CN115233824A - 大悬挑偏心环钢结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大悬挑偏心环钢结构及其施工方法。钢结构包括偏心环状上、下层钢结构，两者后部通过多组钢柱相连，每组钢柱包括多个钢柱，每组钢柱底部与基础上的一钢筋混凝土筒相连，上、下层钢结构的前部设有上下相对的空心圆，上、下层钢结构的四周呈悬挑状态。上、下层钢结构均包括外圈环桁架和内圈环桁架，外圈环桁架与内圈环桁架之间通过垂直交叉布设的多个环间直桁架相连。上层钢结构的顶部安装有预应力拉索系统，预应力拉索系统用于提高上层钢结构的承载力并避免上层钢结构的悬挑部分发生变形。本发明解决了异型、大尺寸悬挑、基础不佳的问题，结构承载力强，结构强度和刚度有保障。

Description

大悬挑偏心环钢结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种大悬挑偏心环钢结构及其施工方法，属于异型钢结构建筑领域。

背景技术

随着建筑行业的不断发展，建筑设计师对建筑的造型有了更高的要求，目前直上直下、单一造型的钢结构已很难满足建筑设计师的要求。在实际工程中，悬挑环状钢结构，特别是悬挑偏心环钢结构这种特殊造型的建筑已逐步走进人们的视野，但具有上述特殊造型的钢结构的整体建筑尺寸通常较小(10米以内)，因此不用考虑其结构体内预应力的问题，结构强度和刚度、变形挠度等方面都很容易满足工程要求。但当悬挑偏心环钢结构尺寸变大，特别是悬挑长度变长时，便要对整个结构体内预应力、结构强度和刚度、变形挠度等问题进行全面考虑，否则结构会存在很大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大悬挑偏心环钢结构及其施工方法，此大悬挑偏心环钢结构解决了异型、大尺寸悬挑、基础不佳的问题，结构承载力强，结构强度和刚度有保障。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种大悬挑偏心环钢结构，其特征在于：它包括上下平行、呈偏心环状的上层钢结构和下层钢结构，上层钢结构和下层钢结构的后部通过多组钢柱相连，每组钢柱由多个钢柱构成，每组钢柱的底部与基础上施工的一钢筋混凝土筒相连，上层钢结构和下层钢结构的前部设有空心圆，上层钢结构与下层钢结构上的空心圆上下相对，上层钢结构和下层钢结构的四周呈悬挑状态，其中：上层钢结构、下层钢结构均包括外圈环桁架和内圈环桁架，外圈环桁架与内圈环桁架之间通过垂直交叉布设的多个环间直桁架相连；上层钢结构的顶部安装有预应力拉索系统，预应力拉索系统包括呈U状的一组内拉索和呈直线状的两组外拉索，其中：此一组内拉索将上层钢结构的外圈环桁架、内圈环桁架、环间直桁架与相应钢柱互相拉结固定，两组外拉索在垂直于前后方向的方向上分别处于此一组内拉索的两侧，各组外拉索将上层钢结构的外圈环桁架、环间直桁架与相应钢柱互相拉结固定，以提高上层钢结构的承载力并避免上层钢结构的悬挑部分发生变形。

一种所述的大悬挑偏心环钢结构的施工方法，其特征在于，它包括步骤：

1)在基础上施工钢筋混凝土筒，并在钢筋混凝土筒旁安装塔吊；

2)分段划分各所述钢柱，分段划分所述下层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架，以及分段划分所述上层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架；

3)为所述钢柱和所述下层钢结构的吊装搭设下层临时支撑结构；

4)在基础上搭设胎架，以借助胎架加工出所述下层钢结构的所述外圈环桁架的各段、所述内圈环桁架的各段和所述环间直桁架的各段；

5)借由塔吊对所述钢柱进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业，其中，最下面一段所述钢柱与钢筋混凝土筒上外露的预埋件焊接固定；

6)借由塔吊对所述下层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架分别进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业；

7)在吊装完的所述下层钢结构上搭设上层临时支撑结构；

8)在基础上搭设胎架，以借助胎架加工出所述上层钢结构的所述外圈环桁架的各段、所述内圈环桁架的各段和所述环间直桁架的各段；

9)借由塔吊对所述上层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架分别进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业；

10)在所述钢柱之间焊接钢斜撑；

11)对上层临时支撑结构卸荷载后进行拆除；

12)对下层临时支撑结构卸荷载后进行拆除；

13)安装所述预应力拉索系统并完成张拉；

14)施工完毕。

本发明的优点是：

1、本发明大悬挑偏心环钢结构为一种大尺寸悬挑的异型钢结构，其借由预应力拉索系统的设计提高了自身结构承载力，可有效避免上层钢结构四周悬挑部分，特别是悬挑长度长的前部发生变形，确保了结构强度和刚度，使得整个结构的变形挠度符合工程要求。在本发明中，预应力拉索系统很好地解决了结构体内预应力问题，改善了结构的受力状态，增加了结构的刚度和安全。

2、本发明施工方法快速、便捷，安装精度易把控，施工质量有保障，确保了大悬挑偏心环钢结构的承载能力、结构强度与刚度，特别适用于在地形复杂，甚至是周边无支撑建筑结构的基础上实施。

附图说明

图1是本发明大悬挑偏心环钢结构的局部示意图。

图2是上层钢结构的俯视示意图。

图3是图2中的预应力拉索系统的平面布置示意图。

图4是图3的立体示意图。

图5是直向索夹的一实施例的结构示意图。

图6是直向索夹的另一实施例的结构示意图。

图7是螺母式锚具的结构示意图。

图8是叉耳式下锚具、叉耳式环向锚具的结构示意图。

图9是竖直转向索夹的结构示意图。

图10是环向索夹的结构示意图。

图11是环向索夹的侧视示意图。

图12是下层临时支撑结构的一施工方式说明图。

图13是下层临时支撑结构的另一施工方式说明图。

图14是上层临时支撑结构的施工方式说明图。

具体实施方式

如图1至图11所示，本发明大悬挑偏心环钢结构包括上下平行、呈偏心环状的上层钢结构21和下层钢结构22，上层钢结构21和下层钢结构22的后部通过多组钢柱相连，每组钢柱由多个钢柱构成，每组钢柱的底部与基础上施工的一钢筋混凝土筒(又称核心筒，图中未示出)相连，上层钢结构21和下层钢结构22的前部设有形成偏心环形状的空心圆30，上层钢结构21与下层钢结构22上的空心圆30上下相对，上层钢结构21和下层钢结构22的四周呈悬挑状态(如图1、图2)，其中以前部悬挑长度最长，其中：上层钢结构21、下层钢结构22均包括外圈环桁架31和处于外圈环桁架31内的内圈环桁架32，外圈环桁架31与内圈环桁架32之间通过垂直交叉布设的多个环间直桁架33相连；上层钢结构21的顶部安装有预应力拉索系统50，预应力拉索系统50包括呈U状的一组内拉索和呈直线状的两组外拉索，其中：此一组内拉索将上层钢结构21的外圈环桁架31、内圈环桁架32、环间直桁架33与相应钢柱互相拉结固定，两组外拉索在垂直于前后方向的方向上分别处于此一组内拉索的两侧，各组外拉索将上层钢结构21的外圈环桁架31、环间直桁架33与相应钢柱互相拉结固定，以提高上层钢结构21的承载力并避免上层钢结构21的悬挑部分发生变形。

在实际设计中，如图3和图4，一组内拉索分为一环向部分61、两个直向部分62和两个倾斜部分63五个部分，环向部分61的两端各自经由一直向部分62与一倾斜部分63连接，其中：环向部分61沿上层钢结构21的内圈环桁架32的前半部分布设且经由环向索夹52与内圈环桁架32相连，各环向索夹52经由一径向拉索58与一叉耳式环向锚具54’相连，叉耳式环向锚具54’与上层钢结构21的外圈环桁架31相连；环向部分61的各端通过一直向索夹51转换成直向部分62，直向部分62在上层钢结构21的环间直桁架33上沿前后方向布设且经由直向索夹51与环间直桁架33相连，各直向部分62的后端通过一竖直转向索夹53转换成倾斜部分63，竖直转向索夹53与环间直桁架33和相应钢柱的顶部相连，朝向后方倾斜向下的倾斜部分63的后端通过叉耳式下锚具54与相应钢柱介于上层钢结构21与下层钢结构22之间的部位相连。

进一步地，如图3和图4，两组外拉索均分为一直向部分71和一倾斜部分72两个部分，沿前后方向布设的直向部分71的前端经由螺母式锚具55与上层钢结构21的外圈环桁架31相连，直向部分71的后端通过一竖直转向索夹53转换成倾斜部分72，竖直转向索夹53与环间直桁架33和相应钢柱的顶部相连，直向部分71的其余部分经由直向索夹51与上层钢结构21的环间直桁架33相连，朝向后方倾斜向下的倾斜部分72的后端通过叉耳式下锚具54与相应钢柱介于上层钢结构21与下层钢结构22之间的部位相连。

如图3和图4，一组内拉索由并排的两根内拉索56构成，两组外拉索均由并排的两根外拉索57构成，其中：内拉索56的直径大于径向拉索58的直径，内拉索56与外拉索57的直径可设计为相同；对于一组内拉索，直向索夹51、环向索夹52、竖直转向索夹53上同时并排安装两根内拉索56，两根内拉索56从竖直转向索夹53朝向后方倾斜向下后分别与一叉耳式下锚具54连接，两根内拉索56所连接的两个叉耳式下锚具54作为一对叉耳式下锚具54；对于两组外拉索，直向索夹51、竖直转向索夹53、螺母式锚具55上同时并排安装两根外拉索57，两根外拉索57从竖直转向索夹53朝向后方倾斜向下后分别与一叉耳式下锚具54连接，两根外拉索57所连接的两个叉耳式下锚具54作为一对叉耳式下锚具54。

在本发明中，上层钢结构21、下层钢结构22及预应力拉索系统50以前后方向为轴对称设置。如图3，从图1俯视看去，一组内拉索大致呈U字状排布，两组外拉索呈一字状(或说直线状)分别位于此一组内拉索的两侧排布，进一步来说，上层钢结构21的两侧分别布置有两个竖直转向索夹53和两对叉耳式下锚具54。

在实际实施时，每根内拉索56可由两根拉索单元通过套筒59在环向部分61拉紧相连，拉索单元为比内拉索56长度短的拉索。

在实际设计中，环向索夹52、叉耳式环向锚具54’、直向索夹51的数量和位置排布可根据结构实际受力合理设计，不受局限。另外，用做辅助拉索的各径向拉索58的长度可各不相同，各径向拉索58应沿内圈环桁架32的不同径向方向设置。另外，各索夹和锚具的标高根据实际需要来设计，可各不相同。

进一步来说，上层钢结构21和下层钢结构22的后部通过四组钢柱相连，四组钢柱呈规则矩阵排布，且每组钢柱由呈规则矩阵排布的四个钢柱构成，其中：位于上层钢结构21一侧的两个竖直转向索夹53和两对叉耳式下锚具54分别与位于上层钢结构21同侧、处于上层钢结构21最后面的那一组钢柱的四个钢柱连接，参考图1、图2来理解。

图2示出了上层钢结构21和下层钢结构22的后部通过四组钢柱相连的情形，四组钢柱呈规则矩阵形式排布。进一步地，每组钢柱由呈规则矩阵形式排布的四个钢柱构成。如图2，标号34所示圆圈圈出的四个钢柱11构成一组钢柱(参考图1)，标号35所示圆圈圈出的四个钢柱12构成一组钢柱(参考图1)，同理，标号36所示圆圈圈出的四个钢柱(图中未标出)构成一组钢柱，标号37所示圆圈圈出的四个钢柱(图中未标出)构成一组钢柱，共计4组钢柱。而在实际施工中，钢柱最终施工呈现为外包混凝土的方钢柱形成的复合钢骨柱更佳。

另外，图2示出了上层钢结构21的组成。下层钢结构22除没有安装预应力拉索系统50之外，其与上层钢结构21的组成基本相同，但两者在前后方向上的位置可错位设计(如图1)，请参考图2来理解。

在实际设计时，对于上层钢结构21、下层钢结构22的环间直桁架33，一部分环间直桁架33沿前后方向设置，其余部分环间直桁架33沿垂直于前后方向的方向设置，并且，一部分环间直桁架33作为主桁架而其余部分作为次桁架。进一步地，环间直桁架33可采用K型桁架和/或X型桁架，外圈环桁架31、内圈环桁架32、环间直桁架33通常由作为横梁、立柱和斜撑的圆钢管和/或方钢管焊接而成。外圈环桁架31、内圈环桁架32、环间直桁架33、钢筋混凝土筒的构成为本领域的熟知技术，不受局限。

在实际施工时，在上层钢结构21与下层钢结构22之间，每组钢柱的各钢柱之间、相邻两组钢柱中的相邻两个钢柱之间通过钢斜撑13连接。

如图5和图6，直向索夹51包括支座511和上夹板513，支座511底部用于与环间直桁架33焊接，支座511的底面视其所焊接的钢管截面形状等情况设计为平面或上凹弧面，支座511上平行设有两条上敞口的弧形槽512，上夹板513上平行设有两条瓦状夹持部5130，其中：当上夹板513扣在支座511上后，两条弧形槽512分别与两条夹持部5130形成两个用于夹持两个内拉索56或两个外拉索57的圆形孔道，且当内拉索56或外拉索57夹持在孔道内后，上夹板513通过固定螺栓514与支座511相固定。

如图10和图11，环向索夹52包括支座521、上夹板523和固定座529，支座521底部两侧延伸有固定板526，支座521通过穿设固定板526安装的锁紧螺栓528固定在固定座529上，固定座529用于与内圈环桁架32焊接，固定座529的底面视其所焊接的钢管截面形状等情况设计为平面或上凹弧面(如图10)，支座521上平行设有两条上敞口的弧形槽522，弧形槽522沿与内圈环桁架32的径向方向相切的方向设置，上夹板523上平行设有两条瓦状夹持部5230，支座521的一侧设有用于与径向拉索58连接的耳板525，耳板525应沿内圈环桁架32的径向方向延伸，其中：当上夹板523扣在支座521上后，两条弧形槽522分别与两条夹持部5230形成两个用于夹持两个内拉索56的圆形孔道，且当内拉索56夹持在孔道内后，上夹板523通过固定螺栓524与支座521相固定。

如图9，竖直转向索夹53包括马鞍状支座531和瓦状上夹板533，支座531底部设有用于与钢柱焊接的牛腿538，支座531上设有两条上敞口、向下弯曲的弧形槽532，每条弧形槽532对应设有多个上夹板533(图9示出了一条弧形槽532间隔设有3个上夹板533的情形)，支座531的侧面设有用于与环间直桁架33上的钢管焊接的多个牛腿(如图9所示牛腿535、536)，其中：当上夹板533扣在支座531上后，弧形槽532与上夹板533形成用于夹持内拉索56或外拉索57的圆形孔道，且当内拉索56或外拉索57夹持于孔道内后，上夹板533通过固定螺栓534与支座531相固定。

为了增加上夹板513的稳定性，如图6，直向索夹51的支座511上设有用于容置上夹板513的夹板卡槽515。

同样，为了增加上夹板523的稳定性，如图10，环向索夹52的支座521上设有用于容置上夹板523的夹板卡槽520。

如图10，环向索夹52的固定板526上设有长圆孔527，长圆孔527的周边设有锯齿(图中未示出)，长圆孔527沿内圈环桁架32的径向方向设置，其中：锁紧螺栓528套设带锯齿的垫片5281后穿设于长圆孔527中并通过与锁紧螺母(图中未示出)的螺接来实现支座521在固定座529上的固定。长圆孔527周边的锯齿和带锯齿的垫片5281的设计目的在于，在内圈环桁架32的径向方向上调节环向索夹52的位置，从而沿内圈环桁架32的径向方向可微调环向索夹52上吊装的内拉索56的位置。

如图9，竖直转向索夹53的支座531的侧面还设有用于与钢斜撑13焊接的牛腿(如图9所示牛腿537)，其中：每组钢柱的各钢柱之间、相邻两组钢柱中的相邻两个钢柱之间通过钢斜撑13连接。

在本发明中，叉耳式下锚具54、叉耳式环向锚具54’、螺母式锚具55为本领域的已有锚具。

图8示出了叉耳式下锚具54和叉耳式环向锚具54’的结构，叉耳式下锚具54、叉耳式环向锚具54’通常包括调节接头和叉耳，调节接头用于旋拧锁紧来拉紧固定拉索(内拉索56、外拉索57)，叉耳541用于通过螺栓与钢结构(如钢柱、外圈环桁架31的钢管)上焊接的挂耳(图中未示出)相固定。

图7示出了螺母式锚具55的结构，螺母式锚具55上设有用于锁固外拉索57的螺母，另外根据实际需求，螺母式锚具55上设有用于与外圈环桁架31上的钢管焊接的多个牛腿(如图7所示牛腿552、553、554)。

在本发明中，下层钢结构22上还安装有抗振阻尼器，如电涡流型抗振阻尼器(已有器件)，以增强结构的舒适性能。

在本发明中，图1和图2示出了上层钢结构21和下层钢结构22的前后方向，即空心圆30处于上层钢结构21和下层钢结构22的前部，四组钢柱处于上层钢结构21和下层钢结构22的后部。

本发明还提出了一种大悬挑偏心环钢结构的施工方法，其适用于在地形复杂，甚至是周边无支撑建筑结构的基础上施工，包括如下步骤：

1)在基础上施工钢筋混凝土筒(又称核心筒，图中未示出)，并在钢筋混凝土筒旁安装塔吊(图中未示出)；

2)根据吊装重量、受力特点等因素，分段划分各钢柱，分段划分下层钢结构22的外圈环桁架31、内圈环桁架32和环间直桁架33，以及分段划分上层钢结构21的外圈环桁架31、内圈环桁架32和环间直桁架33；

3)为钢柱和下层钢结构22的吊装搭设下层临时支撑结构80；

4)在基础上搭设胎架(图中未示出)，以借助胎架加工出下层钢结构22的外圈环桁架31的各段、内圈环桁架32的各段和环间直桁架33的各段；

5)借由塔吊对钢柱进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业，其中，最下面一段钢柱与钢筋混凝土筒上外露的预埋件(如钢管)焊接固定；

6)借由塔吊对下层钢结构22的外圈环桁架31、内圈环桁架32和环间直桁架33分别进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业；

7)在吊装完的下层钢结构22上搭设上层临时支撑结构90；

8)在基础上搭设胎架(图中未示出)，以借助胎架加工出上层钢结构21的外圈环桁架31的各段、内圈环桁架32的各段和环间直桁架33的各段；

9)借由塔吊对上层钢结构21的外圈环桁架31、内圈环桁架32和环间直桁架33分别进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业；

10)在钢柱之间焊接钢斜撑13；

11)对上层临时支撑结构90卸荷载后进行拆除；

12)对下层临时支撑结构80卸荷载后进行拆除；

13)安装预应力拉索系统50并完成张拉；

14)施工完毕。

在实际施工中，当本发明钢结构施工完成后，可视实际建筑需求，在上、下层的环间直桁架33上进行混凝土浇筑来形成楼板结构等。另外，根据实际需求还可设计楼梯、电梯等，此均为已有技术，不在此详述。

在本发明中，鉴于吊装跨度大、吊装位置高，塔吊选用了QTZ610(ZSL850)型塔吊，其为重型柴油动臂塔，固定基础式安装，最大独立高度可达56m，最大工作幅度可达65m，最大起重量可达50t。在实际施工时，分段吊装的重量应控制在12t左右。

在步骤3)中：若基础为混凝土结构，则下层临时支撑结构80与基础上的预埋件焊接固定，若基础为无法提供支撑的非混凝土结构，则下层临时支撑结构80与基础上施工的转换平台81(如钢平台、路基箱或混凝土承台等)固定，如图12，其中：若基础上施工有建筑物(图中未示出)，则其中一部分下层临时支撑结构80通过转换梁84固定于建筑物的楼板结构100上(参考图13、图14来理解)；因下层临时支撑结构80高度较高(可达37m)，故为确保其支撑稳定性，每3-4个邻近的下层临时支撑结构80之间通过钢梁结构82连成一组，以增强支撑强度与稳定性。特别地，每个下层临时支撑结构80通过缆风绳83与基础锚固固定。

在步骤7)中：如图14，上层临时支撑结构90采用焊接固定方式直接落于下层钢结构22上。

在本发明中，下层临时支撑结构80、上层临时支撑结构90和钢梁结构均宜采用格构柱结构。

在实际施工中，下层临时支撑结构80、上层临时支撑结构90的数量和位置可视实际吊装需求合理设计，不受局限。

在步骤13)后还包括在下层钢结构22上安装抗振阻尼器，优选电涡流型抗振阻尼器。

在实际实施时，步骤13)进一步包括：

13-1)安装索夹和锚具：

在上层钢结构21的内圈环桁架32的前半部分上安装环向索夹52，在上层钢结构21的环间直桁架33上沿前后方向安装直向索夹51，在相应钢柱的顶部安装竖直转向索夹53且令竖直转向索夹53与环间直桁架33相连，在上层钢结构21的外圈环桁架31上安装螺母式锚具55；

13-2)采用吊机起吊安装拉索：

在各环向索夹52、相应直线布设的多个直向索夹51和相应两个竖直转向索夹53上起吊安装一组内拉索，此一组内拉索呈U状且朝后的两个后端通过叉耳式下锚具54与相应钢柱介于上层钢结构21与下层钢结构22之间的部位相连；

在相应直线布设的多个直向索夹51、相应两个竖直转向索夹53和两个螺母式锚具55上起吊安装两组外拉索，两组外拉索呈直线状且在垂直于前后方向的方向上位于此一组内拉索的两侧，如图4所示，各组外拉索朝后的后端通过叉耳式下锚具54与相应钢柱介于上层钢结构21与下层钢结构22之间的部位相连；

各环向索夹52与一径向拉索58一端相连，径向拉索58另一端通过叉耳式环向锚具54’与上层钢结构21的外圈环桁架31相连；

13-3)拉索张拉：

通过一台油泵进行控制，借由一拖二千斤顶对此一组内拉索的两个后端进行同步张拉，当张拉力(索力)达到预设值后，通过旋拧叉耳式下锚具54的调节接头，令此一组内拉索的两个后端与叉耳式下锚具54之间拉紧固定，并借由旋紧环向索夹52、相应直向索夹51和相应竖直转向索夹53上的固定螺栓514、524、534来锁定此一组内拉索，其中：在张拉此一组内拉索的过程中，沿内圈环桁架32的径向方向调节环向索夹52的位置来调整张拉力，当此一组内拉索的张拉力达到预设值后，通过旋拧叉耳式环向锚具54’的调节接头，令各径向拉索58与叉耳式环向锚具54’之间拉紧固定；

通过两个螺母式锚具55分别调节并拉紧两组外拉索后，通过一台油泵进行控制，借由一拖二千斤顶对两组外拉索进行同步张拉，当张拉力达到预定值后，通过旋拧叉耳式下锚具54的调节接头，令此两组外拉索的后端与叉耳式下锚具54之间拉紧固定，并借由旋紧相应直向索夹51和相应竖直转向索夹53上的固定螺栓514、524、534来锁定此两组外拉索；

13-4)完成预应力拉索系统50的安装与张拉。

在步骤13-2)中，较佳地，先在直向索夹51、环向索夹52和竖直转向索夹53的弧形槽512、522、532内依次垫设1mm厚度的聚四氟乙烯板和0.4mm-0.5mm厚度的不锈钢钢片(图中未示出)后再吊放内拉索56和外拉索57。

较佳地，在步骤13-3)中：在张拉一组内拉索的过程中，旋松环向索夹52、相应直向索夹51和相应竖直转向索夹53上的固定螺栓514、524、534来减小张拉造成的摩擦；在张拉两组外拉索的过程中，旋松相应直向索夹51和相应竖直转向索夹53上的固定螺栓514、534来减小张拉造成的摩擦。

从上述本发明施工方法可以看到，在张拉阶段，索夹与拉索(内拉索56、外拉索57)之间是允许做相对滑移调节的，而索夹与钢结构(钢柱、上层钢结构21)之间仅允许沿内圈环桁架32的径向方向做滑移调节，这样的设计更好地确保了张拉后的效果和张拉过程中的结构稳定性。

另外，在实际实施时，张拉过程宜分级张拉，即按照张拉力预设值/预定值的20％、40％、60％、80％、100％、110％、103％，分七级进行张拉，且张拉过程中采取索力和伸长值双控原则，以使索力可缓慢均匀传递至锚具(可称为锚固端)。

在本发明中，钢筋混凝土筒的施工，塔吊的安装，上层钢结构21、下层钢结构22的各桁架的各段在胎架上的加工制造过程，下层临时支撑结构80、上层临时支撑结构90的安装、卸荷载和拆除过程，抗振阻尼器的安装过程均为本领域的熟知技术，故不在这里详述。

在实际实施时，对上层临时支撑结构90进行卸荷载是指切断上层临时支撑结构90顶部与位于其上面的钢结构之间的连接，对上层临时支撑结构90进行拆除是指将上层临时支撑结构90全部拆掉。同理，对下层临时支撑结构80进行卸荷载是指切断下层临时支撑结构80顶部与位于其上面的钢结构之间的连接，对下层临时支撑结构80进行拆除是指将下层临时支撑结构80全部拆掉。

在这里需要指出的是，常规做法是先进行预应力拉索的张拉，然后进行临时支撑结构的卸荷载和拆除。但对于常规做法，考虑到冬季混凝土达到凝结强度的龄期较长，混凝土养护期间，整个结构基本无法进行后续施工，且混凝土楼板的荷载将通过相应结构传递至临时支撑结构上，这样会降低支撑的稳定性、增加支撑的下部荷载，且会产生一定的安全隐患。由此，本发明为减小安全风险，同时确保工程连续施工，节约工期，采取了先进行临时支撑结构的卸荷载和拆除，再进行预应力拉索(内拉索56、外拉索57)的张拉这一顺序。

在实际实施时，本发明大悬挑偏心环钢结构为一种大尺寸异型钢结构，其上层钢结构21、下层钢结构22呈圆环，外圆直径可达七十多米，上层钢结构21、下层钢结构22上的空心圆30直径可达三十多米，上层钢结构21和下层钢结构22的四周均呈悬挑状态，其中，呈悬挑状态的前部悬挑长度可达三十多米，后部和两侧悬挑长度也达到了十多米，上、下层钢结构21、22之间的层间高度可达6m左右，整个本发明大悬挑偏心环钢结构的总高度可达近五十米。

因此，为改善结构内力和变形问题，本发明在上层钢结构21顶部设计了预应力拉索系统50，这使得本发明大悬挑偏心环钢结构仅仅依靠位于中后部的四个钢筋混凝土筒(核心筒)作为支撑并实现稳固可靠成为可能。

本发明适用于结构高度十米以上，偏心环钢结构外径十米以上，最大悬挑长度十米以上的大悬挑大尺寸异型钢结构。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大悬挑偏心环钢结构，其特征在于：它包括上下平行、呈偏心环状的上层钢结构和下层钢结构，上层钢结构和下层钢结构的后部通过多组钢柱相连，每组钢柱由多个钢柱构成，每组钢柱的底部与基础上施工的一钢筋混凝土筒相连，上层钢结构和下层钢结构的前部设有空心圆，上层钢结构与下层钢结构上的空心圆上下相对，上层钢结构和下层钢结构的四周呈悬挑状态，其中：上层钢结构、下层钢结构均包括外圈环桁架和内圈环桁架，外圈环桁架与内圈环桁架之间通过垂直交叉布设的多个环间直桁架相连；上层钢结构的顶部安装有预应力拉索系统，预应力拉索系统包括呈U状的一组内拉索和呈直线状的两组外拉索，其中：此一组内拉索将上层钢结构的外圈环桁架、内圈环桁架、环间直桁架与相应钢柱互相拉结固定，两组外拉索在垂直于前后方向的方向上分别处于此一组内拉索的两侧，各组外拉索将上层钢结构的外圈环桁架、环间直桁架与相应钢柱互相拉结固定，以提高上层钢结构的承载力并避免上层钢结构的悬挑部分发生变形。

2.如权利要求1所述的大悬挑偏心环钢结构，其特征在于：

所述一组内拉索分为一环向部分、两个直向部分和两个倾斜部分，环向部分的两端各自经由一直向部分与一倾斜部分连接，其中：环向部分沿所述上层钢结构的所述内圈环桁架的前半部分布设且经由环向索夹与所述内圈环桁架相连，各环向索夹经由一径向拉索与一叉耳式环向锚具相连，叉耳式环向锚具与所述上层钢结构的所述外圈环桁架相连；环向部分的各端通过一直向索夹转换成直向部分，直向部分在所述上层钢结构的所述环间直桁架上沿前后方向布设且经由直向索夹与所述环间直桁架相连，各直向部分的后端通过一竖直转向索夹转换成倾斜部分，竖直转向索夹与所述环间直桁架和相应所述钢柱的顶部相连，朝向后方倾斜向下的倾斜部分的后端通过叉耳式下锚具与相应所述钢柱介于所述上层钢结构与所述下层钢结构之间的部位相连；

所述两组外拉索均分为一直向部分和一倾斜部分，沿前后方向布设的直向部分的前端经由螺母式锚具与所述上层钢结构的所述外圈环桁架相连，直向部分的后端通过一竖直转向索夹转换成倾斜部分，竖直转向索夹与所述环间直桁架和相应所述钢柱的顶部相连，直向部分的其余部分经由直向索夹与所述上层钢结构的所述环间直桁架相连，朝向后方倾斜向下的倾斜部分的后端通过叉耳式下锚具与相应所述钢柱介于所述上层钢结构与所述下层钢结构之间的部位相连。

3.如权利要求2所述的大悬挑偏心环钢结构，其特征在于：

所述一组内拉索由并排的两根内拉索构成，所述两组外拉索均由并排的两根外拉索构成，其中：内拉索的直径大于所述径向拉索的直径；对于所述一组内拉索，所述直向索夹、所述环向索夹、所述竖直转向索夹上同时并排安装两根内拉索，两根内拉索从所述竖直转向索夹朝向后方倾斜向下后分别与一所述叉耳式下锚具连接，两根内拉索所连接的两个所述叉耳式下锚具作为一对所述叉耳式下锚具；对于所述两组外拉索，所述直向索夹、所述竖直转向索夹、所述螺母式锚具上同时并排安装两根外拉索，两根外拉索从所述竖直转向索夹朝向后方倾斜向下后分别与一所述叉耳式下锚具连接，两根外拉索所连接的两个所述叉耳式下锚具作为一对所述叉耳式下锚具；

所述上层钢结构和所述下层钢结构的后部通过四组钢柱相连，四组钢柱呈规则矩阵排布，且每组钢柱由呈规则矩阵排布的四个所述钢柱构成，其中：位于所述上层钢结构一侧的两个所述竖直转向索夹和两对所述叉耳式下锚具分别与位于所述上层钢结构同侧、处于所述上层钢结构最后面的那一组钢柱的四个所述钢柱连接。

4.如权利要求2所述的大悬挑偏心环钢结构，其特征在于：

所述直向索夹包括支座和上夹板，支座底部用于与所述环内桁架焊接，支座上平行设有两条上敞口的弧形槽，上夹板上平行设有两条瓦状夹持部，其中：当上夹板扣在支座上后，两条弧形槽分别与两条夹持部形成两个用于夹持两个所述内拉索或两个所述外拉索的圆形孔道，且当所述内拉索或所述外拉索夹持在孔道内后，上夹板通过固定螺栓与支座相固定；

所述环向索夹包括支座、上夹板和固定座，支座底部两侧延伸有固定板，支座通过穿设固定板安装的锁紧螺栓固定在固定座上，固定座用于与所述内圈环桁架焊接，支座上平行设有两条上敞口的弧形槽，弧形槽沿与所述内圈环桁架的径向方向相切的方向设置，上夹板上平行设有两条瓦状夹持部，支座的一侧设有用于与所述径向拉索连接的耳板，其中：当上夹板扣在支座上后，两条弧形槽分别与两条夹持部形成两个用于夹持两个所述内拉索的圆形孔道，且当所述内拉索夹持在孔道内后，上夹板通过固定螺栓与支座相固定；

所述竖直转向索夹包括马鞍状支座和瓦状上夹板，支座底部设有用于与所述钢柱焊接的牛腿，支座上设有两条上敞口、向下弯曲的弧形槽，每条弧形槽对应设有多个上夹板，支座的侧面设有用于与所述环内桁架焊接的多个牛腿，其中：当上夹板扣在支座上后，弧形槽与上夹板形成用于夹持所述内拉索或所述外拉索的圆形孔道，且当所述内拉索或所述外拉索夹持于孔道内后，上夹板通过固定螺栓与支座相固定。

5.如权利要求4所述的大悬挑偏心环钢结构，其特征在于：

所述直向索夹的所述支座上设有用于容置所述上夹板的夹板卡槽；

所述环向索夹的所述支座上设有用于容置所述上夹板的夹板卡槽；

所述环向索夹的所述固定板上设有长圆孔，长圆孔的周边设有锯齿，长圆孔沿所述内圈环桁架的径向方向设置，其中：所述锁紧螺栓套设带锯齿的垫片后穿设于长圆孔中并通过与锁紧螺母的螺接来实现所述支座在所述固定座上的固定；

所述竖直转向索夹的所述支座的侧面还设有用于与钢斜撑焊接的牛腿，其中：所述每组钢柱的各钢柱之间、相邻两组钢柱中的相邻两个钢柱之间通过钢斜撑连接。

6.一种权利要求1至5中任一项所述的大悬挑偏心环钢结构的施工方法，其特征在于，它包括步骤：

1)在基础上施工钢筋混凝土筒，并在钢筋混凝土筒旁安装塔吊；

2)分段划分各所述钢柱，分段划分所述下层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架，以及分段划分所述上层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架；

3)为所述钢柱和所述下层钢结构的吊装搭设下层临时支撑结构；

4)在基础上搭设胎架，以借助胎架加工出所述下层钢结构的所述外圈环桁架的各段、所述内圈环桁架的各段和所述环间直桁架的各段；

5)借由塔吊对所述钢柱进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业，其中，最下面一段所述钢柱与钢筋混凝土筒上外露的预埋件焊接固定；

6)借由塔吊对所述下层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架分别进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业；

7)在吊装完的所述下层钢结构上搭设上层临时支撑结构；

8)在基础上搭设胎架，以借助胎架加工出所述上层钢结构的所述外圈环桁架的各段、所述内圈环桁架的各段和所述环间直桁架的各段；

9)借由塔吊对所述上层钢结构的所述外圈环桁架、所述内圈环桁架和所述环间直桁架分别进行分段吊装，吊装到位后进行焊接作业；

10)在所述钢柱之间焊接钢斜撑；

11)对上层临时支撑结构卸荷载后进行拆除；

12)对下层临时支撑结构卸荷载后进行拆除；

13)安装所述预应力拉索系统并完成张拉；

14)施工完毕。

7.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：

在所述步骤3)中：若基础为混凝土结构，则所述下层临时支撑结构与基础上的预埋件焊接固定，若基础为无法提供支撑的非混凝土结构，则所述下层临时支撑结构与基础上施工的转换平台固定，其中：若基础上施工有建筑物，则其中一部分下层临时支撑结构通过转换梁固定于建筑物的楼板结构上；每3-4个邻近的所述下层临时支撑结构之间通过钢梁结构连成一组，以增强支撑强度与稳定性；

在所述步骤7)中：所述上层临时支撑结构焊接于所述下层钢结构上。

8.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：

在所述步骤13)后还包括在所述下层钢结构上安装抗振阻尼器。

9.如权利要求6所述的施工方法，其特征在于：

所述步骤13)包括：

13-1)安装索夹和锚具：

在所述上层钢结构的所述内圈环桁架的前半部分上安装环向索夹，在所述上层钢结构的所述环间直桁架上沿前后方向安装直向索夹，在相应所述钢柱的顶部安装竖直转向索夹且令竖直转向索夹与所述环间直桁架相连，在所述上层钢结构的所述外圈环桁架上安装螺母式锚具；

13-2)采用吊机起吊安装拉索：

在各环向索夹、相应直线布设的多个直向索夹和相应两个竖直转向索夹上起吊安装一组内拉索，此一组内拉索呈U状且朝后的两个后端通过叉耳式下锚具与相应所述钢柱介于所述上层钢结构与所述下层钢结构之间的部位相连；

在相应直线布设的多个直向索夹、相应两个竖直转向索夹和两个螺母式锚具上起吊安装两组外拉索，两组外拉索呈直线状且在垂直于前后方向的方向上位于此一组内拉索的两侧，各组外拉索朝后的后端通过叉耳式下锚具与相应所述钢柱介于所述上层钢结构与所述下层钢结构之间的部位相连；

各环向索夹与一径向拉索一端相连，径向拉索另一端通过叉耳式环向锚具与所述上层钢结构的所述外圈环桁架相连；

13-3)拉索张拉：

通过一台油泵进行控制，借由一拖二千斤顶对此一组内拉索的两个后端进行同步张拉，当张拉力达到预设值后，令此一组内拉索的两个后端与叉耳式下锚具之间拉紧固定，并借由旋紧环向索夹、相应直向索夹和相应竖直转向索夹上的固定螺栓来锁定此一组内拉索，其中：在张拉此一组内拉索的过程中，沿所述内圈环桁架的径向方向调节环向索夹的位置来调整张拉力，当此一组内拉索的张拉力达到预设值后，令各径向拉索与叉耳式环向锚具之间拉紧固定；

通过两个螺母式锚具分别调节并拉紧两组外拉索后，通过一台油泵进行控制，借由一拖二千斤顶对两组外拉索进行同步张拉，当张拉力达到预定值后，令此两组外拉索的后端与叉耳式下锚具之间拉紧固定，并借由旋紧相应直向索夹和相应竖直转向索夹上的固定螺栓来锁定此两组外拉索；

13-4)完成所述预应力拉索系统的安装与张拉。

10.如权利要求9所述的施工方法，其特征在于：

在所述步骤13-2)中，先在所述直向索夹、所述环向索夹和所述竖直转向索夹的弧形槽内依次垫设聚四氟乙烯板和不锈钢钢片后再吊放所述内拉索和所述外拉索；

在所述步骤13-3)中：在张拉所述一组内拉索的过程中，旋松所述环向索夹、相应所述直向索夹和相应所述竖直转向索夹上的固定螺栓来减小张拉造成的摩擦；在张拉所述两组外拉索的过程中，旋松相应所述直向索夹和相应所述竖直转向索夹上的固定螺栓来减小张拉造成的摩擦。

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