CN111119338A - 一种葵花型多撑杆索穹顶及其安装方法 - Google Patents

一种葵花型多撑杆索穹顶及其安装方法 Download PDF

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张步宽
郭正兴
张培伟
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Abstract

本发明公开了一种葵花型多撑杆索穹顶，该葵花型多撑杆索穹顶包括脊索、斜索、环索、主撑杆、次撑杆。该新型结构是在传统葵花型索穹顶的内部除主撑杆外，在脊索和斜索之间增设次撑杆，次撑杆可有一根或多根，其下端设有调节套筒。同时还提供了该葵花形多撑杆索穹顶的安装方法。与传统葵花型索穹顶相比，本发明多撑杆索穹顶结合了平面索桁架与索穹顶的特点，在不增加环索数量的前提下，能提高结构整体刚度，增大索穹顶的跨越能力，增强脊索和斜索的局部刚度，防止松弛，便于敷设屋面材料；在不降低结构效率的前提下，降低撑杆高度进而增加净空；施工简单方便，适用于超大跨度建筑的屋盖，具有广阔的应用和推广价值。

Description

一种葵花型多撑杆索穹顶及其安装方法
技术领域
本发明属于土木工程的空间结构技术领域，公开了一种新型的全张力结构，具体涉及一种葵花型多撑杆索穹顶及其安装方法。
背景技术
索穹顶是支承于周边受压环梁上的一种索杆全张力结构，其设计思想来源于美国建筑师Fuller提出的“张拉整体”概念。现代体育场馆对大跨度大空间的需求日益增长，人们创造性的提出了大量新型的大跨度预应力空间结构体系，例如张弦梁、弦支穹顶、索网结构等，但是在众多的空间结构体系中，索穹顶是实际工程应用中最接近于“张拉整体”概念的结构，随着索穹顶结构理论研究的深入，在国内体育场馆结构中的应用也日益增加，例如鄂尔多斯市伊金霍洛旗全民健身体育中心体育馆，太原煤炭交易中心、天津理工大学体育馆等。
虽然，现有的索穹顶结构的空间跨越能力已经表现得出类拔萃，但是，需要应对更大跨度时，传统索穹顶也存在某些不足之处：（1）脊索或斜索在较大的屋面荷载作用下容易松弛；（2）跨度进一步增大时需增加环索圈数，否则单根脊索和斜索长度过长，局部刚度降低，影响屋面材料的敷设（3）外圈撑杆较长，占用内部使用空间，易与内部看台或其他构件干涉。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种适用于超大跨度建筑的新型全张力结构体系，相较于传统葵花型索穹顶而言，它能提供更大的整体刚度和局部刚度，有效防止拉索松弛，降低撑杆高度，适用于更大的结构跨度，具有广泛的应用和推广前景。
技术方案如下：
一种葵花型多撑杆索穹顶，包括脊索、斜索、环索、主撑杆、次撑杆；其中，脊索和斜索有多圈，呈葵花型布置，最内圈脊索与中心撑杆铰接，最外圈脊索与边环梁铰接；竖直的主撑杆上端与脊索铰接，下端与斜索一端铰接，斜索另一端与脊索铰接；环索呈环形闭合布置，连接在主撑杆和斜索的节点处；除主撑杆外，在脊索和斜索之间设有次撑杆，次撑杆为一根或多根，上下两端通过索夹与脊索和斜索相连，其下端设有套筒。
进一步地，所述次撑杆设有可调节的套筒，在进行张拉前保持可自由伸缩状态，不参与结构受力。
进一步地，所述主撑杆和次撑杆的长度满足H2﹥(X2)H1/(X1+X2)，与上下弦索组成鱼腹式桁架，其中H1为主撑杆的长度，H2为相邻次撑杆的长度；X1为主撑杆与相邻次撑杆之间的距离，X2为次撑杆与脊索、斜索交点之间的距离。
进一步地，所述脊索、斜索和环索为预应力拉索，主、次撑杆均为无缝圆钢管。
进一步地，所述葵花型多撑杆索穹顶的施工张拉可分为两个阶段施加预应力。首先，在中心搭设临时塔架，安装中心撑杆，脊索一端与内环连接，用提升装置提升各脊索，在提升过程中逐步安装索夹、主撑杆、斜索、环索。脊索提升到位后与外环梁锚固，通过张拉斜索施加第一阶段预应力，在脊索、斜索、环索、主撑杆中建立预应力；随后，高空安装次撑杆上下两端索夹与次撑杆，套筒保持自由伸缩状态，安装完成后采用千斤顶进行顶升施加第二阶段预应力，在脊索、斜索、环索、主撑杆、次撑杆中建立预应力，顶升时可采用临时销轴固定；最后，当结构达到设计预应力后对套筒施焊固定。
有益效果：与现有技术相比，本发明弥补了传统葵花型索穹顶存在的不足，存在以下优点：（1）多撑杆索穹顶在不增加环索数量的前提下，提高结构整体刚度，增大索穹顶的跨越能力；（2）次撑杆的存在可以有效提高径向索的局部刚度，防止拉索松弛，便于敷设屋面材料；（3）多撑杆索穹顶能够显著降低撑杆高度进而增加净空。本发明适用于超大跨度的建筑屋盖，易于施工安装，综合经济效益良好，是一种具有广阔应用前景和推广价值的新型预应力大跨空间结构形式。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的平面布置图；
图3为本发明的剖面图；
图4为本发明的次撑杆构造及顶升施工示意图；
图5为本发明主次撑杆位置与长度关系示意图。
附图标记列表：
1-脊索；2-斜索；3-环索；4-主撑杆；5-次撑杆；6-索夹；7-套筒；8-千斤顶；9-销轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
葵花型多撑杆索穹顶结构设计：
（1）确定葵花型多撑杆索穹顶结构的几何拓扑关系，脊索1、斜索2以及主撑杆4、次撑杆5呈葵花型布置，确定结构的支座约束条件；
（2）确定结构各构件的材料和截面规格；
（3）进行结构找形和找力分析，初步确定结构外形和预应力大小；
（4）进行结构极限承载能力状态和正常使用极限状态设计；
（5）进行必要的结构优化设计。
一种葵花型多撑杆索穹顶，见图1所示，主要包括脊索1、斜索2、环索3、主撑杆4、次撑杆5。该新型结构是在传统葵花型索穹顶的内部除主撑杆4外，在脊索1和斜索2之间增设次撑杆5，次撑杆5设有多根，上下两端通过索夹6与脊索1和斜索2相连，其下端设有套筒7。
脊索1、斜索2、环索3、主撑杆4、次撑杆5各构件之间均为铰接连接。脊索1贯通，脊索1和斜索2呈葵花型布置，最内圈脊索1与中心撑杆（或者钢拉环）铰接，最外圈脊索1与边环梁铰接，环索3为环向布置，主撑杆4、次撑杆5均为竖直状态。
次撑杆5设有可调节的套筒7，在进行张拉前保持可自由伸缩状态，不参与结构受力。
如图5所示，主撑杆4和次撑杆5的长度满足H2﹥(X2)H1/(X1+X2)，与上下弦索组成鱼腹式桁架，其中H1为主撑杆4的长度，H2为相邻次撑杆5的长度；X1为主撑杆4与相邻次撑杆5之间的距离，X2为次撑杆5与脊索1、斜索2交点之间的距离。
脊索1、斜索2和环索3为预应力拉索，主撑杆4、次撑杆5均为无缝圆钢管。
葵花型多撑杆索穹顶的施工张拉分为两个阶段施加预应力。首先，在中心搭设临时塔架，脊索1一端与内环连接，用提升装置提升各脊索1，在提升过程中逐步安装索夹6、主撑杆4、斜索2、环索3。脊索1提升到位后与外环梁锚固，通过张拉斜索施加第一阶段预应力，随后，高空安装索夹6与次撑杆5，套筒7不固定，此时次撑杆5可保持自由伸缩状态，安装完成后采用千斤顶8进行顶升施加第二阶段预应力，顶升时采用临时的销轴9固定，最后，当结构达到设计预应力后对套筒7施焊固定。
边环梁为受压圈梁，可采用刚度较大的混凝土梁亦可采用钢结构圈梁。结构构件装配完毕后，结构仍处于无应力状态，不能承受外荷载，当进行完第一阶段预应力张拉后结构具有一定的刚度，即为传统葵花型索穹顶，但此时脊索1和斜索2之间的次撑杆5未张拉，结构局部刚度不足，容易发生拉索松弛，当施加二阶段预应力后，能够提高结构局部刚度，有限防止拉索松弛，增大结构跨度。
具体的安装方法，包括以下步骤：
（1）采用散拼的方法安装索穹顶，此时可不安装次撑杆5；
（2）对只有主撑杆4的传统葵花型索穹顶斜索2进行第一次张拉；
（3）第一次张拉完成后高空安装次撑杆5，此时次撑杆5的套筒7保持自由伸缩状态；
（4）利用千斤顶8设备配合销轴9对次撑杆5进行顶升施加预应力；
（5）二次预应力施加后对次撑杆5施焊以固定次撑杆5与套筒7。

Claims (6)

1.一种葵花型多撑杆索穹顶，其特征在于，包括脊索（1）、斜索（2）、环索（3）、主撑杆（4）、次撑杆（5）；其中，多圈脊索（1）和斜索（2）呈葵花型布置，最内圈脊索（1）与中心撑杆铰接，最外圈脊索（1）与边环梁铰接，斜索（2）一端与脊索（1）铰接，另一端与环索（3）和主撑杆（4）铰接；竖直的主撑杆（4）上端与脊索（1）铰接，下端与斜索（2）一端铰接，斜索（2）另一端与脊索（1）铰接；环索（3）有多圈，呈环形闭合布置，连接在主撑杆（4）和斜索（2）的节点处；除主撑杆（4）外，在脊索（1）和斜索（2）之间设有次撑杆（5），次撑杆（5）为一根或多根，上下两端通过索夹（6）与脊索（1）和斜索（2）相连，其下端设有套筒（7）。
2.根据权利要求1所述的一种葵花型多撑杆索穹顶，其特征在于：所述次撑杆（5）设有可调节的套筒（7），成形前可自由伸缩状态，不参与结构受力。
3.根据权利要求1所述的一种葵花型多撑杆索穹顶，其特征在于：所述主撑杆（4）长度和次撑杆（5）长度应满足H2﹥(X2)H1/(X1+X2)，即在竖向平面内组成鱼腹型桁架，中心撑杆顶部标高最高，环向同一圈撑杆顶部标高相同，其中H1为主撑杆（4）的长度，H2为相邻次撑杆（5）的长度；X1为主撑杆（4）与相邻次撑杆（5）之间的距离，X2为次撑杆（5）与脊索（1）、斜索（2）交点之间的距离。
4.根据权利要求1所述的一种葵花型多撑杆索穹顶，其特征在于：所述脊索（1）、斜索（2）和环索（3）为预应力拉索。
5.根据权利要求1所述的一种葵花型多撑杆索穹顶，其特征在于：所述主撑杆（4）、次撑杆（5）均为无缝圆钢管。
6.根据权利要求1所述的一种葵花型多撑杆索穹顶，其特征在于：施工张拉可分为两个阶段施加预应力；首先，在中心搭设临时塔架，安装中心撑杆，脊索（1）一端与中心撑杆连接，用提升装置提升各脊索（1），在提升过程中逐步安装索夹（6）、主撑杆（4）、斜索（2）、环索（3）；待脊索（1）提升到位后与外环梁锚固，通过张拉斜索施加第一阶段预应力，在脊索（1）、斜索（2）、环索（3）、主撑杆（4）中建立预应力；随后，高空安装次撑杆（5）上下两端索夹（6）与次撑杆（5），套筒（7）不固定，此时次撑杆（5）保持自由伸缩状态，安装完成后采用千斤顶（8）进行顶升施加第二阶段预应力，在脊索（1）、斜索（2）、环索（3）、主撑杆（4）、次撑杆（5）中建立预应力，顶升时采用临时销轴（9）固定；最后，当结构达到设计预应力后对套筒（7）施焊固定。
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