CN108517965A - 一种交叉布索撑杆式索拱结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交叉布索撑杆式索拱结构，包括钢拱、设在钢拱下方的下部拉索以及设在钢拱和下部拉索之间的若干对撑杆，所述下部拉索由若干段短拉索组成，每段短拉索与钢拱同处于同一平面内，钢拱与下部拉索为圆弧形布置，下部拉索为交叉布置，下部拉索端部与钢拱铰接；在两段下部拉索的交叉点向上与钢拱之间设有一对撑杆，在此对撑杆的两边各等距离布置四对撑杆，撑杆连接钢拱与下部拉索，其连接方式均为铰接。本发明整个结构的承载能力增强，同时刚度得以提高，以及提高结构建筑的净空高度；同时每根拉索可以施加不同预应力，会使结构的受力得到优化并且提高结构的抗倒塌能力，从而提高了结构的安全性。

Description

一种交叉布索撑杆式索拱结构

技术领域

本发明属于建筑结构领域，特别涉及一种交叉布索撑杆式索拱结构。

背景技术

目前土木工程领域大跨度钢结构的应用越来越多。但随着跨度增加自重急剧加大，结构面临使用功能、设计合理性及经济指标相互制约的矛盾。为了满足结构的使用功能同时减少结构自重改善结构的刚度，配有拉索的预应力索拱结构越来越多的应用于大跨度钢结构中。通过预应力拉索与撑杆的布置，大跨度钢结构的承载力与刚度都有了很大的改善。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。索-拱结构是一种由拉索、撑杆和拱体组成的一种杂交结构，组成了更加高效的结构体系，其中拉索为柔性体系，拱体是刚性结构，索-拱结构是利用索的柔性和拱的刚度相结合的一种结构形式，索是一种自重小且抗拉强度大的构件，与拱共同工作，会改变拱的变形性能及受力状况。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种交叉布索撑杆式索拱结构，其不仅力学性能好、结构形式美观且有较大的建筑净空。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种交叉布索撑杆式索拱结构，包括钢拱、设在钢拱下方的下部拉索以及设在钢拱和下部拉索之间的若干对撑杆，所述下部拉索由若干段短拉索组成，每段短拉索与钢拱同处于同一平面内，钢拱与下部拉索为圆弧形布置，下部拉索为交叉布置，下部拉索端部与钢拱铰接；在两段下部拉索的交叉点向上与钢拱之间设有一对撑杆，在此对撑杆的两边各等距离布置四对撑杆，撑杆连接钢拱与下部拉索，其连接方式均为铰接。

每对撑杆呈V形设置，两根撑杆的角度小于60度。

所述的钢拱为实腹式或格构式钢构件；下部拉索为钢丝索、钢绞线或钢拉杆；撑杆为实腹式或格构式钢构件。

所述撑杆与拉索的连接点是等间距布置的，每段下部拉索上的中间一对撑杆的长度为最长，两段下部拉索的交叉点位置为其中一段下部拉索的1/6处。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（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作以钢拱为上弦、拉索为下弦的张弦结构，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。

（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，撑杆的受力较小，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，从而使得建筑结构拥有较大的净空高度以及更加美观。

（4）节点构造简单、易于加工制作。下部拉索和中间的撑杆的连接节点以及与钢拱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。因为下部拉索是由若干索段组成，对每段拉索分批进行张拉，既可以使结构达到最好的力学性能，同时张拉迅速，节省时间。

（6）与现有技术相比，本发明由于采用交叉布索的形式，使得整个结构的整体刚度，尤其是跨中竖向刚度，提高了抗倒塌性能消除了安全隐患。同时，钢拱与下部索通过V形撑杆来连接，形成一个半刚性结构，从而使得结构的承载能力力也大大提高。

附图说明

图1为本发明交叉布索撑杆式索拱结构示意图。

图2为纯拱在常规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。

具体实施方式

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

如图1所示，一种交叉布索撑杆式索拱结构，包括钢拱7、设在钢拱下方的下部拉索以及设在钢拱和下部拉索之间的若干对撑杆，所述下部拉索由若干段短拉索1组成，每段短拉索与钢拱同处于同一平面内，钢拱与下部拉索为圆弧形布置，下部拉索为交叉布置，本实施例中，两条拉索的交点位于第六索段4和第七索段6处，下部拉索端部与钢拱铰接；在两段下部拉索的交叉点向上与钢拱之间设有一对撑杆5，在此对撑杆5的两边各等距离布置四对撑杆，撑杆连接钢拱与下部拉索，其连接方式均为铰接。在拉索张拉后，结构承受荷载后，撑杆承受拉压作用，拉索只承受拉力，钢拱只承受压力以及弯矩。

每对撑杆呈V形设置，两根撑杆的角度小于60度。

所述的钢拱为实腹式或格构式钢构件；下部拉索为钢丝索、钢绞线或钢拉杆；撑杆为实腹式或格构式钢构件。

所述撑杆与拉索的连接点是等间距布置的，每段下部拉索上的中间一对撑杆的长度为最长，撑杆的长度从第一对撑杆2逐渐递增，到第三对撑杆3的长度到达最大，最后递减至第五对撑杆5，两段下部拉索的交叉点位置为其中一段下部拉索的1/6处。

由图2和图3所示，其中，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，且对二者施加的荷载一样。索拱结构的最大正、负弯矩均比纯拱结构有较大幅度降低，一方面原因拉索与撑杆的作用效应。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撑杆均为拉力，也即右半边的撑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。

纯拱结构在半跨荷载作用下的承载能力和刚度比较低，而本发明设计的交叉布索撑杆式索拱结构有效地提高了结构的承载能力及刚度，并且极大地降低了拱体弯矩，降低钢拱的截面，从而降低了用钢量。

Claims (4)

1.一种交叉布索撑杆式索拱结构，包括钢拱、设在钢拱下方的下部拉索以及设在钢拱和下部拉索之间的若干对撑杆，其特征在于：所述下部拉索由若干段短拉索组成，每段短拉索与钢拱同处于同一平面内，钢拱与下部拉索为圆弧形布置，下部拉索为交叉布置，下部拉索端部与钢拱铰接；在两段下部拉索的交叉点向上与钢拱之间设有一对撑杆，在此对撑杆的两边各等距离布置四对撑杆，撑杆连接钢拱与下部拉索，其连接方式均为铰接。

2.根据权利要求1所述的交叉布索撑杆式索拱结构，其特征在于：每对撑杆呈V形设置，两根撑杆的角度小于60度。

3.根据权利要求1所述的交叉布索撑杆式索拱结构，其特征在于：所述的钢拱为实腹式或格构式钢构件；下部拉索为钢丝索、钢绞线或钢拉杆；撑杆为实腹式或格构式钢构件。

4.根据权利要求1所述的交叉布索撑杆式索拱结构，其特征在于：所述撑杆与拉索的连接点是等间距布置的，每段下部拉索上的中间一对撑杆的长度为最长，两段下部拉索的交叉点位置为其中一段下部拉索的1/6处。