梁索杆穹顶结构施工方法,其特征在于:高空安装外压环(6),低空组装包括径向拉梁(1)、环向拉梁(7)、斜索(2)、压杆(5)和环索(3)的提升单元,将所述提升单元提升至高空,再将最外侧径向拉梁(I)与外压环(6)连接,通过张拉在结构中建立预应力,结构成型; 或低空组装包括径向拉梁(I)、环向拉梁(7)、斜索(2)、压杆(5)、环索(3)和外压环(6)的提升单元,将所述提升单元提升至高空,然后将外压环(6)与周边结构连接,通过张拉在结构中建立预应力,结构成型; 或低空组装包括径向拉梁(I)、环向拉梁(7)、斜索(2)、压杆(5)、环索(3)和外压环(6)的提升单元,通过张拉在结构中建立预应力,再将所述提升单元提升至高空与周边结构连接,结构成型。
4.根据权利要3所述的一种拉梁索杆穹顶结构施工方法,其特征在于:径向拉梁(1)、斜索(2)和环索(3)中建立预拉应力,压杆(5)和外压环(6)中建立预压应力。
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