CN113463766B - 大跨度拱形张弦桁架系统和粉料覆盖建筑 - Google Patents

Abstract

本申请公开了大跨度拱形张弦桁架系统和粉料覆盖建筑，其中，所述拱形张弦桁架系统包括拱形桁架(10)和张弦机构，所述张弦机构包括连接于所述拱形桁架的张弦拉索(20)和支撑在所述拱形桁架(10)和所述张弦拉索(20)之间的撑杆(30)，所述拱形张弦桁架结构还包括连接于所述拱形桁架(10)以提供反拱方向的拉力的斜拉机构(40)。斜拉机构能够向拱形桁架提供反拱方向的拉力，以减小整体结构在吸风作用下反拱方向的变形，改善了大跨度拱形张弦桁架系统的反拱方向的力学性能，尤其适用于大跨度应用场合。

Description

大跨度拱形张弦桁架系统和粉料覆盖建筑

技术领域

本申请涉及土木工程建筑领域，具体涉及一种环保建筑，更具体地说，涉及一种大跨度拱形张弦桁架系统和粉料覆盖建筑。

背景技术

拱形张弦桁架结构为由钢桁架组成结构上弦(即拱形桁架)、柔性拉索中间连以撑杆形成的混合结构体系，其体系简单受力明确、结构形式多样、充分发挥了材料优势，因而可以实现相对普通拱形桁架更大的跨度。但传统拱形张弦桁架结构体系仅能解决拱向受力问题，对于反拱方向荷载(例如吸风作用下的吸风载荷)作用往往存在不利影响。具体的，在吸风作用下，柔性拉索增加了风力的作用面积，使得吸风载荷增加。特别地，如果拱形张弦桁架结构的跨度较大，拱形张弦桁架结构的高度也随之增大，其所承受的吸风作用随高度增加也增大，因此，现有技术的拱形张弦桁架结构基本上不能适用于跨度过大(例如跨度达到150米以上)的应用场合(例如封闭煤场堆放的煤堆)。

因此，如何控制结构反拱方向力学性能成为拱形张弦桁架结构的一个研究方向。

发明内容

有鉴于此，本申请提出了一种大跨度拱形张弦桁架系统，以改善拱形张弦桁架系统的反拱方向力学性能。

根据本申请，提出了一种大跨度拱形张弦桁架系统，其中，所述大跨度拱形张弦桁架系统包括拱形桁架和张弦机构，所述张弦机构包括连接于所述拱形桁架的张弦拉索和支撑在所述拱形桁架和所述张弦拉索之间的撑杆，所述拱形张弦桁架结构还包括连接于所述拱形桁架以提供反拱方向的拉力的斜拉机构。

可选的，所述斜拉机构包括设置在所述拱形桁架的拱起的顶端两侧的斜拉件，所述斜拉件的两端分别连接于所述拱形桁架。

可选的，所述斜拉件为斜拉索。

可选的，在所述拱形桁架的拱起的顶端的每侧，所述斜拉机构包括一组所述斜拉件，每组所述斜拉件包括至少两个所述斜拉件。

可选的，两组所述斜拉件关于所述拱形桁架的对称面对称设置，每组所述斜拉件中：各所述斜拉件的靠近所述拱形桁架的顶端的端部彼此汇聚，或者各所述斜拉件的靠近所述拱形桁架的底端的端部彼此汇聚。

可选的，两组所述斜拉件关于所述拱形桁架的对称面对称设置，每组所述斜拉件中，各所述斜拉件彼此平行设置。

可选的：所述斜拉件相对于所述拱形桁架的高度方向之间的夹角为30°-60°；和/或，所述斜拉件穿过所述张弦拉索、所述撑杆之间的间隙布置，所述斜拉件与所述张弦拉索之间的距离不小于s，其中，s＝max+50mm，L为所述斜拉件与所述拱形桁架之间的最大距离。

可选的，从所述拱形桁架的底端朝向顶端，所述拱形桁架的拱起趋势逐渐变缓。

可选的，所述拱形桁架的跨度为>150m，和/或，所述拱形桁架的高度为跨度的1/5～1/4。

本申请还提供一种粉料覆盖建筑，其中，所述粉料覆盖建筑包括拱形主体，所述拱形主体包括沿直线间隔排列的多个大跨度拱形张弦桁架系统，所述大跨度拱形张弦桁架系统为本申请的大跨度拱形张弦桁架系统。

根据本申请的技术方案，斜拉机构能够向拱形桁架提供反拱方向的拉力，以减小整体结构在吸风作用下反拱方向的变形，改善了拱形张弦桁架系统的反拱方向的力学性能，尤其适用于大跨度应用场合。

本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：

图1为根据本申请一种优选实施方式的大跨度拱形张弦桁架系统的示意图；

图2为根据本申请另一种优选实施方式的大跨度拱形张弦桁架系统的示意图；

图3为根据本申请另一种优选实施方式的大跨度拱形张弦桁架系统的示意图；

图4为根据本申请另一种优选实施方式的大跨度拱形张弦桁架系统的示意图；

图5是说明图1中张弦拉索与拱形桁架的连接节点的立体图；

图6是说明图1中斜拉索与拱形桁架的连接节点的立体图；

图7是说明图1中斜拉索穿过撑杆、张弦拉索之间的间隙布置的立体图；

图8是说明图7中斜拉索与张弦拉索之间的距离的示意图；

图9是图7中锁夹节点连接撑杆的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请的技术方案。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

根据本申请的一个方面，提供一种大跨度拱形张弦桁架系统，其中，所述大跨度拱形张弦桁架系统包括拱形桁架10和张弦机构，所述张弦机构包括连接于所述拱形桁架的张弦拉索20和支撑在所述拱形桁架10和所述张弦拉索20之间的撑杆30，所述拱形张弦桁架结构还包括连接于所述拱形桁架10以提供反拱方向的拉力的斜拉机构40。

使用本申请的大跨度拱形张弦桁架系统，斜拉机构40能够向拱形桁架10提供反拱方向的拉力，以减小整体结构在吸风作用下反拱方向的变形，改善了大跨度拱形张弦桁架系统的反拱方向的力学性能，尤其适用于大跨度应用场合。

其中，斜拉机构40为拱形桁架10提供反拱方向的拉力，即，当拱形桁架10沿拱起方向(即图1中竖直向上)变形时，斜拉机构40对拱形桁架10的拉力使得拱形桁架10具有反向于拱形桁架10的拱起方向(即图1中竖直向下)变形的趋势。由此，在吸风作用下，吸风载荷具有使得拱形桁架10进一步拱起变形的趋势，而斜拉机构40的反拱方向的拉力能够至少部分地抵消拱形桁架10在吸风载荷下的变形趋势，从而改善了大跨度拱形张弦桁架系统的反拱方向的力学性能。

可以理解的，斜拉机构40可以设置在拱形桁架10的适当位置，以便向拱形桁架10提供反拱方向的拉力。优选地，所述斜拉机构40包括设置在所述拱形桁架10的拱起的顶端两侧的斜拉件41，所述斜拉件41的两端分别连接于所述拱形桁架10。即，单个斜拉件41设置在拱形桁架10的拱起的顶端的一侧，其两端连接于拱形桁架10的同一侧的部分上。拱形桁架10的拱起的顶端的两侧分别通过不同的斜拉件41提供反拱方向的拉力。

其中，斜拉件41可以采用各种适当形式，以便提供拉力。优选地，所述斜拉件41可以为斜拉索，以便布置、简化结构。更优选地，斜拉件41为大直径(例如直径在80mm-160mm)密闭索。

此外，根据实际应用的场合以及整体结构的受力情况，拱形桁架10的拱起的顶端的每侧可以设置单个或更多个斜拉件41。具体的，如图1所示的实施方式中，拱形桁架10的拱起的顶端的每侧设置单个斜拉件41；如图2至图4所示的实施方式中，在所述拱形桁架10的拱起的顶端的每侧，所述斜拉机构40包括一组所述斜拉件41，每组所述斜拉件41包括至少两个所述斜拉件41。两组斜拉件41可以关于所述拱形桁架10的对称面对称设置，以便简化布置且实现受力均衡。

可以理解的，斜拉件41沿其延伸方向提供拉力，由于斜拉件41倾斜设置，因此其拉力可以分解为竖直方向的分量和水平方向的分量，其中，竖直方向的分量可以用于抵抗吸风载荷，水平方向的分量可以用于降低拱形桁架10在竖直载荷下对拱形桁架10的底端处的支座50的水平推力。在具有两组斜拉件41的情况下，可以根据所应用的场合的吸风作用的情况，具体设置每组斜拉件41的布置方式，如图2至图4所示。具体的：

在图2所示的实施方式中，每组所述斜拉件41中，各所述斜拉件41的靠近所述拱形桁架10的顶端的端部彼此汇聚。这里，“汇聚”表示各所述斜拉件41的靠近所述拱形桁架10的顶端的端部(以下简称第一端)可以连接于同一位置或彼此靠近。在图2所示的实施方式中，每组所述斜拉件41中，各所述斜拉件41的远离所述拱形桁架10的顶端的端部(以下简称第二端)彼此远离，使得各斜拉件41形成从拱形桁架10的顶端向底端放射状的布置方式。也就是说，各斜拉件41的第二端逐渐靠近拱形桁架10的底端(即拱形桁架10的支座50所在位置)，因而斜拉机构40能够协助张弦机构提供水平方向的拉力，以减小大跨度拱形张弦桁架系统的竖向载荷对拱形桁架10的底端处的支座50的水平推力。因此，图2所示的实施方式适用于吸风载荷较小、竖向载荷较大的应用场合。

在图3所示的实施方式中，每组所述斜拉件41中，各所述斜拉件41的靠近所述拱形桁架10的底端的端部彼此汇聚。也就是说，各所述斜拉件41的第二端可以连接于同一位置或彼此靠近。在图3所示的实施方式中，每组所述斜拉件41中，各所述斜拉件41的第一端彼此远离，使得各斜拉件41形成从拱形桁架10的底端向顶端放射状的布置方式。也就是说，各斜拉件41的第一端逐渐靠近拱形桁架10的顶端，增加了吸风载荷作用时对拱形桁架10的顶部附近的支点，因而斜拉机构40能够有效对抗吸风载荷，以减小大跨度拱形张弦桁架系统的竖向变形，改善大跨度拱形张弦桁架系统的内力分布，并且能够减小对支座50的竖直推力。因此，图3所示的实施方式适用于吸风载荷较大、竖向载荷较小的应用场合。

在图4所示的实施方式中，每组所述斜拉件41中，各所述斜拉件41彼此平行设置。这种实施方式兼顾了对张弦机构提供水平方向的拉力的辅助和拱形桁架10的顶部附近的支点的增加，适用于吸风载荷较大、竖向载荷较大的应用场合。

本申请中，斜拉件41可以设置为具有适当的倾斜角度，例如，所述斜拉件41相对于所述拱形桁架10的高度方向之间的夹角可以为30°-60°。斜拉件41的两端分别连接拱形桁架10，例如可以通过第一节点60连接到拱形桁架10，其中，第一节点60可以为焊接球式节点或铸钢节点，如图6所示，第一节点60为焊接球式节点并具有第一球形主体61和第一安装耳板62，拱形桁架10的杆件11(弦杆、腹杆)可以连接到第一球形主体61，斜拉件41连接于第一安装耳板62。类似的，张弦拉索20也可以通过第二节点70连接到拱形桁架10，其中，第二节点70可以为焊接球式节点或铸钢节点，如图5所示，第二节点70为焊接球式节点并具有第二球形主体71和第二安装耳板72，拱形桁架10的杆件11(弦杆、腹杆)可以连接到第二球形主体71，张弦拉索20连接于第二安装耳板72。

另外，张弦拉索20可以通过锁夹节点80连接于撑杆30，如图7和9所示，撑杆30呈V型固定于锁夹节点80，锁夹节点80上设置有穿孔81，张弦拉索20穿过穿孔81设置。

为便于布置且简化施工工艺，所述斜拉件41穿过所述张弦拉索20、所述撑杆30之间的间隙布置，即，斜拉件41与张弦拉索20、撑杆30均不接触，从而不会干扰张弦机构的功能，避免因交叉接触导致拉索内力不平衡。具体的，如图7所示，斜拉件41斜向穿过撑杆30之间以及两根张弦拉索20之间。为确保斜拉件41与张弦拉索20、撑杆30均不接触，特别是与张弦拉索20不会接触，所述斜拉件41与所述张弦拉索20之间的距离不小于s，其中，s＝max(L/150,50mm)+50mm，L为所述斜拉件41与所述拱形桁架10之间的最大距离。即，s为L/150和50mm中的最大者加上50mm。

对于具有多个斜拉件41的情形，在布置每个斜拉件41时，参考该斜拉件41与拱形桁架10之间的最大距离L来确定该斜拉件41与张弦拉索20之间的距离s。另外，如图8所示，张弦拉索20通常为两根，可以使斜拉件41从两根张弦拉索20的中间位置穿过，使得斜拉件41与两根张弦拉索20之间的距离相同(例如均为s)。如果使斜拉件41从两根张弦拉索20之间的中间位置偏离，则仍要确保斜拉件41与每根张弦拉索20之间的距离不小于s。也就是说，斜拉件41与张弦拉索20呈空间交叉，互不干扰的形式，以确保斜拉件41与张弦拉索20实现各自的功能。

另外，如图7所示，两个撑杆30呈V型设置，斜拉件41穿过两个撑杆30之间的间隙即可避免与撑杆30接触。当使用单根撑杆30时，可以在撑杆30上开设孔洞，以穿设斜拉件41，避免斜拉件41与撑杆30的直接接触。

可以理解的，当采用标准拱形(拱形各位置的曲率一致)的拱形桁架10时，随着拱形桁架10的跨度增加，其拱起高度增加较大，使得拱形桁架10受吸风载荷影响更为显著，使得支座50的水平方向的受力巨大，对支座50的设计要求极高。并且，由于拱起高度随跨度增加较大，导致制造成本、材料显著增加。本申请中，为实现较大跨度，同时尽量降低吸风载荷的影响，从所述拱形桁架10的底端朝向顶端，所述拱形桁架10的拱起趋势逐渐变缓。由此，可以在实现较大跨距的同时，使得拱形桁架10的拱起高度相比标准拱形降低，从而降低所受吸风载荷。

根据应用的场合，可以合理设置拱形桁架10的拱起趋势的变化方式和形式，具体的，如图1所示，拱形桁架10的各部分的曲率可以连续变化，拱起的顶部可以基本上成平面形式并占据拱形桁架10的整个拱形的1/3至1/2，斜拉件41的一端连接于拱起的顶部形成的平面部分，另一端连接于顶部之外的明显拱起的部分，以提供反拱方向的拉力。更具体的，可以根据所需的跨距、拱起高度进行设计。优选地，所述拱形桁架10的跨度为大于150m，和/或，所述拱形桁架10的高度为跨度的1/5～1/4。

根据本申请的另一方面，提供一种粉料覆盖建筑，其中，所述粉料覆盖建筑包括拱形主体，所述拱形主体包括沿直线间隔排列的多个大跨度拱形张弦桁架系统，所述大跨度拱形张弦桁架系统为本申请的大跨度拱形张弦桁架系统。

本申请的粉料覆盖建筑，可以用于覆盖较大面积上堆放的粉料，以避免粉料扬起飘散、污染环境。例如，本申请的粉料覆盖建筑可以用于覆盖煤场堆放的煤堆，根据煤堆的堆放面积，可以设置拱形桁架10的跨度、大跨度拱形张弦桁架系统的个数，例如，粉料覆盖建筑封闭的区域长300m，宽196m，粉料覆盖建筑的高度约55m，封闭面积58800m²，储煤量17.2万吨。拱形桁架10的跨度可以为196m，沿所述区域的长度方向等间隔设置8个大跨度拱形张弦桁架系统。粉料覆盖建筑的长度方向的两端可以采用空间钢管相贯桁架结构形成山墙结构。张弦机构与斜拉机构的索体交叉但不发生碰撞，能够保证张弦拉索20、斜拉件41的拉索应力沿索体方向均匀分布。张弦拉索20、斜拉件41与拱形桁架10共同作用，形成多阶次预应力结构体系。相关结构的参数也可以根据拱形桁架10的跨度设置。例如，张弦拉索20的长度不小于拱形桁架10的跨度的2/3，斜拉件41的长度不小于拱形桁架10的跨度的1/2，拱形桁架10的桁架厚度可以为其跨度的1/30，拱形桁架10的拱起顶点处的撑杆30长度可以为拱形桁架10的跨度的1/10-1/15，撑杆30的间距可以设置为将张弦拉索20的长度5-7等分。

施工时，可以将大跨度拱形张弦桁架系统的支座50固定在地面上，并且可以在拱形主体上以拱形桁架10为基体搭设顶部覆盖结构(例如，在相邻的大跨度拱形张弦桁架系统之间设置瓦片等建筑材料)，从而形成类似于穹顶的结构笼罩粉料。

以上详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种大跨度拱形张弦桁架系统，其特征在于，所述大跨度拱形张弦桁架系统包括拱形桁架(10)和张弦机构，所述张弦机构包括连接于所述拱形桁架的张弦拉索(20)和支撑在所述拱形桁架(10)和所述张弦拉索(20)之间的撑杆(30)，所述拱形张弦桁架结构还包括连接于所述拱形桁架(10)以提供反拱方向的拉力的斜拉机构(40)，所述斜拉机构(40)包括设置在所述拱形桁架(10)的拱起的顶端两侧的斜拉件(41)，所述斜拉件(41)的两端分别连接于所述拱形桁架(10)，在所述拱形桁架(10)的拱起的顶端的每侧，所述斜拉机构(40)包括一组所述斜拉件(41)，每组所述斜拉件(41)包括至少两个所述斜拉件(41)，所述斜拉件(41)呈直型且相对于所述拱形桁架(10)的高度方向之间的夹角为30°-60°。

2.根据权利要求1所述的大跨度拱形张弦桁架系统，其特征在于，所述斜拉件(41)为斜拉索。

3.根据权利要求1所述的大跨度拱形张弦桁架系统，其特征在于，两组所述斜拉件(41)关于所述拱形桁架(10)的对称面对称设置，每组所述斜拉件(41)中：各所述斜拉件(41)的靠近所述拱形桁架(10)的顶端的端部彼此汇聚，或者各所述斜拉件(41)的靠近所述拱形桁架(10)的底端的端部彼此汇聚。

4.根据权利要求1所述的大跨度拱形张弦桁架系统，其特征在于，两组所述斜拉件(41)关于所述拱形桁架(10)的对称面对称设置，每组所述斜拉件(41)中，各所述斜拉件(41)彼此平行设置。

5.根据权利要求3或4所述的大跨度拱形张弦桁架系统，其特征在于：

所述斜拉件(41)穿过所述张弦拉索(20)、所述撑杆(30)之间的间隙布置，所述斜拉件(41)与所述张弦拉索(20)之间的距离不小于s，其中，s＝max(L/150,50mm)+50mm，L为所述斜拉件(41)与所述拱形桁架(10)之间的最大距离。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的大跨度拱形张弦桁架系统，其特征在于，从所述拱形桁架(10)的底端朝向顶端，所述拱形桁架(10)的拱起趋势逐渐变缓。

7.根据权利要求6所述的大跨度拱形张弦桁架系统，其特征在于，所述拱形桁架(10)的跨度为>150m，和/或，所述拱形桁架(10)的高度为跨度的1/5～1/4。

8.一种粉料覆盖建筑，其特征在于，所述粉料覆盖建筑包括拱形主体，所述拱形主体包括沿直线间隔排列的多个大跨度拱形张弦桁架系统，所述大跨度拱形张弦桁架系统为权利要求1-7中任意一项所述的大跨度拱形张弦桁架系统。

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