CN111088867A - 一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，该结构体系分为上部结构与下部结构两部分，其中上部结构由预应力脊杆、高性能钢节点及预应力连接节点组成，下部结构由斜索、环索、环向撑杆及中心压杆组成。与传统葵花型索穹顶结构相比，预应力脊杆的引入使该新型结构体系具备一定初始形态，因此该结构整体刚度、稳定性、承载能力及抗震性能均得到明显提高，同时避免了传统索穹顶结构中脊索松弛现象的发生而且能够满足刚性屋面与柔性屋面的铺设要求。预应力连接节点的应用使该新型结构体系能够实现上部结构与下部结构同时满足整体装配、整体张拉的施工要求，大大降低了施工难度、提高了施工速度，因此该新型结构体系具有广泛的应用前景与推广价值。

Description

一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系
技术领域
本发明公开了一种装配式预应力空间结构，特别是一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，属于土木工程的空间结构技术领域。
背景技术
大跨度空间结构是衡量一个国家经济实力与建筑行业发展水平的重要标志。近年来随着我国经济发展水平的提高，人们对大跨度空间结构的发展提出更多新要求：跨度更大、结构自重更轻、施工速度更快及造价更加经济成为当前大跨度空间结构发展的新目标。为了满足以上需求预应力空间结构如：预应力网壳结构、张弦结构、弦支穹顶结构、索穹顶结构、索网结构等结构形式被逐渐提出并应用于工程实践。以上预应力空间结构在施工过程中受当前施工技术制约普遍存在以下问题：1)施工多为现场焊接，受天气影响显著且对环境污染大，2)施工过程中需借助大量脚手架、工装索等辅助安装设备，造成施工复杂，施工难度增加，3)施工周期长，需大量人力、物力及财力。以上问题与我国建筑行业绿色化、工业化、信息化的发展理念不相符，因此为了顺应当前建筑行业发展趋势大力发展装配式空间结构成为必然。当前针对以上传统预应力空间结构提出与之对应的满足装配化施工要求的结构形式是解决以上问题的最有效方法。
在众多预应力空间结构中索穹顶结构因其自重轻、跨度大、结构受力合理被广泛应用。但传统索穹顶结构存在不可避免的缺点如：1)当外荷载作用较大时，上部最内圈脊索易发生松弛退出工作进而造成结构整体位移增大导致结构安全性降低，2)索穹顶结构整体刚度低且结构平面一般为中心对称，因此结构对偏心荷载影响较敏感、稳定性差，此外屋面材质一般为轻质膜材刚性屋面应用较少，3)斜索、脊索等预应力拉索数量多，施工复杂、施工难度大，4)针对用刚性脊杆代替柔性脊索的新型索穹顶结构其刚性脊杆施工方式多为现场焊接，因此无法满足空间结构装配式发展要求。针对索穹顶结构所存问题结合当前建筑行业装配化发展趋势提出一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系及预应力连接节点来解决以上问题。大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构作为一种大跨度装配式预应力空间结构在我国研究尚属起步阶段，因此具有一定的研究价值，同样也是当前我国发展装配式预应力空间结构急需解决的一个关键问题。
发明内容
本发明的技术目的在于为了解决传统索穹顶结构所存以上问题，同时解决用刚性脊杆代替柔性脊索后所得新型索穹顶结构中，其上、下部结构能够实现整体装配、整体张拉的施工要求，提出一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，该结构体系分为上部结构与下部结构两部分，其中上部结构由预应力脊杆(1)、高性能钢节点(5)及预应力连接节点(6)组成；下部结构由斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及中心压杆(7)组成；高性能钢节点(5)用于连接相邻各圈预应力脊杆(1)，各高性能钢节点(5)的形式由结构拓扑形式确定的相邻各圈预应力脊杆(1)数量决定，并由高性能钢材构成的无缝圆钢管焊接而成；预应力连接节点(6)由开孔十字节点及开孔角钢节点组成，其中开孔十字节点与高性能钢节点(5)焊接，开孔角钢节点与刚性脊杆通过预应力筋连接，开孔十字节点与开孔角钢节点通过高强螺栓连接以满足装配化施工要求；
该结构体系的径向圈数由结构拓扑形式确定其中与边环梁铰接的预应力脊杆(1)为最外圈与中心压杆(7)连接的预应力脊杆(1)为最内圈(第一圈)，预应力脊杆(1)取代传统索穹顶结构中的脊索作为受拉构件与高性能钢节点(5)通过预应力连接节点(6)连接。中心压杆(7)垂直地面布置与最内圈的高性能钢节点(5)连接，环向撑杆(4)的上端点与高性能钢节点(5)连接，环向撑杆(4)的下端点与相邻环向撑杆(4)的下端点、环索(3)及斜索(2)的下端点相连接，环向撑杆(4)呈倒“V”字型布置于高性能钢节点(5)与环索(3)之间且其水平投影与环索(3)重合，斜索(2)用于连接相邻各圈的高性能钢节点(5)、环索(3)及环向撑杆(4)或中心压杆(7)的下端点，环索(3)连接各圈环向撑杆(4)及斜索(2)的下端点且在各圈环向闭合布置。
所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，由预应力脊杆(1)代替传统索穹顶结构中的脊索作为受拉构件，预应力脊杆(1)由外部无缝圆钢管及内部预应力筋两部分通过预应力连接节点(6)连接构成，预应力脊杆(1)的特殊构造决定了其力学性能满足在受拉状态下由内部预应力筋承拉，在受压状态下由外部无缝圆钢管承压的受力特点，因此其作用相当于位移型阻尼器能够大大提高该结构体系的耗能能力及抗震性能。
所述的上部结构中预应力脊杆(1)与高性能钢节点(5)之间通过预应力连接节点(6)装配连接，下部结构中斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)同样能够实现装配连接。因此在施工现场配合工装索的使用、分步提升能够实现该结构体系上、下部结构整体装配、整体张拉的施工要求。
所述的斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及高性能钢节点(5)之间的连接均为铰接，预应力脊杆(1)与高性能钢节点(5)之间通过预应力连接节点(6)采用高强螺栓连接，最外圈预应力脊杆(1)、斜索(2)与边环梁之间采用铰接连接。
所述的环向撑杆(4)与中心压杆(7)均采用无缝圆钢管，环向撑杆(4)在同圈环向呈倒“V”字型首尾连续布置且其水平投影与环索(3)重合，中心压杆(7)垂直地面布置且中心压杆(7)标高最高，同圈环向撑杆(4)顶部标高相同沿径向逐圈递减。
所述的斜索(2)和环索(3)均为预应力拉索，其材料选用钢绞线或钢丝绳等，预应力拉索的索头采用能够调节索长的索头连接。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：(1)当预应力脊杆替换柔性脊索后，在外荷载作用下可避免传统索穹顶结构中脊索松弛现象的发生，因此大大降低了结构的整体变形提高了结构的安全性。预应力脊杆的特殊构造决定了其作用类似于位移型阻尼器，因此该结构体系在满足承载力要求的前提下其耗能能力及抗震性能均得到显著提高。
(2)预应力连接节点的应用成功解决了上部结构中预应力脊杆之间的装配施工问题，使该结构体系能够实现其上、下部结构同时满足整体装配、整体张拉的施工要求，大大提高了施工速度、降低了施工难度与施工成本实现了预应力空间结构装配化发展目的。
(3)预应力脊杆的应用使该结构体系具备一定初始形态，因此降低了该结构体系的找形难度，在一定程度上解决了传统索穹顶结构的找形问题。该结构体系的整体刚度、稳定性、承载能力较传统索穹顶结构均有较大提高同时还能实现结构体系大跨度发展要求。
(4)大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构新体系继承了传统索穹顶结构与弦支穹顶结构的优点，同时弥补了二者不足。预应力脊杆与连接节点的提出使该结构体系易于安装与张拉，同时能够满足柔性屋面与刚性屋面的安装要求。该结构体系作为一种全新的大跨度装配式预应力空间结构进一步丰富了空间结构类型，推动了空间结构的发展。
附图说明
图1为大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构立体轴测图。
图2为预应力脊杆构造示意图。
图3为某圈高性能钢节点布置示意图。
图4为预应力连接节点立体轴测图。
图5为开孔角钢节点与刚性脊杆连接布置示意图。
图6为开孔十字节点与高性能钢节点连接布置示意图。
图7为下层支撑体系轴测图。
图8为下层环向撑杆、环索及斜索连接构造示意图。
其中：1-预应力脊杆、2-斜索、3-环索、4-环向撑杆、5-高性能钢节点、6-预应力连接节点、7-中心压杆。
具体实施方式
下面结合图1-图8说明该大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系的具体实施方式，该结构体系的设计与装配施工步骤如下：
1)结构设计步骤：
(1)根据结构设计要求确定该结构体系的几何拓扑形式、边环梁构造形式及相应支座约束条件；
(2)根据结构设计荷载要求确定预应力脊杆、环向撑杆、中心压杆、环索及斜索的初步设计尺寸；
(3)根据该结构体系的设计几何拓扑形式进行该结构体系的找形与找力分析，确定施工态的初始几何形态与满足该结构体系的施工方法；
(4)对该结构体系进行正常使用极限状态、承载能力极限状态及其他相关极限状态下的结构力学性能分析；
(5)在以上分析的基础上进行该结构体系的优化设计，确定满足结构使用要求的最优构件设计尺寸。
2)装配施工过程：
一种大跨度装配式预应力脊杆环撑所穹顶结构体系，因预应力连接节点的应用使其能够实现该新型结构体系的上、下部结构整体装配、整体张拉的施工要求，因此其构件设计加工与装配施工分为工厂内构件加工和施工现场装配施工两步进行。
工厂内构件加工：根据结构设计荷载及该结构体系的几何拓扑形式，首先确定各圈高性能钢节点(5)的构造形式及尺寸并在工厂内加工成型，其次根据结构找形与找力分析结果确定各圈预应力脊杆(1)、斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及中心压杆(7)在零应力状态下的截面尺寸及下料长度并在工厂加工，最后按照预应力脊杆(1)的构造要求在工厂内组装成型，同时由零应力状态下斜索(2)、环索(3)的下料长度选择相配套的可调节长度的索头及锚具。
施工现场装配工作：
S1.定位中心压杆(7)的位置，采用铰接连接方式建立中心压杆(7)与最内圈(第一圈)高性能钢节点(5)的连接；
S2.根据结构几何拓扑形式确定第二圈高性能钢节点(5)的几何形状与位置并采用预应力连接节点(6)建立最内圈高性能钢节点(5)与预应力脊杆(1)及第二圈高性能钢节点(5)之间的连接；
S3.用斜索(2)建立第二圈高性能钢节点(5)与中心压杆(7)之间的铰接连接；
S4.根据第一圈环向撑杆(4)的布置形式建立第一圈环向撑杆与第一圈环索(3)及高性能钢节点(5)之间的铰接连接，其中环向撑杆(4)呈倒“V”字形布置于高性能刚节点(5)与环索(3)之间；
S5.以第一圈各构件之间的连接方式为参考，采用同样的连接方式并根据结构几何拓扑形式逐圈建立各圈不同构件之间的连接直至结构最终成型；
S6.在装配施工过程中配合工装索的使用，每完成一圈安装分步提升各圈高性能钢节点到设计标高；
S7.待装配完成最外圈预应力脊杆(1)并提升到设计标高后建立该结构体系与边环梁之间的铰接连接；
S8.待该结构体系整体装配完成后，通过张拉最外圈斜索的方式对整个结构体系施加预应力使其由机构变为结构体系达到设计目的。由以上设计与施工步骤可知该结构体系能够实现工厂加工，施工现场其上部结构与下部结构同时满足整体装配、整体张拉的施工要求。
需要特殊说明的是，本发明技术方案提及的高性能、高强度等指的是在大于一般施工规范的性能、强度。

Claims (7)

1.一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：该结构体系分为上部结构与下部结构两部分，其中上部结构由预应力脊杆(1)、高性能钢节点(5)及预应力连接节点(6)组成；下部结构由斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及中心压杆(7)组成；高性能钢节点(5)用于连接相邻各圈预应力脊杆(1)，各高性能钢节点(5)的形式由结构拓扑形式确定的相邻各圈预应力脊杆(1)数量决定，并由高性能钢材构成的无缝圆钢管焊接而成；预应力连接节点(6)由开孔十字节点及开孔角钢节点组成，其中开孔十字节点与高性能钢节点(5)焊接，开孔角钢节点与刚性脊杆通过预应力筋连接，开孔十字节点与开孔角钢节点通过高强螺栓连接以满足装配化施工要求；
该结构体系的径向圈数由结构拓扑形式确定其中与边环梁铰接的预应力脊杆(1)为最外圈与中心压杆(7)连接的预应力脊杆(1)为最内圈(第一圈)，预应力脊杆(1)作为受拉构件与高性能钢节点(5)通过预应力连接节点(6)连接；中心压杆(7)垂直地面布置与最内圈的高性能钢节点(5)连接，环向撑杆(4)的上端点与高性能钢节点(5)连接，环向撑杆(4)的下端点与相邻环向撑杆(4)的下端点、环索(3)及斜索(2)的下端点相连接，环向撑杆(4)呈倒“V”字型布置于高性能钢节点(5)与环索(3)之间且其水平投影与环索(3)重合，斜索(2)用于连接相邻各圈的高性能钢节点(5)、环索(3)及环向撑杆(4)或中心压杆(7)的下端点，环索(3)连接各圈环向撑杆(4)及斜索(2)的下端点且在各圈环向闭合布置。
2.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：由预应力脊杆(1)代替传统索穹顶结构中的脊索作为受拉构件，预应力脊杆(1)由外部无缝圆钢管及内部预应力筋两部分通过预应力连接节点(6)连接构成。
3.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的上部结构中预应力脊杆(1)与高性能钢节点(5)之间通过预应力连接节点(6)装配连接，下部结构中斜索(2)、环索(3)及环向撑杆(4)同样能够实现装配连接，在施工现场配合工装索的使用、分步提升能够实现该新型结构体系上、下部结构同时满足整体装配、整体张拉的施工要求。
4.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及高性能钢节点(5)之间的连接均为铰接，预应力脊杆(1)与高性能钢节点(5)之间通过预应力连接节点(6)采用高强螺栓连接，最外圈预应力脊杆(1)、斜索(2)与边环梁之间采用铰接连接。
5.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的环向撑杆(4)与中心压杆(7)均采用无缝圆钢管，环向撑杆(4)在同圈环向呈倒“V”字型首尾连续布置且其水平投影与环索(3)重合，中心压杆(7)垂直地面布置且中心压杆(7)标高最高，同圈环向撑杆(4)顶部标高相同沿径向逐圈递减。
6.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的斜索(2)和环索(3)均为预应力拉索，其材料选用钢绞线或钢丝绳，拉索索头选用可调节长度的索头。
7.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：
该结构体系的构件加工与装配施工可分为工厂内构件加工与施工现场装配施工；工厂内构件加工：根据结构设计荷载及该结构体系的几何拓扑形式，首先确定各圈高性能钢节点(5)的构造形式及尺寸并在工厂内加工成型，其次根据结构找形与找力分析结果确定各圈预应力脊杆(1)、斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及中心压杆(7)在零应力状态下的截面尺寸及下料长度并在工厂加工，最后按照预应力脊杆(1)的构造要求在工厂内组装成型，同时由零应力状态下斜索(2)、环索(3)的下料长度选择相配套的可调节长度的索头及锚具；
施工现场装配工作：
S1.定位中心压杆(7)的位置，采用铰接连接方式建立中心压杆(7)与最内圈(第一圈)高性能钢节点(5)的连接；
S2.根据结构几何拓扑形式确定第二圈高性能钢节点(5)的几何形状与位置并采用预应力连接节点(6)建立最内圈高性能钢节点(5)与预应力脊杆(1)及第二圈高性能钢节点(5)之间的连接；
S3.用斜索(2)建立第一圈高性能钢节点(5)与中心压杆(7)之间的铰接连接；
S4.根据第一圈环向撑杆(4)的布置形式建立第一圈环向撑杆与第一圈环索(3)及高性能钢节点(5)之间的铰接连接，其中环向撑杆(4)呈倒“V”字形布置于高性能刚节点(5)与环索(3)之间；
S5.以第一圈各构件之间的连接方式为参考，采用同样的连接方式并根据结构几何拓扑形式逐圈建立各圈不同构件之间的连接直至结构最终成型；
S6.在装配施工过程中配合工装索的使用，每完成一圈安装分步提升各圈高性能钢节点到设计标高；
S7.待装配完成最外圈预应力脊杆(1)并提升到设计标高后建立该结构体系与边环梁之间的铰接连接；
S8.待该结构体系整体装配完成后，通过张拉最外圈斜索的方式对整个结构体系施加预应力使其由机构变为结构体系达到设计目的；由以上构件加工与施工步骤可知该结构体系能够实现工厂加工，施工现场其上部结构与下部结构同时满足整体装配、整体张拉的施工要求。
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