CN112064893A - 轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于轮辐式索桁架结构的双向索夹，用于连接全张力结构体系的环径向索，整体为矩形板块结构，包括板块本体、索槽、盖板、控力螺栓和径向连接耳板；索槽设于板块本体的上下板面上，环向索设于索槽内，两者延伸方向相同；盖板盖设于索槽之上；控力螺栓竖向设于索槽两侧，贯穿盖板后与索槽两侧的板体固连，通过旋转控制盖板与环向索的摩擦力大小；径向连接耳板竖向设于板块本体靠近径向索的外侧面，其与通过销孔与径向索端部的锚具销轴连接。本发明结构简单，施工方便，通过索夹与索的抗滑移试验，来确定控力螺栓的扭矩，索与索夹之间通过摩擦阻力防止滑移，对环向索施加一定的预张力，确保双向索有效连接、预张力的有效传递、防止连接点的滑移。

Description

轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及轮辐式索桁架节点设计技术领域，具体涉及一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置及其使用方法。

背景技术

轮辐式索桁架是预应力结构体系的一种，其构成机理类似于自行车的车轮，由一个受压外环刚性的结构，通过径向辐射状拉索，连接到受拉的内环上。由于对拉索预先施加拉力与外环结构的压力平衡来共同形成结构刚度，整个结构属于自平衡受力体系，对主体结构只竖向传力为弯矩作用，具有造型轻型、空间跨度大、自重轻和用钢量少等特点。

如何在实现在环向索和径向索连接的同时，实现对环向索施加一定的预张力，使罩棚体系的位态达到设计要求的初始态，确保径向索与环向索有效连接、预张力的有效传递、防止连接点的滑移是施工控制的重点。现有技术中，常规索具重量大，一方面径向索和环向索连接强度不能有效保证，连接点稳固可靠度不够，容易引起滑移，另一方面，没有有效措施保证径向索力能按设计要求的传力角进行有效的传递。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置及其使用方法，设计专门的索夹以解决径向索与环向索的连接问题，实现径向索和环向索的有效连接，确保连接点稳固可靠、防止滑移，同时使径向索力能按设计要求的传力角进行有效的传递。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，用于连接全张力结构体系的环向索和径向索，其特征在于：整体为矩形板块结构，包括板块本体、索槽、盖板、控力螺栓和径向连接耳板；所述索槽设于板块本体的上下板面上，所述环向索设于索槽内，两者延伸方向相同；所述盖板盖设于索槽之上；所述控力螺栓竖向设于索槽两侧，贯穿盖板后与索槽两侧的板体固连，通过旋转控制盖板与环向索的摩擦力大小；所述径向连接耳板竖向设于板块本体靠近径向索的外侧面，其与通过销孔与径向索端部的锚具销轴连接。

作为本发明的优选技术方案，所述板块本体的腰部设有减重结构，包括设于板块本体远离径向索一侧面的减重槽和靠近径向索一侧的减重腔；所述减重槽和减重腔成对对称设置，将板块本体腰部分割形成十字形腹板结构。

进一步优选的，所述板块本体为矩形结构，其沿环形索间隔设置，长度方向与环向索延伸方向垂直。

进一步优选的，所述索槽在板块本体上下板面上的数量相等且位置对应，数量为1～10个。

进一步优选的，所述索槽的数量为四对，上下板面各设置两对，相应的，所述环向索由八根钢索组合形成，分成上下两层，分别嵌设于八个索槽中。

进一步优选的，所述盖板的数量与索槽相同，或者覆盖相邻索槽的若干个盖板组合成为一体；所述盖板设于板块本体的中间位置，宽度为板块本体宽度的1/3～1/2；所述盖板底面与索槽对应的位置开设凹槽，所述凹槽与索槽扣合形成环向索定位槽。

进一步优选的，索槽为下沉槽，在未设置盖板的位置，所述下沉槽的两侧凸起形成条形护翼；所述条形护翼的内侧为曲面，与索槽形成平滑过渡，两者组合形成的环向索定位槽，一侧为半径为a1的小曲率收口弧面，另一侧为半径为a2的大曲率开口弧面，其中a2=（1.5～5）*a1。

进一步优选的，每个索槽两侧的控力螺栓的数量为2～5对；所述索槽两侧的板块本体上开设螺栓盲孔，所述盖板位于索槽两侧的板体上开设螺栓通孔，所述控力螺栓穿过螺栓通孔后进入螺栓盲孔实现固定。

更优选的，所述径向连接耳板垂直环向索设于板块本体的中心面上，其与板块本体为一体成形结构。

此外，本发明还提供上述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：,

步骤一、根据设计提供的结构初始态位形图，建立受力仿真模型；

步骤二、通过受力仿真分析确定环向索和每道径向索的预应力值；

步骤三、通过结构体系受力仿真模拟，分析出整个体系的应力密度，结合每道索的应力值确定径向索的应力值及受力夹角和连接装置的安装位置；

步骤四、索捻制时根据已确定的连接装置安装位置，在索体上做好安装连接装置的位置标记；

步骤五、在环向索上间隔进行连接装置的安装，通过控力螺栓临时固定盖板施加压力，增加索和索槽间摩擦力，防止滑移；

步骤六、环向索整体施工就位；

步骤七、上径向索施工就位，将上径向索端部的锚具与径向连接耳板固连；

步骤八、索系初步提升到一定高度，安装结构体系中其他辅助杆件；

步骤九、下径向索施工就位，将下径向索端部的锚具与径向连接耳板固连；

步骤十、整个索桁架体系开始提升张拉，控制每道索的预张力，实现设计要求的初始位形；

步骤十一、进行后续面板和装饰结构的施工。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、本发明连接装置具有体积大，重量轻、强度高的特点，保证结构受力安全和美观效果。

2、本发明通过索夹连接构件，有效实现每道径向索上的力的有效、精确传递；

3、本发明为国内大体积铸钢件首次采用欧洲标准制作，具有开创性意义。

综上，本发明，通过索夹与索的抗滑移试验，来确定控力螺栓的扭矩，从而实现索与索夹之间通过摩擦阻力防止滑移，在实现环向索和径向索连接的同时，对环向索施加一定的预张力，使罩棚体系的位态达到设计要求的初始态，确保径向索与环向索有效连接、预张力的有效传递、防止连接点的滑移是施工控制。

附图说明

图1为本发明涉及的连接装置的整体结构示意图；

图2为本发明涉及的连接装置的正视图；

图3为本发明涉及的连接装置的俯视图；

图4为本发明涉及的索槽的排布结构示意图；

图5为本发明涉及的索槽的形状示意图；

图6为本发明涉及的盖板的正视图；

图7为本发明涉及的盖板的俯视图；

图8为本发明涉及的连接装置的使用状态示意图。

附图标记：1-环向索、2-径向锁、3-板块本体、4-索槽、5-盖板、6-控力螺栓、7-十字形腹板、8-条形护翼、9-径向连接耳板、10-锚具、11-减重槽、12-减重腔、13-支撑结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例为某市体育中心-体育场索结构专项施工项目，索桁架施工需要在每根拉索和杆件中建立必要的和合理的预应力，结构方可成型且达到与设计相符的初始态，否则不仅结构形状无法控制，而且结构安全性难以保证。本工程不仅在上径向索和下径向索上存在预拉应力，而且在上环索、下环索和桅杆上还存在预应力，显然，对所有的索都主动张拉在本工程中是无法实现的，不仅需要投入大量的设备和人员，工期长，而且增加了节点构造的复杂度。

如图1-3，一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，用于连接全张力结构体系的环向索1和径向索2，其特征在于：整体为矩形板块结构，包括板块本体3、索槽4、盖板5、控力螺栓6和径向连接耳板9。

本实施例中板块本体3整体厚度为600mm，总长度1600mm，宽度为600mm；索槽4设于板块本体3的上下板面上，环向索1设于索槽4内，两者延伸方向相同；盖板5盖设于索槽4之上，盖板5的数量与索槽4相同，或者覆盖相邻索槽4的若干个盖板5组合成为一体；

如图4和图5，索槽4在板块本体3上下板面上的数量相等且位置对应，数量为1～10个，本实施例优选索槽4的数量为四对，上下板面各设置两对，板块本体3两侧个设置一对，最外侧两个索槽4距离边缘的距离为200mm，中间两个索槽4之间间距为750mm，成对的两个索槽4之间距离为250mm。环向索1由八根钢索组合形成，分成上下两层，分别嵌设于八个索槽4中。索槽4为下沉槽，在未设置盖板5的位置，下沉槽的两侧凸起形成条形护翼8，条形护翼8高度为65mm，角部均做半径R5圆角处理；条形护翼8的内侧为曲面，与索槽4形成平滑过渡，两者组合形成的环向索定位槽，一侧为半径为a1的小曲率收口弧面，另一侧为半径为a2的大曲率开口弧面，其中a2=1.5～5*a1；本实施例中，a1为41mm，a2为140mm。

如图6-7，盖板5设于板块本体3的中间位置，宽度为板块本体3宽度的1/3～1/2；盖板5底面与索槽4对应的位置开设凹槽，凹槽与索槽4扣合形成环向索定位槽。控力螺栓6竖向设于索槽4两侧，贯穿盖板5后与索槽两侧的板体固连，通过旋转控制盖板5与环向索1的摩擦力大小；每个索槽4两侧的控力螺栓6的数量为2～5对；索槽4两侧的板块本体3上开设螺栓盲孔，盖板5位于索槽4两侧的板体上开设螺栓通孔，控力螺栓6穿过螺栓通孔后进入螺栓盲孔实现固定；本实施例中盖板5尺寸为230*260*48mm，共设置三对螺栓孔。

径向连接耳板9竖向设于板块本体靠近径向索2的外侧面，其与通过销孔与径向索2端部的锚具10销轴连接。径向连接耳板9垂直环向索1设于板块本体3的中心面上，其与板块本体3为一体成形结构。

板块本体3 为矩形结构，其沿环形索间隔设置，长度方向与环向索1延伸方向垂直。在板块本体3的腰部设有减重结构，包括设于板块本体3远离径向索一侧面的减重槽11和靠近径向索2一侧的减重腔12；减重槽11和减重腔12成对对称设置，将板块本体3腰部分割形成十字形腹板7，两者长度和厚度相等，减重槽11朝外的两个侧面开口，减重腔12只有朝前一侧开口，两者在竖向上高度相同，均为260mm，十字形腹板7结构的两个侧板均竖向设置，板厚为80mm，将板块本体3中间部分分割成4个区域，减重槽11和减重腔12分设于4个区域，十字形腹板之上的顶板和底板厚度分别为105mm；减重槽11和减重腔12拐角位置均作R30的圆角处理。

此外，本发明还提供上述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置的使用方法，图8为本发明涉及的连接装置的使用状态示意图，待环向索1设置完成后，设置盖板5，其底部通过支撑结构13进行支撑，使用时具体包括如下步骤：

步骤一、根据设计提供的结构初始态位形图，建立受力仿真模型；

步骤二、通过受力仿真分析确定环向索1和每道径向索2的预应力值；

步骤三、通过结构体系受力仿真模拟，分析出整个体系的应力密度，结合每道索的应力值确定径向索2的应力值及受力夹角和连接装置的安装位置；

步骤四、索捻制时根据已确定的连接装置安装位置，在索体上做好安装连接装置的位置标记；

步骤五、在环向索1上间隔进行连接装置的安装，通过控力螺栓6临时固定盖板5施加压力，增加索和索槽间摩擦力，防止滑移；

步骤六、环向索1整体施工就位；

步骤七、上径向索施工就位，将上径向索端部的锚具10与径向连接耳板9固连；

步骤八、索系初步提升到一定高度，安装结构体系中其他辅助杆件；

步骤九、下径向索施工就位，将下径向索端部的锚具10与径向连接耳板9固连；

步骤十、整个索桁架体系开始提升张拉，控制每道索的预张力，实现设计要求的初始位形；

步骤十一、进行后续面板和装饰结构的施工。

本发明采取的主要措施是采用被动张拉技术进行索桁架的张拉，即：选择关键的下径向索作为主动张拉索，而其它索和杆均被动张拉。全张力结构不同于普通的预应力钢结构，当所有构件（包括拉索和压杆）的无应力长度一定时，其成型的形状和预应力态也是对应确定的。因此，被动张拉的索杆系只要按照一定的无应力长度组装，而主动张拉索作为输入预应力的端口，通过张拉主动索而在整个结构中建立预定的预应力。选择主动张拉索是关键。本工程索桁架沿径向辐射，为保证结构张拉质量，应选择径向索（上径向索或下径向索）作为主动张拉索。

本发明涉及的预应力钢结构为轮辐式索桁架结构，主结构由刚性内压环柱、上下环索、上径向索、下径向索、交叉索、桅杆和内环桅杆构成，属于预应力自平衡的全张力结构体系。全张力结构体系必须通过张拉，在结构中建立必要的预应力，才具有结构刚度，以承受荷载和维持形状。因此，结构除了构件自身的几何参数和力学特性、构件之间的几何拓扑关系和连接节点之外，预应力也是结构构成的重要内容。索桁架结构中的“力”和“形”是统一的，“力”是在对应的“形”上平衡。因此，拉索施工要对“力”和“形”实行双控，即控制索力和结构形状。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，用于连接全张力结构体系的环向索（1）和径向索（2），其特征在于：整体为矩形板块结构，包括板块本体（3）、索槽（4）、盖板（5）、控力螺栓（6）和径向连接耳板（9）；

所述索槽（4）设于板块本体（3）的上下板面上，所述环向索（1）设于索槽（4）内，两者延伸方向相同；

所述盖板（5）盖设于索槽（4）之上；

所述控力螺栓（6）竖向设于索槽（4）两侧，贯穿盖板（5）后与索槽两侧的板体固连，通过旋转控制盖板（5）与环向索（1）的摩擦力大小；

所述径向连接耳板（9）竖向设于板块本体靠近径向索（2）的外侧面，其与通过销孔与径向索（2）端部的锚具（10）销轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：所述板块本体（3）的腰部设有减重结构，包括设于板块本体（3）远离径向索一侧面的减重槽（11）和靠近径向索（2）一侧的减重腔（12）；所述减重槽（11）和减重腔（12）成对对称设置，将板块本体（3）的腰部分割形成十字形腹板（7）。

3.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：所述板块本体（3）为矩形结构，其沿环形索间隔设置，长度方向与环向索（1）延伸方向垂直。

4.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：所述索槽（4）在板块本体（3）上下板面上的数量相等且位置对应，数量为1～10个。

5.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：所述索槽（4）的数量为四对，上下板面各设置两对，相应的，所述环向索（1）由八根钢索组合形成，分成上下两层，分别嵌设于八个索槽（4）中。

6.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：所述盖板（5）的数量与索槽（4）相同，或者覆盖相邻索槽（4）的若干个盖板（5）组合成为一体；所述盖板（5）设于板块本体（3）的中间位置，宽度为板块本体（3）宽度的1/3～1/2；所述盖板（5）底面与索槽（4）对应的位置开设凹槽，所述凹槽与索槽（4）扣合形成环向索定位槽。

7.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：索槽（4）为下沉槽，在未设置盖板（5）的位置，所述下沉槽的两侧凸起形成条形护翼（8）；所述条形护翼（8）的内侧为曲面，与索槽（4）形成平滑过渡，两者组合形成的环向索定位槽，一侧为半径为a1的小曲率收口弧面，另一侧为半径为a2的大曲率开口弧面，其中a2=（1.5～5）*a1。

8.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：每个索槽（4）两侧的控力螺栓（6）的数量为2～5对；所述索槽（4）两侧的板块本体（3）上开设螺栓盲孔，所述盖板（5）位于索槽（4）两侧的板体上开设螺栓通孔，所述控力螺栓（6）穿过螺栓通孔后进入螺栓盲孔实现固定。

9.根据权利要求1所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置，其特征在于：所述径向连接耳板（9）垂直环向索（1）设于板块本体（3）的中心面上，其与板块本体（3）为一体成形结构。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种轮辐式索桁架结构环向和径向索系连接装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据设计提供的结构初始态位形图，建立受力仿真模型；

步骤二、通过受力仿真分析确定环向索（1）和每道径向索（2）的预应力值；

步骤三、通过结构体系受力仿真模拟，分析出整个体系的应力密度，结合每道索的应力值确定径向索（2）的应力值及受力夹角和连接装置的安装位置；

步骤四、索捻制时根据已确定的连接装置安装位置，在索体上做好安装连接装置的位置标记；

步骤五、在环向索（1）上间隔进行连接装置的安装，通过控力螺栓（6）临时固定盖板（5）施加压力，增加索和索槽间摩擦力，防止滑移；

步骤六、环向索（1）整体施工就位；

步骤七、上径向索施工就位，将上径向索端部的锚具（10）与径向连接耳板（9）固连；

步骤八、索系初步提升到一定高度，安装结构体系中其他辅助杆件；

步骤九、下径向索施工就位，将下径向索端部的锚具（10）与径向连接耳板（9）固连；

步骤十、整个索桁架体系开始提升张拉，控制每道索的预张力，实现设计要求的初始位形；

步骤十一、进行后续面板和装饰结构的施工。

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