CN106978849A - 一种索拱结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种索拱结构，本发明包括钢拱、拉索和腹杆，所述钢拱为中部向上凸起的拱体，腹杆包括一根第一腹杆、两根第二腹杆和偶数根第三腹杆，第一腹杆连接在钢拱的中间位置，两根第二腹杆分处在第一腹杆的两侧，每根第二腹杆的远离第一腹杆的一侧布置有相同数量的第三腹杆，第一腹杆的上端与每根第二腹杆的下端之间各连接有一根中部上斜索，第一腹杆的下端与每根第二腹杆的下端之间各连接有一根中部下斜索，每个第二腹杆的下端和与相邻侧的所有第三腹杆的下端及钢拱的相邻端依次通过边部拉索连接。本发明力学性能好，所需钢材量少，节点构造简单、易于加工制作，施工张拉方便、施工成本低。

Description

一种索拱结构
技术领域
本发明涉及一种建筑结构领域的大跨预应力钢结构体系中的索拱结构。
背景技术
钢拱结构具有良好的力学性能，在桥梁、体育场馆、会展以及交通枢纽等大跨度和超大跨度建筑中得到了广泛的应用，其主要结构形式有实腹式钢拱、格构式钢拱和索拱结构三大类。
由于实腹式钢拱仅由纯拱本身来承担弯矩、轴力等荷载，因此其承载效率并不高，并不适合于跨度较大的情况。相比于实腹式钢拱，格构式钢拱将弯矩转化为弦杆的轴力，具有更大的结构承载效率，但其杆件通常为截面较大的钢管，无法实现轻盈、通透的建筑效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种力学性能好的索拱结构。
本发明包括钢拱、拉索和腹杆，所述钢拱为中部向上凸起的拱体，拉索包括中部上斜索、中部下斜索和边部拉索，腹杆包括一根第一腹杆、两根第二腹杆和偶数根第三腹杆，所述偶数在2-10范围内，所有腹杆的上端均与钢拱连接，所有腹杆均间隔排列，第一腹杆连接在钢拱的中间位置，两根第二腹杆分处在第一腹杆的两侧，每根第二腹杆的远离第一腹杆的一侧布置有相同数量的第三腹杆，第一腹杆的上端与每根第二腹杆的下端之间各连接有一根中部上斜索，第一腹杆的下端与每根第二腹杆的下端之间各连接有一根中部下斜索，每个第二腹杆的下端和与相邻侧的所有第三腹杆的下端及钢拱的相邻端依次通过边部拉索连接，从第一腹杆起往每一侧，腹杆长度逐渐变短，所述的拉索为预加拉力的拉索，所有腹杆与钢拱和拉索的连接均为铰接。
为了进一步提高本索拱结构的力学性能，所述的位于每个第三腹杆两侧的两段边部拉索的夹角均小于180度，所述的中部下斜索和第一腹杆的夹角小于90度。
为了便于取材，所述的钢拱为实腹式或格构式钢构件；拉索为钢丝索、钢绞线或钢拉杆；第一腹杆和第二腹杆为实腹式或格构式钢构件，第三腹杆为钢管、钢丝索、钢绞线或钢拉杆。
本发明的有益效果：
（1）力学性能好：
拉索施加预拉力后，具有一定的结构刚度并且能够承担一定的压力，因此该索拱结构可看做以钢拱为上弦、拉索为下弦的桁架，由于施加预拉力后的拉索既能承拉也能承压，可将荷载作用下整体结构的弯矩转化为钢拱和拉索的轴力，与纯拱结构相比，该索拱结构可大大降低钢拱的弯矩，而由此对上部钢拱压力增大的幅度并不大，从而大大降低钢拱的应力，提高整体结构的刚度和稳定性。以上原理可称之为索拱结构的桁架效应，该索拱结构的钢拱的中部、第一腹杆、第二腹杆、中部上斜索和中部下斜索一同在结构中部构成四个稳定的几何不变三角形，除了增强结构中部的桁架效应之外，该部分将两侧的边部拉索和第三腹杆连接起来，使之互相牵制，协同受力，从而使得该索拱结构边部的桁架效应也明显增强，有效降低钢拱应力。另外，中部上斜索、中部下斜索的端部与边部拉索的端部相连，该中部索、杆布置形式的另一个原因和突出优点在于：施工张拉过程中仅需要张拉边部拉索即可对中部上斜索和中部下斜索施加预拉力，方便施工张拉。
（2）由于结构的力学性能好，较小的钢拱截面即可满足受力要求，拉索的强度很高，所需截面较小，腹杆的受力较小，也仅需较小截面，因此结构整体用钢量低；另一方面，边部拉索的拉力能够减小结构对下部支承向外的水平支座反力，所以该结构下部支承和基础的造价较低。
（3）较小的构件截面可以实现轻巧、明快、简洁的建筑效果，截面较小的索、杆也可增加建筑的结构美和力度美。
（4）节点构造简单、易于加工制作。边部拉索和边部腹杆的连接节点以及中部腹杆和中部下斜索的连接节点可采用目前广泛应用的张弦梁的索杆连接节点构造，其余节点所连构件也较少，易于加工制作。
（5）施工张拉方便、施工成本低。除最外侧两根第三腹杆外侧的两段边部拉索外，其余段的拉索均按照设计长度进行安装固定，施工张拉时只需张拉上述两端最外侧的两段边部拉索即可。
附图说明
图1 是本发明结构示意图；
图2为纯拱在常规恒荷载和左半跨活荷载共同作用下的钢拱弯矩值图；
图3为本发明在常规恒荷载和左半跨活荷载共同作用下的钢拱弯矩值图；
图2和图3中以右半跨纯拱的负弯矩最大值为基准值，索拱和纯拱的最大正、负弯矩与该基准值的比值标于相应位置。
图2所用的纯拱与图3所用的索拱结构中的钢拱完全一致，对二者的荷载相同。
图中：1、边部拉索，2、钢拱，3、中部下斜索，4、第一腹杆，5、中部上斜索，6、第二腹杆，7、第三腹杆。
具体实施方式
如图1所示的一种具体实施例，它包括钢拱2、拉索和腹杆，钢拱2为中部向上凸起的拱体，可以是圆弧形或其他向上形成波峰的曲线；拉索包括中部上斜索5、中部下斜索3和边部拉索1，腹杆包括一根第一腹杆4、两根第二腹杆6和４根第三腹杆7，所有腹杆的上端均与钢拱2连接，所有腹杆均间隔排列，第一腹杆4连接在钢拱2的中间位置，两根第二腹杆6分处在第一腹杆4的两侧，每根第二腹杆6的远离第一腹杆4的一侧布置有相同数量的第三腹杆7，第一腹杆4的上端与每根第二腹杆6的下端之间各连接有一根中部上斜索5，第一腹杆4的下端与每根第二腹杆6的下端之间各连接有一根中部下斜索3，每个第二腹杆6的下端和与相邻侧的所有第三腹杆7的下端及钢拱2的相邻端依次通过边部拉索1连接，从第一腹杆4起往每一侧，腹杆长度逐渐变短，所述的拉索为预加拉力的拉索，所有腹杆与钢拱2和拉索的连接均为铰接。
位于每个第三腹杆7两侧的两段边部拉索4的夹角均小于180度，所述的中部下斜索3和第一腹杆4的夹角小于90度。钢拱2为实腹式或格构式钢构件；拉索为钢丝索、钢绞线或钢拉杆；第一腹杆4和第二腹杆6为实腹式或格构式钢构件，第三腹杆7为钢管、钢丝索、钢绞线或钢拉杆，在前述特别角度的限定下，第三腹杆7只承受拉力。
研究表明，拱结构在半跨荷载下的刚度和稳定性较低，含有半跨荷载的组合对拱结构的设计往往起控制作用，且弯矩引起的应力比轴力引起的应力大很多，也即弯矩占主导地位。
由图2和图3可以得出，索拱结构的最大正、负弯矩均比纯拱结构有较大幅度降低，一方面原因即在于上述索拱结构的桁架效应。另一方面，索拱和纯拱的最大弯矩均发生于没有活荷载的右半跨，在左半跨活荷载作用下，结构左半部分产生下凹变形和正弯矩（下部纤维受拉、上部纤维受压），右半部分产生上凸变形和负弯矩（下部纤维受压、上部纤维受拉），由于任意相邻两段边部拉索的夹角均小于180度，因此在拉索预应力作用下边部腹杆均为拉力，也即右半边的边部腹杆使得右半边钢拱产生下凹变形和正弯矩，部分抵消荷载造成的上凸变形和负弯矩。

Claims (3)

1.一种索拱结构,包括钢拱、拉索和腹杆，其特征在于：所述钢拱为中部向上凸起的拱体，拉索包括中部上斜索、中部下斜索和边部拉索，腹杆包括一根第一腹杆、两根第二腹杆和偶数根第三腹杆，所述偶数在2-10范围内，所有腹杆的上端均与钢拱连接，所有腹杆均间隔排列，第一腹杆连接在钢拱的中间位置，两根第二腹杆分处在第一腹杆的两侧，每根第二腹杆的远离第一腹杆的一侧布置有相同数量的第三腹杆，第一腹杆的上端与每根第二腹杆的下端之间各连接有一根中部上斜索，第一腹杆的下端与每根第二腹杆的下端之间各连接有一根中部下斜索，每个第二腹杆的下端和与相邻侧的所有第三腹杆的下端及钢拱的相邻端依次通过边部拉索连接，从第一腹杆起往每一侧，腹杆长度逐渐变短，所述的拉索为预加拉力的拉索，所有腹杆与钢拱和拉索的连接均为铰接。
2.根据权利要求1所述的索拱结构,其特征在于：所述的位于每个第三腹杆两侧的两段边部拉索的夹角均小于180度，所述的中部下斜索和第一腹杆的夹角小于90度。
3.根据权利要求1或2所述的索拱结构,其特征在于：所述的钢拱为实腹式或格构式钢构件；拉索为钢丝索、钢绞线或钢拉杆；第一腹杆和第二腹杆为实腹式或格构式钢构件，第三腹杆为钢管、钢丝索、钢绞线或钢拉杆。
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