CN112982793B - 一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，包括桁架、弧形拉索和竖向支撑，其特征在于：桁架为拱桥形立体桁架，拱桥形立体桁架包括上弦杆、拱形下弦杆和桁架腹杆；弧形拉索分为第一弧形拉索和第二弧形拉索；竖向支撑采用V形支撑和U形支撑；第一弧形拉索和第二弧形拉索接触区域采用V型支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接,第一弧形拉索和第二弧形拉索分离区域采用U形支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接；第一弧形拉索、第二弧形拉索的端部通过耳板、销轴与桁架上的节点板连接，耳板通过索头与拉索连接，所述节点板与桁架采用插入式焊接。

Description

一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架
技术领域
本发明涉及结构工程钢结构技术领域，特别涉及一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架。
背景技术
随着经济的高速发展，大跨度空间结构的大量兴建，建筑物朝着体型复杂、功能多样的综合性方向发展。大跨度结构屋面甚至不满足于仅仅是轻质屋面，同时考虑绿色建筑屋顶绿化的要求，大跨度结构屋面结构也需要承载较大的荷载，形成了重型屋面，然而运用传统的钢桁架、网架结构需要的用钢量显著增加，从而增加建造成本，且无法满足建筑美学效果。在大跨结构中采用常规的纯钢结构桁架、网架钢材用量非常大，结构成本极高，且杆件较多，不做建筑吊顶很难达到建筑师及人们对美的追求。如何通过结构手段减小钢材用量，充分发挥结构杆件的受力，成就建筑之美，展现结构之妙，同时又能保证可承受较大的荷载，增加延性和稳定性，提高安全储备，是工程中需要解决的问题。
发明内容
针对大跨度屋面结构需要承载较大的荷载，然而运用传统的钢桁架、网架结构需要的用钢量显著增加，结构成本极高，且无法满足建筑美学效果的问题，本发明提出了一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架；拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法；拓扑优化最初始的一步也是最重要的一步就是找到高效的拓扑形态，我们从传统力学的弯矩图和剪力图上下手，让传力路径更明确，让结构更高效；大跨度屋面结构典型的特点就是跨中区主要承担弯矩，支座区域主要承担剪力，我们将超大跨重载预应力空间桁架的形态设计成与弯矩图很接近，形成高效的拓扑形态，保证在正常使用状态下，桁架的上弦、拱形下弦、竖向支撑在屋面荷载作用下承受压力，支座斜腹杆承受较大剪力，拉索承受拉力，让桁架和弧形拉索协调作用，让整个结构非常高效。
本发明提出了一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架；减少了大跨度屋盖的厚度，把桁架与拉索巧妙的组合在一起，并充分发挥桁架和拉索在大跨结构中各自的优势，用较小的钢材量，实现了用桁架部分承受较大的剪力、轴压力，用拉索部分承担较大的轴拉力，充分利用了桁架和拉索的受力特点和优点，降低了成本，成就建筑之美，展现结构之妙，加快施了工进度，取得了经济效益，又提高了延性和稳定性，提高了结构的可靠性。
一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，包括桁架、弧形拉索、竖向支撑，其特征在于：桁架为拱桥形立体桁架，拱桥形立体桁架包括上弦杆、拱形下弦杆和桁架腹杆；弧形拉索分为第一弧形拉索和第二弧形拉索；竖向支撑采用V形支撑和U形支撑；第一弧形拉索和第二弧形拉索接触区域采用V型支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接,第一弧形拉索和第二弧形拉索分离区域采用U形支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接。
所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，桁架的上弦、拱形下弦、竖向支撑承受压力，支座桁架弦杆和斜腹杆承受剪力，拉索的布置近似桁架正向弯矩包络线，承受拉力。
进一步的，第一弧形拉索、第二弧形拉索的端部通过耳板、销轴与拱形下弦杆拱形段端点的的节点板连接，耳板通过索头与拉索连接，所述节点板与桁架采用插入式焊接。
进一步的，所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架与下部混凝土结构通过4个支座连接，支座采用万向铰支座。
进一步的，所述V型支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接节点的上耳板与桁架上的拱形下弦杆通过焊接连接，所述上耳板与下耳板通过销轴连接。所述U形支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接节点的上耳板与桁架上的拱形下弦杆通过焊接连接，所述上耳板与下耳板通过销轴连接。
进一步的，所述上弦杆截面为方钢管截面，所述拱形下弦杆截面为圆钢管截面，所述桁架腹杆截面为圆钢管截面；所述弧形拉索为高钒镀层拉索，所述竖向支撑采用圆钢管截面，所述桁架及竖向支撑材质均为Q355B，拉索钢丝材料为1670级，所述上弦杆、拱形下弦杆与桁架腹杆均通过相贯焊接连接。
有益效果
（1）所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，在正常使用状态下，桁架的上弦、拱形下弦、竖向支撑在屋面荷载作用下承受压力，支座斜腹杆承受较大剪力，拉索承受拉力，充分发挥了桁架和拉索的受力特点和优点，用较小的钢材量，实现了用桁架部分承受较大的剪力、轴压力，用拉索部分承担较大的轴拉力，有效的减小结构截面，降低成本，成就了建筑之美，展现结构之妙，同时可加快施了工进度，实现了经济性、结构安全性和建筑美学的高度统一。
（2）所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架不仅满足了建筑外形要求，还提高了整个结构的安全性和可靠性。
（3）提供标准构造形式，方便工程技术人员使用。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性具体实施方式进一步说明：
图1为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架的整体三维图；
图2为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架的正视图；
图3为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架中立体桁架三维图；
图4为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架中拉索俯视图；
图5 为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架组成屋面图；
图6为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架中桁架与斜拉索端节点立面图一；
图7为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架中桁架与斜拉索端节点立面图二；
图8为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架中桁架与竖向支撑铰接节点立面图一；
图9为本发明的基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架中桁架与竖向支撑铰接节点立面图二；
附图标记：1基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架；2拱桥形立体桁架；3弧形拉索； 31第一弧形拉索；32第二弧形拉索；4V形支撑；5U形支撑； 6支座；7节点板连接；8铰接连接；9上弦杆；91第一上弦杆；92第二上弦杆；10拱形下弦杆；11桁架腹杆；12次梁；13节点板； 14索头；15耳板；16弧形下弦端杆；17销轴；18索夹螺栓；19索夹盖板。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进一步说明。
具体实施方式1
所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架包括桁架、弧形拉索、竖向支撑。所述桁架为拱桥形立体桁架，所述桁架由上弦杆、拱形下弦杆、桁架腹杆构成；所述弧形拉索分为第一弧形拉索和第二弧形拉索；所述竖向支撑采用V形支撑和U形支撑；所述第一弧形拉索和第二弧形拉索接触区域采用V型支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接, 所述第一弧形拉索和第二弧形拉索分离区域采用U形支撑所述桁架拱形下弦铰接连接。
进一步的，所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架与下部混凝土结构通过4个支座连接，所述支座采用滑动万向铰支座。
进一步的，所述第一弧形拉索、第二弧形拉索的端部通过铸钢节点与桁架连接，所述第一弧形拉索、第二弧形拉索索头锚固至铸钢节点端头。
进一步的，所述铰接连接节点的下耳板与V形支撑和U形支撑采用高强螺栓连接，所述铰接节点的上耳板与桁架上的拱形下弦杆通过焊接连接，所述上耳板与下耳板通过销轴连接。
进一步的，所述上弦杆截面为箱型截面，所述拱形下弦杆截面为圆钢管截面，所述桁架腹杆截面为箱型截面；所述弧形拉索为高钒镀层拉索，所述竖向支撑采用圆钢管截面，所述上弦杆、拱形下弦杆与桁架腹杆均通过相贯焊接连接。
具体实施方式2
所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架包括桁架、弧形拉索、竖向支撑。所述桁架为拱桥形立体桁架，所述桁架由上弦杆、拱形下弦杆、桁架腹杆构成；所述弧形拉索分为第一弧形拉索和第二弧形拉索；所述竖向支撑采用V形支撑和U形支撑；所述第一弧形拉索和第二弧形拉索接触区域采用V型支撑与所述桁架拱形下弦铰接连接, 所述第一弧形拉索和第二弧形拉索分离区域采用U形支撑所述桁架拱形下弦铰接连接。
进一步的，所述一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架与下部混凝土结构通过4个支座连接，所述支座一端采用滑动万向铰支座，一端采用固定万向铰支座。
所述第一弧形拉索、第二弧形拉索的端部通过耳板、销轴与桁架上的节点板连接，所述耳板通过索头与拉索连接，所述节点板与桁架采用插入式焊接。
所述铰接连接下耳板与V形支撑和U形支撑采用高强螺栓连接，所述铰接节点的上耳板与桁架上的拱形下弦杆通过焊接连接，所述上耳板与下耳板通过销轴连接。
进一步的，所述上弦杆截面为箱型截面，所述拱形下弦杆截面为圆钢管截面，所述桁架腹杆截面为箱型截面；所述弧形拉索为高钒镀层拉索，所述竖向支撑采用圆钢管截面，所述上弦杆、拱形下弦杆与桁架腹杆均通过相贯焊接连接。
具体实施方式3
某篮球馆种植屋面，种植土厚度为400mm，对本发明的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架进行详细说明。
该篮球馆屋面，由7榀本发明基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架组成，每榀基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架之间通过次梁连接形成整体屋面，次梁与基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架采用螺栓铰接连接，基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架通过万向铰支座与下部结构相连。本项目中基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架跨度为63m，各榀桁架中心间距9m，上弦杆1和上弦杆2的间距3m，上弦杆采用400×300x16~28的箱型截面，屋面板采用100厚钢筋桁架承板组合楼板，最大板跨为3m，其余桁架截面均为圆钢管截面，最大截面尺寸为p450×20圆形截面，最小截面尺寸为p76×5。其中弧形拉索采用90的高钒锁，次梁采用工字形截面。

Claims (9)

1.一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，包括桁架、弧形拉索和竖向支撑，其特征在于：桁架为拱桥形立体桁架，拱桥形立体桁架包括上弦杆、拱形下弦杆和桁架腹杆；弧形拉索分为第一弧形拉索和第二弧形拉索；竖向支撑采用V形支撑和U形支撑；第一弧形拉索和第二弧形拉索接触区域采用V型支撑与所述桁架拱形下弦杆铰接连接,第一弧形拉索和第二弧形拉索分离区域采用U形支撑与所述桁架拱形下弦杆铰接连接；第一弧形拉索、第二弧形拉索的端部通过耳板、销轴与拱形下弦杆中间拱形段端点的节点板连接。
2.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：耳板通过索头与拉索连接，所述节点板与桁架采用插入式焊接。
3.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：该空间桁架与下部混凝土结构通过4个支座连接，支座采用万向铰支座。
4.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：所述V型支撑与所述桁架拱形下弦杆铰接连接节点的上耳板与桁架上的拱形下弦杆通过焊接连接，所述上耳板与下耳板通过销轴连接。
5.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：所述U形支撑与所述桁架拱形下弦杆铰接连接节点的上耳板与桁架上的拱形下弦杆通过焊接连接，所述上耳板与下耳板通过销轴连接。
6.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：所述上弦杆截面为方钢管截面，所述拱形下弦杆截面为圆钢管截面，所述桁架腹杆截面为圆钢管截面。
7.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：所述弧形拉索为高钒镀层拉索，所述竖向支撑采用圆钢管截面。
8.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：所述桁架及竖向支撑材质均为Q355B，拉索钢丝材料为1670级。
9.如权利要求1所述的一种基于拓扑优化原理的超大跨重载预应力空间桁架，其特征在于：所述上弦杆、拱形下弦杆与桁架腹杆均通过相贯焊接连接。
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