CN106919134A - 一种自平衡预应力门式刚架新型结构装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自平衡预应力门式刚架新型结构装置，包括多根刚架梁、分立于所述装置两端的两根刚架柱与基面；其中，所述刚架梁组成Λ型梁顶；刚架柱包括垂直设置于基面之上第一刚架柱与第二刚架柱，所述第一刚架柱与所述第二刚架柱承载所述梁顶；所述装置还包括安装于第一刚架柱与第二刚架柱之间、并平行于基面的上预应力索及下预应力索。本发明可实现结构的自身平衡，减小了结构的受力和变形，大大提高了结构安全性。

Description

一种自平衡预应力门式刚架新型结构装置

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种自平衡预应力门式刚架新型结构装置。

背景技术

门式刚架钢结构是单层工业厂房、民用及仓储房屋中一种常见的结构形式。近些年来，由于我国经济建设的快速发展及生产需要，门式刚架结构以其用钢量低、重量轻、造价低、适用范围广等优点而得到广泛的应用。

门式刚架结构根据使用功能与荷载情况的不同对跨度有不同的需求。对于门式刚架粮库类结构，其不但承受普通门式刚架所要求的荷载，而且还承受粮食堆积水平荷载，粮食堆积水平荷载对刚架柱的侧压力是设计必须考虑的极其重要的因素，同时粮库类结构还有大跨度的需求，这样就必须采用截面尺寸较大的梁柱，门式刚架所具有的用钢量低、重量轻等优势就无法得到较好体现。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种自平衡预应力门式刚架新型结构装置，将预应力索连接于跨度方向的两刚架柱之间，实现结构内力体系的自平衡，有效改善结构的受力性能，减小梁柱截面尺寸，提高结构安全性和经济性。

本发明提供一种自平衡预应力门式刚架新型结构装置，包括多根刚架梁、分立于所述装置两端的两根刚架柱与基面；其中，所述刚架梁组成Λ型梁顶；刚架柱包括垂直设置于基面之上第一刚架柱与第二刚架柱，所述第一刚架柱与所述第二刚架柱承载所述梁顶；所述装置还包括安装于第一刚架柱与第二刚架柱之间、并平行于基面的上预应力索及下预应力索；

所述装置用于散装粮食的仓储，还包括设置于结构内部的采集单元，设置于结构外部的控制单元，设置于结构外部、且处于上预应力索两端及下预应力索两端的张拉单元；其中，采集单元实时采集所述装置内的储粮信息，将该储粮信息发送到控制单元；控制单元将该储粮信息与刚架柱截面面积、结构跨高比结合，计算上预应力索及下预应力索应提供的拉力，进而计算上预应力索及下预应力索的伸缩位移；并根据该伸缩位移信息生成控制指令向张拉单元发送；张拉单元基于所述控制指令从两端同时向上预应力索及下预应力索施力，直到上预应力索及下预应力索的伸缩量等于该伸缩位移。

优选地，上预应力索与下预应力索平行。

优选地，储粮信息包括储粮重力信息及储粮图像信息。

优选地，上预应力索与下预应力索的距离H满足：

其中，SDR为结构跨高比，γ为设计参数。

优选地，所述上预应力索设置于距刚架柱顶端0.5m到1m处。

优选地，所述装置下端布置有预应力索地沟，所述下预应力索设置于该地沟内。

优选地，所述上预应力索与下预应力索的索体均为平行钢丝束。

优选地，所述平行钢丝束包括钢丝束本体、套设在钢丝束本体上的至少一层护套、以及缠绕在钢丝束本体四周的细钢丝或纤维增强聚酯带。

优选地，刚架柱与刚架梁均为实腹式工字型。

优选地，所述采集单元包括：位于所述基面、采集储粮重力信息的压力传感器，及位于所述装置四周及顶部、采集储粮图像信息的图像传感器。

由以上技术方案可知，本发明根据粮库类门式刚架的受力特点，将预应力索连接于跨度方向的两柱之间，实现了结构内力体系的自平衡，有效改善结构的受力性能，减小梁柱截面尺寸，提高结构安全性和经济性。

附图说明

图1是本发明实施例的自平衡预应力门式刚架新型结构装置示意图；

图2是本发明实施例的预应力索智能张拉系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明的发明人考虑到当前储粮类门式刚架结构由于抵抗储粮水平推力，造成用钢量大、建造困难、结构变形大、安全性差等缺点，于是利用预应力索受拉性能好、传力可靠等优点，将预应力索安装在刚架柱之间，得以实现结构的自身平衡，减小了结构受力和变形，大大提高了结构安全性。

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

图1示出了本发明的自平衡预应力门式刚架新型结构装置示意图，参见图1，门式刚架新型结构装置包括处于结构上方的刚架梁3、支撑结构顶部的刚架柱与处于结构下方的基面(图中未示出)。

具体而言，刚架梁3组成Λ型梁顶。刚架柱一般设置为左右两根，分别为左侧的第一刚架柱1与右侧的第二刚架柱2，二者垂直于基面，承载上述梁顶。作为一个优选方案，刚架柱与刚架梁3均为实腹式工字型。当然，刚架柱与刚架梁也可根据具体环境采用其它类型的截面。为了实现结构内力体系的自平衡，抵消粮食堆积水平荷载对刚架柱的侧压力，在第一刚架柱1与第二刚架柱2之间安装与基面平行的上预应力索4。因为梁柱交接节点处施工比较复杂，上预应力索4的锚固节点可放在柱顶往下一定位置，一般距刚架柱顶端0.5m到1m处。

实际应用中，为了进一步改善结构受力性能，减小梁柱截面尺寸，提高结构安全性与经济性，本发明在装置下方的通风地沟内布置下预应力索5，下预应力索5与上预应力索4平行设置。在本发明优选实施例中，上预应力索4与下预应力索5的索体均为平行钢丝束，而平行钢丝束包括钢丝束本体、套设在钢丝束本体上的至少一层护套以及缠绕在钢丝束本体四周的细钢丝或纤维增强聚酯带。

根据工程力学原理，跨高比较小的结构重心较高，此时不宜将上预应力索与下预应力索设置过近，以免影响受力平衡。反之，跨高比较大时，上预应力索与下预应力索的距离应较小。本发明可将上预应力索与下预应力索的距离根据如下公式进行设置，以实现较好的结构自平衡效果：

其中，SDR为结构跨高比，γ为设计参数。

一般地，上述上、下预应力索通过夹片锚具(图中未示出)夹紧，夹片锚具与锚板(图中未示出)固定，而锚板通过高强度螺栓紧密连接于刚架柱。

下面对本发明的自平衡预应力门式刚架新型结构进行力学分析。

当储粮类门式刚架装满规定的储粮或者其它储物时，由于第一刚架柱1和第二刚架柱2都承受储粮的水平推力，大小基本接近，方向相反。根据力学分析可知，基面水平推力与此类似。本发明通过上预应力索4和下预应力索5，可以实现储粮水平外力的自平衡。由于自平衡外力大小基本接近并且方向相反，因而完全抵消了储粮对结构自身的荷载效应和位移。

当储粮类门式刚架一侧装满规定的储粮，而另一侧没有储粮时，传统的门架是通过刚架梁3传递水平荷载。根据力学分析可知，此时水平推力和柱顶位移引起刚架梁3变形过大，并造成梁顶中心节点受力复杂。本新型结构通过上预应力索4和下预应力索5共同作用，将水平推力由单根刚架柱承受荷载，变成了两根刚架柱共同承担水平推力，即减小了50％的结构自身荷载效应和位移效应。

实际应用中，由于门式刚架结构内的粮食仓储情况处于不时变化之中，而上、下预应力索的拉力一般均保持恒定，这样就导致结构的受力自平衡状态易被打破，影响结构的受力性能，进而威胁结构安全。为了解决上述问题，本发明提出如下预应力索智能张拉系统。上述预应力索智能张拉系统参见图2所示。

预应力索智能张拉系统包括采集单元11、控制单元12、张拉单元13及用于将刚架柱与预应力索紧密固定的锁定器(图中未示出)。

具体而言，采集单元11布置在结构内部，其包括位于基面的压力传感器(图中未示出)与位于结构四周及顶部的图像传感器(图中未示出)。压力传感器可实时采集储粮重力信息，图像传感器可采集各个方位的储粮图像信息。采集单元11可将上述储粮重力信息、储粮图像信息以无线方式发送到控制单元12。上述无线通信可采用现有的GPRS、BLE、BLUETOOTH等方式，本发明对其不作详细介绍，以下记载的无线通信均与此类似。

控制单元12设置在结构外部，其接收储粮重力信息、储粮图像信息，根据不同方位的储粮图像信息生成储粮在结构内的三维分布模型，进而得到储粮与刚架柱的接触面积及储粮分布形态。上述三维分布模型可通过三维虚拟制造软件如VERICUT生成。之后，控制单元12根据储粮重力G、储粮与刚架柱的接触面积S₁、储粮分布形态参数K、刚架柱截面积S₂、结构跨高比SDR(Span Depth Ratio)，通过以下公式计算所需的预应力索拉力F，并根据预设算法进一步计算得到预应力索的伸缩位移，并将该伸缩位移信息生成控制指令向张拉单元13无线发送。

其中，a₁、a₂、a₃为系统参数，a₂>1，a₃<1，K为储粮分布形态参数，设置为0-100之间的正整数，用于表示结构内储粮的分布均匀情况，一般地，储粮顶面较为平缓时，K值较小，储粮顶面起伏剧烈时，K值较大。

举例而言，若结构跨高比SDR为12，刚架柱截面积S₂为0.2m²，采集的储粮重力G为100t，计算得到的接触面积S₁为8m²，储粮分布形态参数K为22，a₁、a₂、a₃分别取10、3、0.25，则计算的预应力索拉力F为582.2N，可以此计算预应力索的对应长度，并与现长度作差，得到伸缩位移。

实际应用中，控制单元12可以是PLC结合上位机，也可以是其它具有类似功能的控制系统。

将控制指令发送之后，控制单元12即刻向锁定器发送开启指令，使锁定器开启。

张拉单元13分布在上预应力索4左右两端、以及下预应力索5左右两端。张拉预应力索时，其从两端同时施力以提升张拉效果，保证工程质量。一般地，本发明中的上、下预应力索的拉力及伸缩位移相同。张拉单元13包括驱动器(图中未示出)、电机(图中未示出)、油泵(图中未示出)、千斤顶(图中未示出)及伸缩量传感器(图中未示出)，以上五者中每一的数量均至少为4，驱动器、电机、油泵、千斤顶及伸缩量传感器组成的张拉单元以相同的方式布置于上预应力索4左右两端、下预应力索5左右两端，其中千斤顶紧固夹持预应力索。接收到控制指令后，驱动器启动电机、打开油泵，使液压油输入千斤顶进油口，千斤顶的活塞伸出，向预应力索左右两端同时施力，伸缩量传感器实时采集预应力索的伸缩量向驱动器发送。当伸缩量等于控制指令携带的伸缩位移时，驱动器向控制单元12发送调整完成通知，控制单元12即时向锁定器发送锁定指令，使锁定器关闭，从而使上、下预应力索与刚架柱牢牢紧固，结束调整。较佳地，所述驱动器采用MCU为核心搭建而成。

经过上述设置，本发明实现了预应力索的智能张拉，在无人监管的环境下使预应力索的拉力始终处于最佳值，从而使门式刚架结构装置时刻处于受力平衡状态，大大提高了结构的安全性与使用寿命。

本发明提供的自平衡预应力门式刚架新型结构装置可实现如下技术效果：

1.改变结构的受力状态，满足设计人员所要求的结构刚度、内力分布和位移控制。

2.可构成新的结构体系和结构形态，如索穹顶结构。

3.可作为预制构件装配的手段，从而形成一种新型结构，如弓式预应力钢结构。

4.实现结构内力体系自平衡，有效改善结构的受力性能，减小梁柱截面尺寸，提高结构安全性和经济性，具有极为广阔的应用前景。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自平衡预应力门式刚架新型结构装置，包括多根刚架梁、分立于所述装置两端的两根刚架柱与基面；其中，所述刚架梁组成Λ型梁顶；刚架柱包括垂直设置于基面之上第一刚架柱与第二刚架柱，所述第一刚架柱与所述第二刚架柱承载所述梁顶；其特征在于，所述装置还包括安装于第一刚架柱与第二刚架柱之间、并平行于基面的上预应力索及下预应力索；以及

所述装置用于散装粮食的仓储，还包括设置于装置内部的采集单元，设置于装置外部的所述控制单元，设置于装置外部、且处于上预应力索两端及下预应力索两端的张拉单元。其中，

采集单元实时采集所述装置内的储粮信息，将该储粮信息发送到控制单元；

控制单元将该储粮信息与刚架柱截面面积、结构跨高比结合，计算上预应力索及下预应力索应提供的拉力，进而计算上预应力索及下预应力索的伸缩位移；并根据该伸缩位移信息生成控制指令向张拉单元发送；

张拉单元基于所述控制指令从两端同时向上预应力索及下预应力索施力，直到上预应力索及下预应力索的伸缩量等于该伸缩位移。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上预应力索与下预应力索平行。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，储粮信息包括储粮重力信息及储粮图像信息。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，上预应力索与下预应力索的距离H满足：

$H=\mathrm{\&gamma;}\&times;\frac{1}{SDR}$

其中，SDR为结构跨高比，γ为设计参数。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述上预应力索设置于距刚架柱顶端0.5m到1m处。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置下端布置有地沟，所述下预应力索设置于该地沟内。

7.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述上预应力索与下预应力索的索体均为平行钢丝束。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述平行钢丝束包括钢丝束本体、套设在钢丝束本体上的至少一层护套、以及缠绕在钢丝束本体四周的细钢丝或纤维增强聚酯带。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，刚架柱与刚架梁均为实腹式工字型。

10.如权利要求1-9所述的装置，其特征在于，所述采集单元包括：位于所述基面、采集储粮重力信息的压力传感器，及位于所述装置四周及顶部、采集储粮图像信息的图像传感器。