CN110886532A - 大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系，属于大跨度空间结构领域，特别适用于料场封闭等建筑。这种新型双向拱桁架索膜料场封闭结构主要由与凹形次桁架相连的拱形山墙、中间三心圆式拱桁架、外部索膜围护结构组成。该结构结合料场封闭建筑的使用特点，利用张拉膜结构起到建筑围护的作用，可大大降低钢的用量，有效降低工程造价，提升结构的经济性，缓解大跨度料场封闭建筑建设面临的建设成本压力，具有广泛的应用前景。本发明中的大跨度双向拱桁架索膜结构体系具有结构形式新颖、结构受力合理、抗倒塌能力强、建筑造型美观等优点，而且便于制作和安装，具有较强的实际意义。

Description

大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系

技术领域

本发明专利涉及大跨度索膜屋盖结构领域，具体涉及一种大跨度双向拱架(主拱架采用三心圆式)索膜结构料场封闭体系，属于国际专利分类E04B技术领域。

背景技术

由于各物料所需堆积面积大、传输取料机器占用空间大，且无任何经济效益，所以早期物料大多为露天堆放，但露天堆放会产生扬尘污染。根据研究表明，扬尘污染不仅会造成大量的物料流失和巨大的经济损失，而且会对环境产生巨大的影响。以煤炭为例，装卸1吨煤炭会产生煤粉尘3.5～6.0公斤，每堆存1吨煤每年会产生煤粉尘1.5～2.0公斤。如果煤炭露天存放，受风吹雨淋等自然因素的影响，其损耗量也会占到总煤量的0.5％。所以近年来，随着国家经济的不断发展，为减少物料流失的经济损失和尽量避免环境污染，国家环保政策明确要求“大型煤堆、料堆要实现封闭储存或建设防风抑尘设施”。应国家对料场进行全封闭的要求，大跨度封闭料场建筑开始兴起，料场封闭建筑是对煤料场与矿料场的封闭建筑的统称，主要特点是单体建筑面积大，结构跨度大，净空足够斗轮机放置，且在运行料场进行封闭建设时，必须保证堆场能正常使用。

现有料场封闭建筑多采用网架、网壳、预应力索拱作为承重构件，压型钢板作为围护结构，也有部分煤场采用充气膜结构。随着料场需求空间的增大，封闭建筑的跨度不断增大，结构的用钢量也显著增大，结构单位面积的用钢量直接影响工程建设的总投资。目前料场封闭结构主要采用大跨度钢结构表面覆盖彩色压型钢板的形式，承重主要采用网架、网壳、拱形结构、预应力索拱、张弦结构等，主结构的间距受制于檩条的经济间距。由此可知，采用现有的结构体系且在现有的建造水平下很难降低工程建设总费用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于120m～200m跨度的大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系。该结构受力系统包含弯曲形次桁架和与其连在一起的拱形山墙、中间三心圆式拱桁架、具有围护功能的索膜结构。结合料场封闭建筑的使用特点，利用整体性结构稳定性能更佳和索膜围护结构的经济性能好的特点，研发大跨度双向拱架索膜料场封闭结构体系，该新型料场封闭结构形式可有效降低工程造价，提升结构的经济性，缓解大跨度料场封闭建筑建设面临的建设成本压力，具有广泛的应用前景。

本发明的主体结构部分采用的是三心圆式钢管拱桁架，上下弦均由三段圆弧拼接而成，且杆件间为刚接，表现为拱结构受力模式，可以在弥补桁架结构变形能力差，承载力有限缺点的同时增强结构整体受力性能，腹杆两端均为铰接，表现为桁架结构受力模式，可以在弥补拱结构次应力大的同时增强结构的协调性：钢管拱桁架兼具拱结构和桁架结构良好的受力性能，尽可能把结构所受外部荷载转换为杆件的轴向力，受力更为合理，可以更好地实现“大跨度”；山墙采用的是拱形桁架，与主体结构次桁架相连，构成纵向拱桁架，增强结构纵向刚度，可以更好地体现“双向拱桁架”；三心圆式结构不仅可以在尽可能减小跨度的情况下增大边缘的净空高度以满足设备的运行要求，而且能够将结构所受的荷载尽可能以竖向力的方式传递给支座，减小支座处的水平推力以提高基础的经济性，可以更好地实现“大空间”；外部围护结构选取的是双曲率索膜结构，由于正曲率索直接与基础相接，本身可以分担部分荷载，减轻主体结构的压力，也可以避免主体结构间距受檩条经济间距的制约，提升结构的经济性，同时由于膜材料的重量只是传统建材的1/30，可以实现建筑结构轻量化，也不会产生次生灾害，亟待解决的膜结构的积水问题，可以由主结构的凹形次桁架通过改变膜结构的正负曲率来避免。

该发明专利的目的是通过以下技术方案实现的：

大跨度双向拱架索膜料场封闭结构体系，主要由与凹形次桁架相接的拱形桁架山墙3、三心圆式拱桁架2和索膜围护结构1组成，拱形山墙3承受纵向风荷载，三心圆式拱桁架2 主要承受横向水平荷载及竖向荷载，索膜围护结构1承受屋面竖向荷载和起到围护覆盖的作用。

拱形桁架山墙3采用的是同主结构相同的结构形式——拱桁架结构，上下弦均为弧形，杆件间为刚接，弦杆为拱受力模式，腹杆为两端铰接，为桁架受力模式。此山墙在刚性设计中融入了“柔性”的因素，采用圆弧形的曲面设计，有效的降低结构风阻力，减弱风荷载对主体结构的作用效果，改变传统设计中的直立山墙直接承受风荷载“以刚制刚”的理念。

所述的三心圆式拱桁架2由端部拱桁架6、中部拱桁架5和次桁架4构成，其构造特点可概括如下：1)端部拱桁架6的整体形状为圆弧线，圆心在一品桁架中两个下弦接地点的连线上；2)中部拱桁架5的整体形状为上凸圆弧曲线，与端部拱桁架6的区别在于曲率大小的不同，端部拱桁架6的曲率更大，端部拱桁架6的一侧端部和中部拱桁架5端部相连；3)次桁架4分为直线形次桁架(上下弦均为直线形，各弦杆间均为刚接，腹杆则为两端铰接的形式)和凹形次桁架(本专利特色，上下弦为凹形弧线，各弦杆间为刚接，腹杆为两端铰接，主要是为了解决膜结构易积水的问题)两种，直线形次桁架位于结构的顶部，凹形次桁架位于结构两侧，均为正立三角形，位于主桁架之间。

索膜围护结构1由纵向拉索7、横向拉索8和膜面9构成，纵向拉索与膜面连接在一起，位于膜面内侧，横向拉索压于膜面外侧，形成双曲率膜结构，纵向拉索为负曲率，横向拉索为正曲率，有效的排出降雨，防止膜面积水。

针对结构各构件的选材如下：除索膜外其他结构均采用Q345B钢材，膜结构膜布根据建筑功能、膜结构所处环境和使用年限、膜结构承受的荷载以及建筑物防火要求可以分为E、P 和G三类膜，由于E类膜承载强度低，G类膜造价高，综合考虑承载强度及造价后膜布采用 P类膜最佳，索则根据结构分析后的内力结果选择相应合适的型号。对于膜结构的正负曲率则是根据排水性能以及结构的跨度来确定。

本发明中涉及的大跨度双向拱架索膜料场封闭结构体系具有结构形式新颖、受力合理、具备更多的荷载传递路径、用钢量少、建筑造型美观等优点，而且便于制作和安装，具有较强的实际意义。

附图说明

图1大跨度双向拱桁架索膜结构料场封闭体系轴测图

图2中间三心圆式拱桁架轴侧图

图3中间三心圆式拱桁架剖面图

图4凹形次桁架细节图

图5顶部主拱桁架段支撑在第二临时支撑上的正面结构示意图

图6近支座区和顶部区划分示意图

图中：1-索膜围护结构；2-三心圆式拱桁架；3-拱形山墙；4-次桁架；5-中部拱桁架；6- 端部拱桁架；7-纵向拉索；8-横向拉索；9-膜面；10-提升装置；10.1-上连接梁；10.2-下连接梁；10.3-竖向拉杆；11-第一临时支撑；12-第二临时支撑；13-近支座区；14-顶部区。

具体实施方式

大跨度双向拱桁架索膜结构料场封闭结构体系实施时包括以下步骤：

步骤一，建立双向拱桁架索膜结构的计算模型，进行结构分析，以确定预应力索的张拉应力，用于双向拱桁架索膜结构预应力索的张拉。

步骤二，将整个拱形空间结构划分成两个近支座区13和一个顶部区14：将近支座区主拱桁架段2.2以及连接在近支座区主拱桁架段1.2之间的次桁架4划分在近支座区13，将顶部区主拱桁架段2.1以及连接在顶部区主拱桁架段2.1之间的次桁架4划分在顶部区14。

步骤三，施工近支座区的第一临时支撑：该第一临时支撑设置在待安装的近支座区主拱桁架段的下方，并且使第一临时支撑的顶部与近支座区主拱桁架段对应位置处的底面平齐，用以支撑近支座区主拱桁架段。

步骤四，施工近支座区主拱桁架段和顶部区的次桁架；对近支座区主拱桁架段进行吊装，并将近支座区主拱桁架段对应设置在第一临时支撑上，将近支座区的次桁架对应连接在相邻近支座区主拱桁架段之间。

步骤五，施工顶部区的第二临时支撑：该第二临时支撑设置在待安装的顶部区主拱桁架段的下方，并且使第二临时支撑的顶部与顶部区主拱桁架段的底面之间设有间距。

步骤六，在第二临时支撑上拼装顶部区主拱桁架段和顶部区的次桁架。

步骤七，根据步骤一中得出的预应力索的张拉应力进行预应力索的张拉，并调节预应力索中的应力值至计算张拉应力值，通过预应力索的张拉使膜达到预定形状，以增加膜的坡度，增强其排水功能。

步骤八，在顶部区主拱桁架段的两端分别连接提升装置，同时拆除顶部区的第二临时支撑，并用提升装置对顶部区主拱桁架进行提升，就位后再与近支座区主拱桁架段进行连接，并拆除近支座区主拱桁架段底部的第一临时支撑及提升装置。

中间三心圆式拱桁架结构(2)的所有构件应在工厂加工，保证下料精度和焊缝质量。构件运到施工现场，建议采取地面分块拼装，分块吊装、拼接的方式，尽量减少高空操作。

围护结构支承索系由下部拉索(7)、上部拉索(8)组成。下部拉索(7)、上部拉索(8)均需在工厂预制，再运到现场安装。

施加预应力。建议首先将所有拉索依次张拉至目标索力的15％进行初步张紧。然后，将所有拉索依次张拉至目标索力的35％。然后，张拉到目标索力的75％，最后超张拉到目标索力的105％以抵消预应力损失。

Claims (5)

1.大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系，其特征在于：该体系由拱形山墙(3)、三心圆式拱桁架(2)和索膜围护结构(1)组成，拱形山墙(3)设置在三心圆式拱桁架(2)的两侧，索膜(1)铺附在三心圆式拱桁架(2)上；拱形山墙(3)承受纵向风荷载，三心圆式拱桁架(2)承受横向水平风荷载及竖向荷载，索膜(1)承受屋面竖向荷载和起到围护覆盖的作用。

2.根据权利要求1所述的大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系，其特征在于：拱形山墙(3)采用圆弧形的曲面设计，同主结构相同的结构形式——拱桁架结构，上下弦均为弧形，杆件间为刚接，弦杆为拱受力模式，腹杆为两端铰接，为桁架受力模式；此山墙在刚性设计中融入了“柔性”的因素，采用圆弧形的曲面设计。

3.根据权利要求1所述的大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系，其特征在于：所述的三心圆式拱桁架由端部拱桁架(6)、中部拱桁架(5)和次桁架(4)构成，端部拱桁架(6)的整体形状为圆弧线，圆心在一品桁架中两个下弦接地点的连线上；中部拱桁架(5)的整体形状为上凸圆弧曲线，与端部拱桁架(6)的区别在于曲率大小的不同，端部拱桁架(6)的曲率更大，端部拱桁架(6)的一侧端部和中部拱桁架(5)端部相连；次桁架(4)分为直线形次桁架和凹形次桁架两种，直线形次桁架位于结构的顶部，凹形次桁架位于结构两侧，均为正立三角形，位于主桁架之间。

4.根据权利要求1所述的大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系，其特征在于：索膜围护结构(1)由纵向拉索(7)、横向拉索(8)和膜面(9)构成，纵向拉索与膜面连接在一起，位于膜面内侧；横向拉索压于膜面外侧，形成双曲率膜结构，纵向拉索为负曲率，横向拉索为正曲率。

5.根据权利要求3所述的大跨度双向拱桁架索膜料场封闭结构体系，其特征在于：实施时包括以下步骤：

步骤一，建立双向拱桁架索膜结构的计算模型，进行结构分析，以确定预应力索的张拉应力，用于双向拱桁架索膜结构预应力索的张拉；

步骤二，将整个拱形空间结构划分成两个近支座区(13)和一个顶部区(14)：将近支座区主拱桁架段(2.2)以及连接在近支座区主拱桁架段(1.2)之间的次桁架(4)划分在近支座区(13)，将顶部区主拱桁架段(2.1)以及连接在顶部区主拱桁架段(2.1)之间的次桁架(4)划分在顶部区(14)；

步骤三，施工近支座区的第一临时支撑：该第一临时支撑设置在待安装的近支座区主拱桁架段的下方，并且使第一临时支撑的顶部与近支座区主拱桁架段对应位置处的底面平齐，用以支撑近支座区主拱桁架段；

步骤四，施工近支座区主拱桁架段和顶部区的次桁架；对近支座区主拱桁架段进行吊装，并将近支座区主拱桁架段对应设置在第一临时支撑上，将近支座区的次桁架对应连接在相邻近支座区主拱桁架段之间；

步骤五，施工顶部区的第二临时支撑：该第二临时支撑设置在待安装的顶部区主拱桁架段的下方，并且使第二临时支撑的顶部与顶部区主拱桁架段的底面之间设有间距；

步骤六，在第二临时支撑上拼装顶部区主拱桁架段和顶部区的次桁架；

步骤七，根据步骤一中得出的预应力索的张拉应力进行预应力索的张拉，并调节

预应力索中的应力值至计算张拉应力值，通过预应力索的张拉使膜达到预定形状，以增加膜的坡度，增强其排水功能；

步骤八，在顶部区主拱桁架段的两端分别连接提升装置，同时拆除顶部区的第二临时支撑，并用提升装置对顶部区主拱桁架进行提升，就位后再与近支座区主拱桁架段进行连接，并拆除近支座区主拱桁架段底部的第一临时支撑及提升装置；

中间三心圆式拱桁架结构(2)的所有构件在工厂加工，保证下料精度和焊缝质量；构件运到施工现场，采取地面分块拼装，分块吊装、拼接的方式，减少高空操作；

围护结构支承索系由下部拉索(7)、上部拉索(8)组成；下部拉索(7)、上部拉索(8)均需在工厂预制，再运到现场安装；

施加预应力；首先将所有拉索依次张拉至目标索力的15％进行初步张紧；然后，将所有拉索依次张拉至目标索力的35％；然后，张拉到目标索力的75％，最后超张拉到目标索力的105％以抵消预应力损失。

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