CN114352035B - 一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构及其施工方法，涉及建筑设计技术领域，安装下部支承结构，对与钢‑混凝土组合拱肋连接的支撑框架施加预应力，使支撑框架在预应力的作用下产生向内收变形；在下部支承结构上方吊装钢‑混凝土组合拱肋；在钢‑混凝土组合拱肋上沿第一方向安装拱间联系梁；沿第二方向在钢‑混凝土组合拱肋内浇筑混凝土，沿第二方向形成屋面板；钢‑混凝土组合拱肋包括：带有外伸翼缘的箱型钢拱以及填充在箱型钢拱内的混凝土拱。本发明可以实现跨度超过60米的情况，且施工难度小，安全风险低，成本低。

Description

一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及建筑设计技术领域，尤其涉及一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构及其施工方法。

背景技术

随着经济和技术水平的提高，人们不仅追求建筑物内部的无柱大空间，还希望充分利用建筑屋顶来从事休闲娱乐活动，但是从建筑结构的受力机理上讲，这二者是相互矛盾的。大跨度屋盖结构可以创造建筑内部的大空间，常见的有机场、体育场、会展中心、高铁站等公共建筑，这种屋盖均为非承载人的轻屋盖结构。屋顶设有种植绿化、观景平台或运动场地时，这种屋盖为承载人的重型屋盖，此时，如果想创造建筑内部的大空间，尤其是当跨度大于30米时，就需要提供一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构。

目前，相关技术提供的屋顶结构包括屋盖结构、钢拉索和撑杆，屋盖结构由若干独立的异形拼装单元装配式连接构成，屋盖结构通过支撑杆与钢拉索连接构成装配式屋盖结构体系。

但是上述屋盖结构自身高度过大，如网架结构、桁架结构等，30米跨度时，其自身高度约为3米，占用了普通民用建筑的一层空间，若跨度超过60米，则无法实现；且施工难度大，安全风险高。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构及其施工方法，用以解决屋盖结构自身高度过大，如网架结构、桁架结构等，30米跨度时，其自身高度约为3米，占用了普通民用建筑的一层空间，若跨度超过60米，则无法实现；且施工难度大，安全风险高的问题。

本发明的一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，包括：

安装下部支承结构，对与钢-混凝土组合拱肋连接的支撑框架施加预应力，使所述支撑框架在预应力的作用下产生向内收变形；

在所述下部支承结构上方吊装所述钢-混凝土组合拱肋；

在所述钢-混凝土组合拱肋上沿所述第一方向安装拱间联系梁；

沿第二方向在所述钢-混凝土组合拱肋内浇筑混凝土，沿所述第二方向形成所述屋面板；

所述大跨度装配式组合拱形重屋顶结构包括：

下部支承结构，包括相连接的至少两层支撑框架；

拱形承重组件，包括钢-混凝土组合拱肋，所述钢-混凝土组合拱肋与支撑框架通过拱脚节点连接，所述钢-混凝土组合拱肋包括：带有外伸翼缘的箱型钢拱，填充在所述箱型钢拱内的混凝土拱；

拱间联系梁，沿所述第一方向连接所述箱型钢拱；

屋面板，沿所述第二方向位于所述箱型钢拱上方；

其中，所述钢-混凝土组合拱肋跨度大于60米；

所述第一方向与所述第二方向垂直。

在一种可选的实施例中，所述箱型钢拱包括相对设置的两块腹板，与所述两块腹板垂直连接的两块翼缘板，两块腹板与两块翼缘板之间形成箱体。

在一种可选的实施例中，所述翼缘板的宽度大于两块腹板之间的间隔。

在一种可选的实施例中，所述箱型钢拱还包括加劲肋，所述加劲肋间隔设置在所述箱体内。

在一种可选的实施例中，所述支撑框架包括通过拱脚节点头尾连接的拉梁，所述拉梁与所述钢-混凝土组合拱肋在同一竖直平面内。

在一种可选的实施例中，所述在所述下部支承结构上方吊装所述钢-混凝土组合拱肋包括：

吊装所述箱型钢拱于所述下部支承结构上；

在每个箱型钢拱上设置防倾倒措施；

通过开设在所述箱型钢拱上的浇筑孔向所述箱型钢拱内浇灌混凝土，形成所述混凝土拱。

在一种可选的实施例中，所述拱脚节点包括第一拱脚节点和第二拱脚节点；

所述第一拱脚节点用于连接所述支撑框架的四个顶点与对应的钢-混凝土组合拱肋；

所述第二拱脚节点用于连接除所述顶点外所述支撑框架与对应的钢-混凝土组合拱肋；

所述第一拱脚节点与所述第二拱脚节点结构不同。

在一种可选的实施例中，所述第一拱脚节点包括第一连接口，用于沿所述第一方向与所述下部支承结构连接；

第二连接口，用于沿所述第二方向与所述下部支承结构连接；

第三连接口，用于与所述钢-混凝土组合拱肋连接；

其中，所述第一连接口的中心线与所述第二连接口的中心线垂直，所述第三连接口的中心线与所述钢-混凝土组合拱肋的外弧切线相重合。

在一种可选的实施例中，所述第二拱脚节点包括第四连接口，用于沿所述第一方向与所述下部支承结构连接；

第五连接口，用于与所述钢-混凝土组合拱肋连接；

其中，所述第四连接口的中心线与所述第五连接口的中心线呈预设夹角，所述第五连接口的中心线与所述钢-混凝土组合拱肋的外弧切线相重合。

在一种可选的实施例中，所述拱脚节点的所处标高与所述钢-混凝土组合拱肋的底标高一致。

在一种可选的实施例中，所述支撑框架包括通过所述拱脚节点头尾连接的拉梁，所述拉梁与所述钢-混凝土组合拱肋在同一竖直平面内。

本发明实施例提供的屋顶结构至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的屋顶结构施工时，先安装下部支承结构，对与钢-混凝土组合拱肋连接的支撑框架施加预应力，使支撑框架在预应力的作用下产生向内收变形；在下部支承结构上方吊装钢-混凝土组合拱肋；在钢-混凝土组合拱肋上沿第一方向安装拱间联系梁；沿第二方向在钢-混凝土组合拱肋内浇筑混凝土，沿第二方向形成屋面板。本发明实施例提供的屋顶结构可以适用于跨度超过60米的情况，且施工难度小，安全风险低，成本低。

附图说明

图1为本发明实施例中一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构的立体示意图；

图2为本发明实施例中钢-混凝土组合拱肋的横截面示意图；

图3为本发明实施例中带有外伸翼缘的箱型钢拱部分区段立体示意图；

图4为本发明实施例中屋面板与钢-混凝土组合拱肋连接一体的横截面示意图。

附图标记：

1-下部支承结构，2-钢-混凝土组合拱肋，21-箱型钢拱，22-混凝土拱，3-拱间联系梁，4-拉梁，5-拱脚节点，51-第一拱脚节点，52-第二拱脚节点，6-屋面板，7-翼缘板，8-腹板，9-加劲肋，10-栓钉，11-浇筑孔，12-混凝土叠合板，13-现浇层。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。目前，相关技术提供的屋盖结构自身高度过大，如网架结构、桁架结构等，30米跨度时，其自身高度约为3米，占用了普通民用建筑的一层空间，若跨度超过60米，则基本无法实现；且施工难度大，安全风险高。如现浇钢筋混凝土结构，为实现大跨度空间，现浇钢筋混凝土结构通常需要做成拱形，因此产生了高支模、满堂脚手架等一系列施工重难点，安全风险较普通钢筋混凝土结构成倍增加。鉴于此，本发明实施例提供了一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构及其施工方法。

请一并参见图1-图4，图1为本发明实施例中一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构的立体示意图；图2为本发明实施例中钢-混凝土组合拱肋的横截面示意图；图3为本发明实施例中带有外伸翼缘的箱型钢拱21部分区段立体示意图；图4为本发明实施例中屋面板与钢-混凝土组合拱肋连接一体的横截面示意图。

一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，包括：

安装下部支承结构1，对与钢-混凝土组合拱肋2连接的支撑框架施加预应力，使支撑框架在预应力的作用下产生向内收变形；

在下部支承结构1上方吊装钢-混凝土组合拱肋2；

在钢-混凝土组合拱肋2上沿第一方向安装拱间联系梁3；

沿第二方向在钢-混凝土组合拱肋2内浇筑混凝土，沿第二方向形成屋面板6。

大跨度装配式组合拱形重屋顶结构包括：

下部支承结构1，包括相连接的至少两层支撑框架；

拱形承重组件，包括钢-混凝土组合拱肋2，钢-混凝土组合拱肋2与支撑框架通过拱脚节点5连接，钢-混凝土组合拱肋2包括：带有外伸翼缘的箱型钢拱21，填充在箱型钢拱21内的混凝土拱22；

拱间联系梁3，沿第一方向连接箱型钢拱21；

屋面板6，沿第二方向位于箱型钢拱21上方；

其中，钢-混凝土组合拱肋2跨度大于60米；

第一方向与第二方向垂直。

本发明实施例提供的屋顶结构及其施工方法至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的屋顶结构施工时，先安装下部支承结构1，对与钢-混凝土组合拱肋2连接的支撑框架施加预应力，使支撑框架在预应力的作用下产生向内收变形；在下部支承结构1上方吊装钢-混凝土组合拱肋2；在钢-混凝土组合拱肋2上沿第一方向安装拱间联系梁3；沿第二方向在钢-混凝土组合拱肋2内浇筑混凝土，沿第二方向形成所述屋面板6。本发明实施例提供的屋顶结构可以适用于跨度超过60米（超过80米）的情况，进一步地，本发明实施例提供的屋顶结构可以适用于跨度超过超过80米的情况，且施工难度小，安全风险低，成本低。

以下将通过可选的实施例进一步解释和描述本发明实施例提供的屋顶结构。

可以理解的是，下部支承结构1的高度可以根据需要增加支撑框架的数量，下部支撑结构1的长和宽根据拱形承重组件的数量确定。进一步地，下部支承结构1是两层的钢筋混凝土框架结构，位于上层的横梁一方面与钢筋混凝土通过拱脚节点5连接，另一方面兼具下部支承结构1的二层框架梁使用。

在一种可选的实施例中，箱型钢拱21包括相对设置的两块腹板8，与两块腹板8垂直连接的两块翼缘板7，两块腹板8与两块翼缘板7之间形成箱体。

进一步地，本发明实施例提供的带有外伸翼缘的箱型钢拱21由四块钢板焊接而成，平行于箱型钢拱21所在平面的两块钢板为腹板8，垂直于箱型钢拱21所在平面的两块钢板为翼缘板7，两块翼缘板7的端部伸出两块腹板8的外壁一段距离。

在一种可选的实施例中，在箱型钢拱21顶部的翼缘板7开设混凝土浇筑孔11，浇筑孔11的孔径和孔距因工程情况而定，在箱型钢拱21顶部的翼缘板7顶面设置栓钉10，用以与装配式屋面板6连接，栓钉10数量、间距和类型因工程情况而定。

在一种可选的实施例中，翼缘板7的宽度大于两块腹板8之间的间隔。

通过采用翼缘板7外伸这种构造形式可以减小翼缘板7的宽厚比，从而节省钢材用量，而且在保证钢-混凝土组合拱肋2高度的同时减少了混凝土用量，进一步减轻结构自重。

在一种可选的实施例中，箱型钢拱21还包括加劲肋9，间隔设置在箱体内。

本发明实施例提供的加劲肋9有三个作用，一是可以做为拱间联系梁3与钢-混凝土组合拱肋2的连接板，二是对增强腹板8的局部稳定性，三是减少带有外伸翼缘的箱型钢拱21在加工时产生的焊接变形。

在外伸的翼缘板7与腹板8外壁组成的区域内，沿拱轴每隔一段距离设置加劲肋9，作为一种示例，相邻加劲肋9之间的距离为箱型钢拱21长度的十分之一到十分之三，一方面可以保证箱型钢拱21的支撑强度，另一方面即使当跨度较大时也不影响箱型钢拱21的弯曲度。

在一种可选的实施例中，支撑框架包括通过拱脚节点5头尾连接的拉梁4，拉梁4与钢-混凝土组合拱肋2在同一竖直平面内。

在一种可选的实施例中，拉梁4与下部支承结构1的材料相同。

需要说明的是，拉梁4是连接拱脚节点5的水平预应力构件，与钢-混凝土组合拱肋2在同一竖直平面内，能够平衡钢-混凝土组合拱肋2拱形结构在拱脚处产生的水平力。

优选的，拉梁4兼做下部支承结构1的承重梁，且，拉梁4与下部支承结构1的材料相同，下部支承结构1为钢筋混凝土结构时，相应的，拉梁4为预应力钢筋混凝土梁，下部支承结构1为钢结构时，相应的，拉梁4为施加体外预应力的钢梁。

在一种可选的实施例中，屋面板6包括混凝土叠合板12与现浇层13，屋面板6所在平面与钢-混凝土组合拱肋2所在平面垂直或接近垂直，即两平面所成夹角为90°±2°。

优选的，混凝土叠合板12为普通桁架钢筋混凝土叠合板，当混凝土叠合板12的跨度较大时，混凝土叠合板12为预应力混凝土叠合板，混凝土叠合板12支承在带有外伸翼缘的箱型钢拱21的顶部。

在一种可选的实施例中，钢-混凝土组合拱肋2包括：

带有外伸翼缘的箱型钢拱21；

填充在箱型钢拱21内的混凝土拱22。

需要说明的是，带有外伸翼缘的箱型钢拱21具有以下作用，一是可以作为混凝土拱22浇筑时的模板，免去了支模工作，二是约束混凝土的变形，提高了混凝土拱22的受压能力，三是与混凝土共同受力，四是可以作为装配式屋面板6安装时的支承端；混凝土拱22的作用是承受钢-混凝土组合拱肋2的轴向内力。

本发明实施例在施工时，先施工下部支承结构1，然后对拉梁4施加预应力，使下部支承结构1在预应力的作用下产生向内收的变形，逐个吊装带有外伸翼缘的箱型钢拱21，吊装前，箱型钢拱21在地面预先焊接成一个整体。在整体结构成形前，每一个带有外伸翼缘的箱型钢拱21吊装就位后都设置防倾倒措施，并安装拱间联系梁3，使拱间联系梁3连接钢-混凝土组合拱肋2。需要说明的是，防倾倒措施包括：设立临时支撑架、拉设缆风绳或安装临时结构构件。

在一种可选的实施例中，拱脚节点5包括第一拱脚节点51和第二拱脚节点52；

第一拱脚节点51用于连接支撑框架的四个顶点与对应的钢-混凝土组合拱肋2；

第二拱脚节点52用于连接除顶点外支撑框架与对应的钢-混凝土组合拱肋2；

第一拱脚节点51与第二拱脚节点52的结构不同。

从图1可以看出，本发明实施例提供的拱脚节点5包括第一拱脚节点51和第二拱脚节点52，且第一拱脚节点51与第二拱脚节点52的结构不相同。基于下部支承结构1具有四个顶点，可以理解的是，顶点处需要连接两个横梁与上方的钢-混凝土组合拱肋2，就需要第一拱脚节点51具有三个不同的连接口，并且三个连接口之间具有相应的夹角。而位于中间的钢-混凝土组合拱肋2与下部支撑结构连接只需要两个连接口，或者说三个连接口中，与下部支撑结构的横梁连接的两个连接口贯通，或者两个连接口之间的角度为180°。

在一种可选的实施例中，第一拱脚节点51包括第一连接口，用于沿第一方向与下部支承结构1连接；

第二连接口，用于沿第二方向与下部支承结构1连接；

第三连接口，用于与钢-混凝土组合拱肋2连接；

其中，第一连接口的中心线与第二连接口的中心线垂直，第三连接口的中心线与钢-混凝土组合拱肋2的外弧切线相重合。

通过第一连接口与第二连接口的中心线垂直，保证四个顶点的安装稳定性，也进一步提高下部支承结构1与钢-混凝土组合拱肋2之间的稳定性。通过第三连接口的中心线与钢-混凝土组合拱肋2的外弧切线相重合使得第三连接口的中心线延伸方向与钢-混凝土组合拱肋2的弧线延伸方向相同，提高第三连接口与钢-混凝土组合拱肋2之间的连接契合度，进而保证第三连接口与钢-混凝土组合拱肋2之间的连接稳定性。

在一种可选的实施例中，第二拱脚节点52包括第四连接口，用于沿第一方向与下部支承结构1连接；

第五连接口，用于与钢-混凝土组合拱肋2连接；

其中，第四连接口的中心线与第五连接口的中心线呈预设夹角，第五连接口的中心线与钢-混凝土组合拱肋2的外弧切线相重合。

可以理解的是，位于顶点处的下部支承结构1与钢-混凝土组合拱肋2之间的连接，与位于中间位置的下部支承结构1与钢-混凝土组合拱肋2之间的连接相比，增加了一个连接口，此时第一拱脚节点51与第二拱脚节点52的结构也就不同。通过第四连接口的中心线与第五连接口的中心线呈预设夹角，第五连接口的中心线与钢-混凝土组合拱肋2的外弧切线相重合，可以提高下部支承结构1与钢-混凝土组合拱肋2的契合度，避免由于钢-混凝土组合拱肋2跨度过大而出现垮塌现象等。

在一种可选的实施例中，第二拱脚节点52的数量由钢-混凝土组合拱肋2的数量决定。

在一种可选的实施例中，拱脚节点5所处的标高与钢-混凝土组合拱肋2的底标高一致。

进一步地，第一拱脚节点51、第二拱脚节点52所处标高与钢-混凝土组合拱肋2的底标高一致。

作为一种示例，本发明实施例提供的钢-混凝土组合拱肋2的底标高为3米，第一拱脚节点51、第二拱脚节点52所处标高也为3米，如此以提高下部承重结构之间的平稳性和连接稳定性。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述方法包括：

安装下部支承结构（1），对与钢-混凝土组合拱肋（2）连接的支撑框架施加预应力，使所述支撑框架在预应力的作用下产生向内收变形；

在所述下部支承结构（1）上方吊装所述钢-混凝土组合拱肋（2）；

在所述钢-混凝土组合拱肋（2）上沿第一方向安装拱间联系梁（3）；

沿第二方向在所述钢-混凝土组合拱肋（2）内浇筑混凝土，沿所述第二方向形成屋面板（6）；

所述大跨度装配式组合拱形重屋顶结构包括：

下部支承结构（1），包括相连接的至少两层支撑框架；

拱形承重组件，包括钢-混凝土组合拱肋（2），所述钢-混凝土组合拱肋（2）与支撑框架通过拱脚节点（5）连接，所述钢-混凝土组合拱肋（2）包括：带有外伸翼缘的箱型钢拱（21），填充在所述箱型钢拱（21）内的混凝土拱（22）；

拱间联系梁（3），沿所述第一方向连接所述箱型钢拱（21）；

屋面板（6），沿所述第二方向位于所述箱型钢拱（21）上方；

其中，所述钢-混凝土组合拱肋（2）跨度大于60米；

所述第一方向与所述第二方向垂直。

2.根据权利要求1所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述箱型钢拱包括相对设置的两块腹板（8），与所述两块腹板（8）垂直连接的两块翼缘板（7），两块腹板（8）与两块翼缘板（7）之间形成箱体。

3.根据权利要求2所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述翼缘板（7）的宽度大于两块腹板（8）之间的间隔。

4.根据权利要求2所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述箱型钢拱（21）还包括加劲肋（9），所述加劲肋（9）间隔设置在所述箱体内。

5.根据权利要求1所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述支撑框架包括通过所述拱脚节点（5）头尾连接的拉梁（4），所述拉梁（4）与所述钢-混凝土组合拱肋（2）在同一竖直平面内。

6.根据权利要求1所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述在所述下部支承结构（1）上方吊装所述钢-混凝土组合拱肋（2）包括：

吊装所述箱型钢拱（21）于所述下部支承结构（1）上；

在每个箱型钢拱（21）上设置防倾倒措施；

通过开设在所述箱型钢拱（21）上的浇筑孔（11）向所述箱型钢拱（21）内浇灌混凝土，形成所述混凝土拱（22）。

7.根据权利要求1所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述拱脚节点（5）包括第一拱脚节点（51）和第二拱脚节点（52）；

所述第一拱脚节点（51）用于连接所述支撑框架的四个顶点与对应的钢-混凝土组合拱肋（2）；

所述第二拱脚节点（52）用于连接除所述顶点外所述支撑框架与对应的钢-混凝土组合拱肋（2）；

所述第一拱脚节点（51）与所述第二拱脚节点（52）结构不同。

8.根据权利要求7所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述第一拱脚节点（51）包括第一连接口，用于沿所述第一方向与所述下部支承结构（1）连接；

第二连接口，用于沿所述第二方向与所述下部支承结构（1）连接；

第三连接口，用于与所述钢-混凝土组合拱肋（2）连接；

其中，所述第一连接口的中心线与所述第二连接口的中心线垂直，所述第三连接口的中心线与所述钢-混凝土组合拱肋（2）的外弧切线相重合。

9.根据权利要求7所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述第二拱脚节点（52）包括第四连接口，用于沿所述第一方向与所述下部支承结构（1）连接；

第五连接口，用于与所述钢-混凝土组合拱肋（2）连接；

其中，所述第四连接口的中心线与所述第五连接口的中心线呈预设夹角，所述第五连接口的中心线与所述钢-混凝土组合拱肋（2）的外弧切线相重合。

10.根据权利要求1所述的大跨度装配式组合拱形重屋顶结构施工方法，其特征在于，所述拱脚节点（5）的所处标高与所述钢-混凝土组合拱肋（2）的底标高一致。

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