CN114837304A - 一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及土木工程中大跨度空间建筑的技术领域，尤其是涉及一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，包括从内到外依次设置的斜柱系统、外环悬索屋盖系统和内环弦支屋盖系统；所述内环弦支屋盖系统、外环悬索屋盖系统和斜柱系统同心设置，所述内环弦支屋盖系统与外环悬索屋盖系统的内圈固定连接，所述外环悬索屋盖系统的外圈与斜柱系统固定连接。当斜柱系统受到压力时，斜柱系统进一步张拉外环悬索屋盖系统，使外环悬索屋盖系统具有扩张趋势，斜柱系统和外环悬索屋盖系统相互配合，减小了外环悬索屋盖系统所承担的内力和中心部位的竖向剪力，本申请具有有利于控制屋盖系统的变形，提高本申请结构的承重能力的效果。

Description

一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构

技术领域

本发明涉及土木工程中大跨度空间建筑的技术领域，尤其是涉及一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构。

背景技术

在体育文化类大跨度建筑的空间结构设计中，常采用大跨度钢结构形式。通常横向跨越60米的钢结构、跨度在30m以上的混凝土、跨度在18m以上的框架结构为大跨度钢结构。其结构形式主要包括网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构、薄壳结构等五大空间结构及各类组合空间结构。

目前建筑设计中的大跨度钢结构在承受较大负载时，大跨度钢结构受力发生变形，使钢结构内部产生有害内力，从而降低了屋盖系统的整体刚度。

发明内容

为了提高钢结构的稳定性，减小钢结构内部产生的有害内力，本申请提供斜柱桁架拉索大跨度钢结构。

本申请提供的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，采用如下的技术方案：

一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，包括从内到外依次设置的斜柱系统、外环悬索屋盖系统和内环弦支屋盖系统；所述内环弦支屋盖系统、外环悬索屋盖系统和斜柱系统同心设置，所述内环弦支屋盖系统与外环悬索屋盖系统的内圈固定连接，所述外环悬索屋盖系统的外圈与斜柱系统固定连接；

所述内环弦支屋盖系统包括中心漏斗机构以及与中心漏斗机构连接的弦支屋盖机构；

所述外环悬索屋盖系统包括多组悬索机构，所述悬索机构沿着内环弦支屋盖系统的径向均布，所述悬索机构设置在弦支屋盖机构和斜柱系统之间并将两者连接；

所述斜柱系统向着远离内环弦支屋盖系统的方向倾斜。

通过采用上述技术方案，内环弦支屋盖系统和外环悬索屋盖系统相对独立，内环弦支屋盖系统和外环悬索屋盖系统共同构成一个大跨度的屋盖系统，在结构安装完成后，对悬索机构进行张拉，外环悬索屋盖系统的结构受拉索预应力作用下向内拉紧，使内环弦支屋盖系统和外环悬索屋盖系统处于稳定状态，从而使本申请系统具有较高的承重能力；

当斜柱系统受到压力时，斜柱系统进一步张拉外环悬索屋盖系统，使外环悬索屋盖系统具有扩张趋势，斜柱系统和外环悬索屋盖系统相互配合，减小了外环悬索屋盖系统所承担的内力和中心部位的竖向剪力，有利于控制屋盖系统的变形，提高了本申请结构的承重能力。

可选的，所述中心漏斗机构包括钢圈、固定连接在钢圈内环上的漏斗上弦杆以及设置在钢圈中心的漏斗立杆，所述漏斗上弦杆水平并沿着钢圈的径向设置，所述漏斗上弦杆的一端固定连接在钢圈的内环上，另一端固定连接在漏斗立杆的顶部。

通过采用上述技术方案，中心漏斗机构位于中心位置，内环弦支屋盖系统连接在中心漏斗机构上，中心漏斗机构在内环弦支屋盖系统的张拉下稳定在中心位置上。

可选的，所述弦支屋盖机构包括内环圈梁、连接内环圈梁和钢圈的上弦连接梁以及连接内环圈梁和漏斗立杆的内环拉索；所述上弦连接梁和内环拉索设置有多组并均沿着内环圈梁的径向设置。

通过采用上述技术方案，内环圈梁设置系统的外圈上，内环圈梁与外环悬索屋盖系统连接，内环拉索和上弦连接梁的两端分别连接内环圈梁和钢圈，内环拉索和上弦连接梁相互配合，内环拉索将拉紧，为上弦连接梁提供一定的预应力，从而提高上弦连接梁的承重能力和稳定性。

可选的，所述内环圈梁包括内环上弦、内环下弦以及连接内环上弦和内环下弦的腹杆，所述内环上弦和内环下弦的直径相同，所述内环上弦设置在内环下弦的上方，所述腹杆竖直设置，所述上弦连接梁的一端固定连接在内环上弦上，另一端固定连接在钢圈上，所述内环拉索的一端固定连接在内环上弦上，另一端固定连接在漏斗立杆的底端。

通过采用上述技术方案，内环圈梁设置内环上弦和内环下弦，可以提高内环圈梁的结构强度，内环下弦和内环上弦之间通过腹杆连接在一起，将内环上弦和内环下弦连接成一个整体，有利于提高内环圈梁的整体结构强度。

可选的，所述弦支屋盖机构还包括固定连接在上弦连接梁上的内圈次梁，所述内圈次梁、内环上弦和钢圈同心设置，所述内圈次梁的直径小于内环上弦的直径，所述内圈次梁的直径大于钢圈的直径。

通过采用上述技术方案，内圈次梁可以稳定上弦连接梁的位置，内圈次梁可以提高内环弦支屋盖系统的稳定性。

可选的，所述中心漏斗机构还包括漏斗下弦杆，所述漏斗下弦杆的一端固定连接在钢圈上，另一端固定连接在漏斗立杆的侧面上。

通过采用上述技术方案，漏斗下弦杆、漏斗立杆和漏斗上弦杆构成一个三角形，利用三角形的稳定性将漏斗立杆稳定在钢圈中心轴线的位置处，有利于提高中心漏斗机构的稳定性，进而提高本申请结构的稳定性。

可选的，所述悬索机构包括连接主梁、外环承重索，所述连接主梁和外环承重索沿着内环弦支屋盖系统的径向设置，所述连接主梁设置有两根，所述外环承重索设置在两根连接主梁中间的上方。

通过采用上述技术方案，连接主梁和外环承重索为悬索机构的主要承重组件，本申请结构在工作时，本申请装置的边缘位置施加一定的载荷，在斜柱系统的作用下，外环承重索被拉伸张紧，从而为外环悬索屋盖系统提供了一定的预紧力，提高了外环悬索屋盖系统的结构强度，从而减小外环悬索屋盖系统的有害变形和有害内力。

可选的，所述悬索机构设置有多组，所述悬索机构还包括多组撑杆，所述撑杆设置在连接主梁和外环承重索之间，所述撑杆的一端固定连接在连接主梁上，另一端固定连接在外环承重索上。

通过采用上述技术方案，使用撑杆将连接主梁外环承重索连接起来，从而限制外环承重索与连接主梁的相对位置关系，从而提高悬索机构的结构稳定性，避免外环承重索与连接主梁之间发生较大的位置偏移，提高整体结构的稳定性。

可选的，所述斜柱系统包括多组连接机构，多组所述连接机构沿着外环悬索屋盖系统的边缘设置，所述连接主梁的一端和外环承重索的一端均与连接机构固定连接。

可选的，所述连接机构包括两根主钢柱、固定连接在主钢柱顶部的下压环、固定连接在主钢柱顶部上的柱顶铸钢件、固定连接在主钢柱上的斜柱以及设置在主钢柱和下压环之间的吊杆；所述主钢柱向着远离中心漏斗机构的方向倾斜，所述连接主梁的端部固定连接在主钢柱上，所述外环承重索的端部固定连接在柱顶铸钢件上，所述斜柱设置有多组，所述斜柱的一端固定连接在主钢柱上，所述斜柱的另一端固定连接在一起，所述吊杆的一端固定连接在柱顶铸钢件上，另一端固定连接在下压环上。

通过采用上述技术方案，主钢柱的底端与墙体连接机构连接在一起，外环承重索与连接机构，连接主梁固定在主钢柱的顶部，外环承重索连接在柱顶铸钢件上，各个斜柱之间相互配合有利于稳定主钢柱的位置，有利于提高连接机构的稳定性，同时主钢柱向外倾斜，利用斜柱系统的自身重力将外环悬索屋盖系统和内环弦支屋盖系统拉紧，提高本申请结构的结构强度，提高承重能力，减低结构变形。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.在结构安装完成后，对悬索机构进行张拉，外环悬索屋盖系统的结构受拉索预应力作用下向内拉紧，使内环弦支屋盖系统和外环悬索屋盖系统处于稳定状态，从而使本申请系统具有较高的承重能力；

2.当斜柱系统受到压力时，斜柱系统进一步张拉外环悬索屋盖系统，使外环悬索屋盖系统具有扩张趋势，斜柱系统和外环悬索屋盖系统相互配合，减小了外环悬索屋盖系统所承担的内力和中心部位的竖向剪力，有利于控制屋盖系统的变形，提高了本申请结构的承重能力。

附图说明

图1是本申请实施例整体结构示意图。

图2是本申请实施例中内环弦支屋盖系统的结构示意图。

图3是本申请实施例中心漏斗机构的结构示意图。

图4是本申请实施例中弦支屋盖机构的结构示意图。

图5是本申请实施例中悬索机构的结构示意图。

图6是本申请实施例中连接机构的结构示意图。

附图标记说明：1、斜柱系统；11、连接机构；111、主钢柱；112、下压环；113、柱顶铸钢件；114、斜柱；115、吊杆；2、外环悬索屋盖系统；21、连接主梁；22、外环承重索；23、撑杆；3、内环弦支屋盖系统；31、中心漏斗机构；311、钢圈；312、漏斗上弦杆；313、漏斗立杆；314、漏斗下弦杆；32、弦支屋盖机构；321、内环圈梁；3211、内环上弦；3212、内环下弦；3213、腹杆；322、上弦连接梁；323、内环拉索；324、内圈次梁。

具体实施方式

以下结合附图1-6对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构。参照图1，一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构包括斜柱系统1、外环悬索屋盖系统2和内环弦支屋盖系统3。内环弦支屋盖系统3、外环悬索屋盖系统2和斜柱系统1同心设置，内环弦支屋盖系统3设置在中心，外环悬索屋盖系统2设置在连接中间位置，斜柱系统1设置在外部。

参照图1和2，内环弦支屋盖系统3包括设置在中心位置处的中心漏斗机构31和连接中心漏斗机构31外围的弦支屋盖机构32。外环悬索屋盖系统2位于弦支屋盖机构32的外围，斜柱系统1与外环悬索屋盖系统2的边缘处连接。斜柱系统1向着背离中心漏斗机构31的方向倾斜，斜柱系统1利用自身的重力拉伸外环悬索屋盖系统2和内环弦支屋盖系统3，使内环弦支屋盖系统3和外环悬索屋盖系统2被张紧，为本实施例结构提供预紧力，提高了本实施例结构的结构强度，提高了承重能力。

当斜柱系统1承受一定的载荷时，斜柱系统1进一步拉紧内环弦支屋盖系统3和外环悬索屋盖系统2，进一步提高本实施例结构的预应力，从而减小本实施例结构产生的变形，减小本实施例结构内部产生有害内力。

参照图3，中心漏斗机构31包括水平设置的钢圈311、焊接在钢圈311侧面上的漏斗上弦杆312、竖直设置在钢圈311中心的漏斗立杆313以及焊接在钢圈311上的漏斗下弦杆314。漏斗上弦杆312和漏斗下弦杆314均设置有多个，漏斗上弦杆312和漏斗下弦杆314沿着钢圈311均布，漏斗立杆313的顶部设置在钢圈311的中心位置。漏斗上弦杆312沿着钢圈311的直径水平设置，漏斗上弦杆312的一端焊接钢圈311的内侧，另一端焊接在漏斗立杆313的顶部。

漏斗下弦杆314的顶部焊接在钢圈311的底部侧面上，底端焊接在漏斗立杆313的中间位置侧面上。漏斗下弦杆314位于漏斗上弦杆312的下方，漏斗下弦杆314在水平面上的投影图与漏斗上弦杆312在水平面上的投影图相同。漏斗下弦杆314、漏斗上弦杆312和漏斗立杆313构成一个三角形，漏斗下弦杆314和漏斗上弦杆312可以提高漏斗立杆313的稳定性，有利于加强中心漏斗机构31的结构稳定性。

参照图4，弦支屋盖系统包括内环圈梁321、上弦连接梁322、内环拉索323和内圈次梁324。内环圈梁321、钢圈311和内环次梁同心设置，钢圈311设置内部，内环次梁设置在中间，内环圈梁321设置在外部。在钢圈311的外侧面上焊接有连接件，上弦连接梁322沿着内环圈梁321的径向设置，上弦连接梁322的一端使用螺栓锚固在内环圈梁321的内侧面上，另一端使用螺栓锚固在连接件上。内环拉索323的一端使用螺栓锚固在内环圈梁321的内侧面上，另一端使用螺栓锚固在漏斗立杆313的底端。

内环圈梁321包括内环上弦3211、内环下弦3212和连接内环上弦3211和内环下弦3212的腹杆3213。内环上弦3211的直径和内环下弦3212的直径相同，两者同心设置，内环上弦3211位于内环下弦3212的上方，腹杆3213设置有多组，腹杆3213竖直设置。上弦连接梁322的一端锚固在内环上弦3211上，内环拉索323的一端锚固在腹杆3213的底部。

内环拉索323设置在上弦连接梁322的下方，上弦连接梁322和内环拉索323均设置有多组并且数量相同。内环拉索323在水平面上的投影图和上弦连接梁322在水平面上的投影图相同。内环拉索323被拉紧，从而对内环弦支屋盖系统3施加一定的预紧力，从而提高内环弦支屋盖系统3的结构强度。

参照图1和5，外环悬索屋盖系统2包括多组悬索机构。悬索机构沿着内环圈梁321的直径方向设置。悬索机构包括连接主梁21、外环承重索22和撑杆23。每组悬索机构包括两根连接主梁21，连接主梁21的一端锚固在斜柱系统1上，另一端锚固在内环下弦3212的外侧面上，外环承重索22的一端锚固在连接在斜柱系统1上，另一端锚固在内环下弦3212上。

外环承重索22设置在两跟连接主梁21中间位置的上方，撑杆23设置有多组，每组撑杆23设置在外环承重索22的两侧，在外环承重索22上套设有连接件，撑杆23的一端使用螺栓锚固在连接件上，另一端锚固在连接主梁21上。每组撑杆23构成一个八字撑，撑杆23将外环承重索22和连接主梁21连接在一起，提高了悬索机构的稳定性。同时撑杆23与外环承重索22之间柔性连接，当外环悬索屋盖系统2承受较大的负载时，悬索连接机构11可以发生相应的轻微变形，从而减低外环悬索屋盖系统2产生较大的有害内力。

参照图5和6，斜柱系统1包括多组连接机构11，连接机构11沿着连接主梁21的端部设置，构成一个圆环。每组连接机构11包括两个顶部向着背离中心漏斗机构31方向倾斜的主钢柱111、焊接在主钢柱111顶部的下压环112、焊接在主钢柱111顶部的柱顶铸钢件113以及焊接在主钢柱111上的斜柱114和吊杆115。

连接主梁21的一端锚固在柱顶铸钢件113的顶部上。吊杆115的一端焊接在主钢柱111上，另一端焊接在下压环112上。下压环112水平设置，多组下压环112共同构成一个圆环。每根主钢柱111的顶部和底部均焊接有一个人斜柱114，四根斜柱114的端部焊接在一起。在主钢柱111的底部焊接有劲性柱，劲性柱的底部埋入建筑物混凝土的内部，劲性柱埋入建筑物的部分为钢管混凝土内包型钢。劲性柱为主钢柱111和建筑物连接部分的主受力构件。

内环弦支屋盖系统3和外环悬索屋盖系统2的整体结构为中心对称机构，当斜柱系统1受到较大载荷时，主钢柱111向外倾斜，主钢柱111拉伸连接主梁21、外环承重索22、内环圈梁321、上弦连接梁322和内环拉索323，并使上述部件被张紧，使本实施例整体结构内部产生预紧力。本实施例整体结构为中心对称结构，其内部产生的预紧力处于平衡状态，中心部分没有较大的竖向剪力，整体结构刚度较强。

本申请实施例一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构的实施原理为：一种斜柱114桁架拉索大跨度钢结构，内环弦支屋盖系统3为独立弦支结构，形成整块刚体，外环悬索屋盖系统2与斜柱系统1形成自平衡体系的桁架环。此类结构中内环与外环受拉稳定，整体结构形式为轴对称，中心部分竖向剪力较小，刚度较强，能更有效控制结构变形便于上部施工。悬索机构为折扇单元形式，整体刚度较强。

通过控制主钢柱111的倾斜角度，对内部结构产生径向扩张分量，抵消部分由悬索机构产生的径向收缩分量，代替传统大跨钢结构中环桁架外圈梁，构成自平衡体系。结构形式双轴对称，通过外环承重索22和连接主梁21，将每组对称外立面连接机构11与内环弦支屋盖系统3联系，形成完整结构体系，整体结构具有较强的鲁棒性。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：包括从内到外依次设置的斜柱系统（1）、外环悬索屋盖系统（2）和内环弦支屋盖系统（3）；所述内环弦支屋盖系统（3）、外环悬索屋盖系统（2）和斜柱系统（1）同心设置，所述内环弦支屋盖系统（3）与外环悬索屋盖系统（2）的内圈固定连接，所述外环悬索屋盖系统（2）的外圈与斜柱系统（1）固定连接；

所述内环弦支屋盖系统（3）包括中心漏斗机构（31）以及与中心漏斗机构（31）连接的弦支屋盖机构（32）；

所述外环悬索屋盖系统（2）包括多组悬索机构，所述悬索机构沿着内环弦支屋盖系统（3）的径向均布，所述悬索机构设置在弦支屋盖机构（32）和斜柱系统（1）之间并将两者连接；

所述斜柱系统（1）向着远离内环弦支屋盖系统（3）的方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述中心漏斗机构（31）包括钢圈（311）、固定连接在钢圈内环上的漏斗上弦杆（312）以及设置在钢圈（311）中心的漏斗立杆（313），所述漏斗上弦杆（312）水平并沿着钢圈（311）的径向设置，所述漏斗上弦杆（312）的一端固定连接在钢圈（311）的内环上，另一端固定连接在漏斗立杆（313）的顶部。

3.根据权利要求2所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述弦支屋盖机构（32）包括内环圈梁（321）、连接内环圈梁（321）和钢圈（311）的上弦连接梁（322）以及连接内环圈梁（321）和漏斗立杆（313）的内环拉索（323）；所述上弦连接梁（322）和内环拉索（323）设置有多组并均沿着内环圈梁（321）的径向设置。

4.根据权利要求3所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述内环圈梁（321）包括内环上弦（3211）、内环下弦（3212）以及连接内环上弦（3211）和内环下弦（3212）的腹杆（3213），所述内环上弦（3211）和内环下弦（3212）的直径相同，所述内环上弦（3211）设置在内环下弦（3212）的上方，所述腹杆（3213）竖直设置，所述上弦连接梁（322）的一端固定连接在内环上弦（3211）上，另一端固定连接在钢圈（311）上，所述内环拉索（323）的一端固定连接在内环上弦（3211）上，另一端固定连接在漏斗立杆（313）的底端。

5.根据权利要求4所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述弦支屋盖机构（32）还包括固定连接在上弦连接梁（322）上的内圈次梁（324），所述内圈次梁（324）、内环上弦（3211）和钢圈（311）同心设置，所述内圈次梁（324）的直径小于内环上弦（3211）的直径，所述内圈次梁（324）的直径大于钢圈（311）的直径。

6.根据权利要求2所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述中心漏斗机构（31）还包括漏斗下弦杆（314），所述漏斗下弦杆（314）的一端固定连接在钢圈（311）上，另一端固定连接在漏斗立杆（313）的侧面上。

7.根据权利要求4所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述悬索机构包括连接主梁（21）、外环承重索（22），所述连接主梁（21）和外环承重索（22）沿着内环弦支屋盖系统（3）的径向设置，所述连接主梁（21）设置有两根，所述外环承重索（22）设置在两根连接主梁（21）中间的上方。

8.根据权利要求7所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述悬索机构设置有多组，所述悬索机构还包括多组撑杆（23），所述撑杆（23）设置在连接主梁（21）和外环承重索（22）之间，所述撑杆（23）的一端固定连接在连接主梁（21）上，另一端固定连接在外环承重索（22）上。

9.根据权利要求8所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述斜柱系统（1）包括多组连接机构（11），多组所述连接机构（11）沿着外环悬索屋盖系统（2）的边缘设置，所述连接主梁（21）的一端和外环承重索（22）的一端均与连接机构（11）固定连接。

10.根据权利要求9所述的一种斜柱桁架拉索大跨度钢结构，其特征在于：所述连接机构（11）包括两根主钢柱（111）、固定连接在主钢柱（111）顶部的下压环（112）、固定连接在主钢柱（111）顶部上的柱顶铸钢件（113）、固定连接在主钢柱（111）上的斜柱（114）以及设置在主钢柱（111）和下压环（112）之间的吊杆（115）；所述主钢柱（111）向着远离中心漏斗机构（31）的方向倾斜，所述连接主梁（21）的端部固定连接在主钢柱（111）上，所述外环承重索（22）的端部固定连接在柱顶铸钢件（113）上，所述斜柱（114）设置有多组，所述斜柱（114）的一端固定连接在主钢柱（111）上，所述斜柱（114）的另一端固定连接在一起，所述吊杆（115）的一端固定连接在柱顶铸钢件（113）上，另一端固定连接在下压环（112）上。

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