CN116876662A - 大跨双榀预应力cfrp悬带索桁结构 - Google Patents
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Abstract
大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，属于一种新型CFRP悬带索桁架屋盖承重结构体系。该屋盖承重结构体系包括主桁架，竖向支撑体系和连系杆件。主桁架由两榀CFRP悬带索桁架和平衡杆组成，竖向支撑体系由支撑柱和管桁架组成，CFRP悬带索桁架包括上CFRP悬带索、下CFRP悬带索、竖直CFRP悬带索和悬带索夹；通过张拉上CFRP悬带索使CFRP悬带索桁架获得承载能力，每个主桁架中两榀CFRP悬带索桁架通过平衡杆连接使主桁架形成受力的整体，能实现屋盖的大跨度布置；双层CFRP悬带索能承受水平、竖向荷载和风吸力，主承重构件CFRP悬带索具有轻质、高强、耐腐蚀等优势，可实现屋盖结构的大跨越能力和稳定工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种大跨空间屋盖承重结构体系，特别是涉及一种大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构。
背景技术
CFRP(碳纤维增强复合材料)是新一代工程应用的高性能材料，与钢材相比CFRP有更高的比强度(强度与重量的比值)能够使结构获得更大的跨越能力，其耐腐蚀特性又使其比钢构件有更优良的耐久性，同时其徐变、松弛和温度效应都较钢材低，因此，其轻质、高强、耐腐蚀等优良特性非常适合用于大跨空间结构中。目前，世界范围内研究和应用较为成熟的CFRP索类型有条带索，此类条带索目前已应用于桥梁和房屋加固中。
在大跨空间结构中，机场航站楼，会展中心，体育场馆等大型公共建筑日益增多，但是可以匹配高性能CFRP的空间结构形式较少，满足较大跨越能力的高性能结构体系亟待开发。同时，现有的结构体系及连接构造主要适用于圆形截面类拉索，并不适用于扁平状条带类CFRP拉索，因此，有必要结合CFRP条带索特点研发新型的高性能大跨空间结构体系。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种新型的大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，针对CFRP条带索提出内凹型CFRP悬带索桁架及连接索夹，所有拉索构件均由CFRP悬带索组成，通过施加预应力使CFRP悬带索获得承载力，双层悬索带能够承受水平、竖向和风吸力作用，双榀CFRP悬带索桁架协同工作可实现较大的跨越能力。
为达到上述目的，本发明实施例提供的技术方案是：该结构包括主桁架，竖向支撑体系和连系杆件，所述主桁架由两榀CFRP悬带索桁架和平衡杆组成，所述竖向支撑体系由支撑柱和管桁架组成，所述CFRP悬带索桁架包括上CFRP悬带索、下CFRP悬带索、竖直CFRP悬带索和悬带索夹，所述平衡杆包括主平衡杆和次平衡杆，所述管桁架包括顶水平杆、底水平杆、竖向撑杆和交叉撑杆，所述悬带索夹包括悬带主索夹和悬带次索夹。
所述CFRP悬带索桁架为内凹型，从其端部到中间上CFRP悬带索与下CFRP悬带索的间距逐渐减小，即竖直CFRP悬带索两端距离从CFRP悬带索桁架端部到中间逐渐减小，在中间达到最小值。所述上CFRP悬带索通过所述管桁架中顶水平杆的支撑斜拉至地面锚固，上CFRP悬带索在管桁架中顶水平杆的支撑位置用弧形夹板贴紧，并通过螺栓紧固弧形夹板将上CFRP悬带索固定到管桁架上，所述上CFRP悬带索中有若干节点，每个节点位置通过所述悬带主索夹连接所述竖直CFRP悬带索上端；所述下CFRP悬带索采用层叠式CFRP自锚型环带索，两端有圆孔可通过销钉固定到管桁架中底水平杆的耳板上，所述下CFRP悬带索中有与上CFRP悬带索在竖直方向位置一致的若干主节点，每个主节点位置通过所述悬带主索夹连接竖直CFRP悬带索下端，且在相邻主节点中间的次节点位置设置悬带次索夹；所述竖直CFRP悬带索采用非层叠式CFRP自锚型环带索，其上端通过缠绕所述悬带主索夹固定在上CFRP悬带索的节点位置，下端通过缠绕所述悬带主索夹固定在下CFRP悬带索的主节点位置。
所述悬带主索夹包括主夹板、副夹板和端帽，所述主夹板为三段不等截面半圆柱体，在垂直横截面沿着柱体长度方向开有半圆槽，方便竖直CFRP悬带索嵌入半圆槽内缠绕锚固，两端半圆柱体的截面半径与所述竖直CFRP悬带索的缠绕半径相同；所述副夹板为三段不等截面半圆柱体，两端半圆柱体的截面半径与所述主夹板中竖直CFRP悬带索的缠绕半径相同，且两端半圆柱体的长度为所述主夹板中两端半圆柱体长度减去竖直CFRP悬带索宽度，中间半圆柱体的截面半径与所述主夹板的截面半径相同，所述主夹板和副夹板的长边平面相互贴合，且在其贴合面的中间位置夹紧上CFRP悬带索或下CFRP悬带索；在所述主夹板和副夹板整体一端插入空心的端帽采用焊接或者螺栓连接将悬带主索夹固定为一个整体，所述端帽一侧空心一侧实心，其内半径与主夹板或次夹板的端部截面半径相同，外径与主夹板中部截面相同；在所述主夹板和副夹板与主平衡杆有连接一侧，将所述主平衡杆套在主夹板和副夹板的端部通过焊接或者螺栓连接形成整体，在所述端帽与中间系杆有连接一侧，将端帽通过焊接或者螺栓连接与中间系杆形成整体；所述悬带次索夹包括夹板和边帽，所述夹板为三段不等截面半圆柱体，两端半圆柱体的截面半径不超过端帽的内径，中间半圆柱体的截面半径大于两端半圆柱体的半径；两块所述夹板的长边平面相互贴合形成整体，且在其贴合面的中间位置夹紧下CFRP悬带索；在形成整体的两块所述夹板两端部插入空心边帽采用焊接或者螺栓连接将悬带次索夹固定为一个整体，所述边帽一侧空心一侧实心，其内半径与夹板的端部截面半径相同，外半径与夹板中部截面相同；在两块所述夹板与次平衡杆有连接一侧，将所述次平衡杆套在两块夹板的端部通过焊接或者螺栓连接形成整体，在所述边帽与中间系杆有连接一侧，将边帽通过焊接或者螺栓连接与中间系杆形成整体。
所述主平衡杆为空心圆管，其两端分别在主桁架中两榀索桁架相同位置的悬带主索夹上连接两榀索桁架，所述次平衡杆为空心圆管，其两端分别在主桁架中两榀下CFRP悬带索相同位置的悬带次索夹上连接两榀索桁架；所述主平衡杆布置数量满足结构承载要求时，可不布置所述次平衡杆及悬带次索夹。
所述竖向支撑体系设置在CFRP悬带索桁架两端部提供支撑作用，能够将CFRP悬带索桁架传来的水平力和竖向力有效的传至基础；所述支撑柱上部固定管桁架，所述管桁架中的两个竖向撑杆分别与两榀CFRP悬带索桁架在同一竖直平面内，即两榀CFRP悬带索桁架的间距与与管桁架中两个竖向撑杆的间距相同；在管桁架中所述顶水平杆长度比竖向撑杆间距大200mm以内，即顶水平杆两侧从与竖向撑杆相交位置各伸出100mm以内；所述管桁架中各杆件在同一竖直平面内。
所述上CFRP悬带索张拉，使CFRP悬带索桁架获得预应力，保证主桁架具有可靠的承载能力；在主桁架间设置纵向的连系杆件，将横向的各个主桁架连为一个整体，实现整体大跨度屋盖结构的可靠、高效承载；所述连系杆件包括边缘系杆和中间系杆，所述边缘系杆与管桁架中的底水平杆牢固连接，所述中间系杆与下CFRP悬带索的各节点牢固连接。
本发明的有益效果：
1.索桁架的主受力构件均为CFRP悬带索，具有轻质、高强、耐腐蚀等优势，使结构可实现较大的跨越能力和长期稳定工作。
2.针对CFRP条带索特点，提出了主受力构件均由CFRP条带索组成的内凹型CFRP悬带索桁架及连接索夹构造。
3.通过施加预应力使CFRP悬带索获得承载力，双层悬索带能够承受水平、竖向荷载和风吸力作用。
4.每个主桁架中两榀CFRP悬带索桁架通过平衡杆连接使主桁架形成受力的整体，能实现屋盖的大跨度布置。
5.本发明中的结构体系布置合理，形式新颖，造型美观，便于制作和安装施工，工程实践性强。
附图说明
图1为本发明结构的空间三维示意图；
图2为图1中本发明结构的侧视图；
图3为图1中本发明结构中(A区域)上CFRP悬带索在顶水平杆的位置固定示意图；
图4为图1中本发明结构中(B区域)下CFRP悬带索端部在底水平杆的耳板上锚固示意图；
图5为图1中本发明结构中(C区域)与连系杆件相连一侧竖直CFRP悬带索上、下端的连接节点示意图；
图6为图1中本发明结构中(D区域)边榀桁架竖直CFRP悬带索上、下端的连接节点示意图；
图7为图1中本发明结构中(E区域)与连系杆件相连一侧下CFRP悬带索的次连接节点示意图；
图8为图1中本发明结构中(F区域)边榀桁架下CFRP悬带索的次连接节点示意图；
图9为图1中本发明结构中(C、D、E、F区域)CFRP悬带索之间连接固定示意图；
图10为本发明的结构布置计算案例简图；
其中，1-上CFRP悬带索、2-下CFRP悬带索、3-竖直CFRP悬带索、4-支撑柱、501-顶水平杆、502-底水平杆、503-竖直撑杆、504-交叉撑杆、6-边缘系杆、7-主平衡杆、701-主夹板A、702-主夹板B、703-端帽、8-次平衡杆、801-次夹板A、802-次夹板B、9-中间系杆、10-耳板、1001-销钉、11-弧形夹板、1101-螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种新型的大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，包括主桁架，竖向支撑体系和连系杆件(图1)，所述主桁架由两榀CFRP悬带索桁架和平衡杆组成，所述竖向支撑体系由支撑柱4和管桁架组成，所述CFRP悬带索桁架包括上CFRP悬带索1、下CFRP悬带索2、竖直CFRP悬带索3和悬带索夹，所述平衡杆包括主平衡杆7和次平衡杆8，所述管桁架包括顶水平杆501、底水平杆502、竖向撑杆503和交叉撑杆504，所述悬带索夹包括悬带主索夹和悬带次索夹。
所述CFRP悬带索桁架为内凹型(图2)，从其端部到中间上CFRP悬带索1与下CFRP悬带索2的间距逐渐减小，即竖直CFRP悬带索3两端距离从CFRP悬带索桁架端部到中间逐渐减小，在中间达到最小值。所述上CFRP悬带索1通过所述管桁架中顶水平杆501的支撑斜拉至地面锚固，上CFRP悬带索1在管桁架中顶水平杆501的支撑位置用弧形夹板11贴紧(图3)，并通过螺栓1101紧固弧形夹板11将上CFRP悬带索1固定到管桁架上，所述上CFRP悬带索1中有若干节点，每个节点位置通过所述悬带主索夹连接所述竖直CFRP悬带索3上端(图5)；所述下CFRP悬带索2采用层叠式CFRP自锚型环带索，两端有圆孔可通过销钉1001固定到管桁架中底水平杆502的耳板10上(图4)，下CFRP悬带索2中有与上CFRP悬带索1在竖直方向位置一致的若干主节点，每个主节点位置通过所述悬带主索夹连接竖直CFRP悬带索3下端(图5、6)，且在相邻主节点中间的次节点位置设置悬带次索夹(图7、8)；所述竖直CFRP悬带索3采用非层叠式CFRP自锚型环带索，其上端通过缠绕所述悬带主索夹固定在上CFRP悬带索1的节点位置，下端通过缠绕所述悬带主索夹固定在下CFRP悬带索2的主节点位置(图5、6)。
所述悬带主索夹包括主夹板701、副夹板702和端帽703(图5)，所述主夹板701为三段不等截面半圆柱体，在垂直横截面沿着柱体长度方向开有半圆槽，方便竖直CFRP悬带索3嵌入半圆槽内缠绕锚固，两端半圆柱体的截面半径与所述竖直CFRP悬带索3的缠绕半径相同；所述副夹板702为三段不等截面半圆柱体，两端半圆柱体的截面半径与所述主夹板701中竖直CFRP悬带索3的缠绕半径相同(图5)，且两端半圆柱体的长度为所述主夹板701中两端半圆柱体长度减去竖直CFRP悬带索3宽度，中间半圆柱体的截面半径与所述主夹板701的截面半径相同，所述主夹板701和副夹板702的长边平面相互贴合，且在其贴合面的中间位置夹紧上CFRP悬带索1或下CFRP悬带索2；在所述主夹板701和副夹板702整体一端插入空心的端帽703采用焊接或者螺栓连接将悬带主索夹固定为一个整体，所述端帽703一侧空心一侧实心，其内半径与主夹板701或次夹板702的端部截面半径相同，外径与主夹板701中部截面相同；在所述主夹板701和副夹板702与主平衡杆7有连接一侧(图5)，将所述主平衡杆7套在主夹板701和副夹板702的端部通过焊接或者螺栓连接形成整体，在所述端帽703与中间系杆9有连接一侧(图5)，将端帽703通过焊接或者螺栓连接与中间系杆9形成整体；所述悬带次索夹包括夹板801和边帽802(图7)，所述夹板801为三段不等截面半圆柱体，两端半圆柱体的截面半径不超过端帽703的内径，中间半圆柱体的截面半径大于两端半圆柱体的半径；两块所述夹板801的长边平面相互贴合形成整体，且在其贴合面的中间位置夹紧下CFRP悬带索2；在形成整体的两块所述夹板801两端部插入空心边帽802采用焊接或者螺栓连接将悬带次索夹固定为一个整体，所述边帽802一侧空心一侧实心，其内半径与夹板801的端部截面半径相同，外半径与夹板801中部截面相同；在两块所述夹板801与次平衡杆8有连接一侧(图7)，将所述次平衡杆8套在两块夹板801的端部通过焊接或者螺栓连接形成整体，在所述边帽802与中间系杆9有连接一侧(图7)，将边帽802通过焊接或者螺栓连接与中间系杆9形成整体。
所述主平衡杆7为空心圆管，其两端分别在主桁架中两榀索桁架相同位置的悬带主索夹上连接两榀索桁架(图9)，所述次平衡杆8为空心圆管，其两端分别在主桁架中两榀下CFRP悬带索2相同位置的悬带次索夹上连接两榀索桁架(图9)；所述主平衡杆7布置数量满足结构承载要求时，可不布置所述次平衡杆8及悬带次索夹。
所述竖向支撑体系设置在CFRP悬带索桁架端部提供支撑作用，能够将CFRP悬带索桁架传来的水平力和竖向力有效的传至基础(图1)；所述支撑柱4上部固定管桁架，所述管桁架中的两个竖向撑杆503分别与两榀CFRP悬带索桁架在同一竖直平面内(图1)，即两榀CFRP悬带索桁架的间距与与管桁架中两个竖向撑杆503的间距相同；在管桁架中所述顶水平杆501长度比竖向撑杆503间距大200mm以内，即顶水平杆501两侧从与竖向撑杆503相交位置各伸出100mm以内；所述管桁架中各杆件在同一竖直平面内。
所述上CFRP悬带索1张拉，使CFRP悬带索桁架获得预应力，保证主桁架具有可靠的承载能力；在主桁架间设置纵向的连系杆件，将横向的各个主桁架连为一个整体，实现整体大跨度屋盖结构的可靠、高效承载(图1、10)；所述连系杆件包括边缘系杆6和中间系杆9，所述边缘系杆6与管桁架中的底水平杆502牢固连接，所述中间系杆9与下CFRP悬带索2的各节点牢固连接。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来设，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，其特征在于：包括主桁架，竖向支撑体系和连系杆件，所述主桁架由两榀CFRP悬带索桁架和平衡杆组成，所述竖向支撑体系由支撑柱和管桁架组成，所述CFRP悬带索桁架包括上CFRP悬带索、下CFRP悬带索、竖直CFRP悬带索和悬带索夹，所述管桁架包括顶水平杆、底水平杆、竖向撑杆和交叉撑杆，所述悬带索夹包括悬带主索夹和悬带次索夹；
所述CFRP悬带索桁架为内凹型，从其端部到中间上CFRP悬带索与下CFRP悬带索的间距逐渐减小，即竖直CFRP悬带索两端距离从CFRP悬带索桁架端部到中间逐渐减小，在中间达到最小值。所述上CFRP悬带索通过所述管桁架中顶水平杆的支撑斜拉至地面锚固，上CFRP悬带索在管桁架中顶水平杆的支撑位置用弧形夹板贴紧，并通过螺栓紧固弧形夹板将上CFRP悬带索固定到管桁架上，所述上CFRP悬带索中有若干节点，每个节点位置通过所述悬带主索夹连接所述竖直CFRP悬带索上端；所述下CFRP悬带索采用层叠式CFRP自锚型环带索，两端有圆孔通过销钉固定到管桁架中底水平杆的耳板上，所述下CFRP悬带索中有与上CFRP悬带索在竖直方向位置一致的若干主节点，每个主节点位置通过所述悬带主索夹连接竖直CFRP悬带索下端，且在相邻主节点中间的次节点位置设置悬带次索夹；所述竖直CFRP悬带索采用非层叠式CFRP自锚型环带索，其上端通过缠绕所述悬带主索夹固定在上CFRP悬带索的节点位置，下端通过缠绕所述悬带主索夹固定在下CFRP悬带索的主节点位置。
2.根据权利要求1所述的一种大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，其特征在于：所述平衡杆至少包括主平衡杆；所述主平衡杆布置数量满足结构承载要求时，可不布置所述次平衡杆及悬带次索夹；
所述悬带主索夹包括主夹板、副夹板和端帽，所述主夹板为三段不等截面半圆柱体，在垂直横截面沿着柱体长度方向开有半圆槽，方便竖直CFRP悬带索嵌入半圆槽内缠绕锚固，两端半圆柱体的截面半径与所述竖直CFRP悬带索的缠绕半径相同；所述副夹板为三段不等截面半圆柱体，两端半圆柱体的截面半径与所述主夹板中竖直CFRP悬带索的缠绕半径相同，且两端半圆柱体的长度为所述主夹板中两端半圆柱体长度减去竖直CFRP悬带索宽度，中间半圆柱体的截面半径与所述主夹板的截面半径相同，所述主夹板和副夹板的长边平面相互贴合，且在其贴合面的中间位置夹紧上CFRP悬带索或下CFRP悬带索；在所述主夹板和副夹板整体一端插入空心的端帽采用焊接或者螺栓连接将悬带主索夹固定为一个整体，所述端帽一侧空心一侧实心，其内半径与主夹板或次夹板的端部截面半径相同，外径与主夹板中部截面相同；在所述主夹板和副夹板与主平衡杆有连接一侧，将所述主平衡杆套在主夹板和副夹板的端部通过焊接或者螺栓连接形成整体，在所述端帽与中间系杆有连接一侧，将端帽通过焊接或者螺栓连接与中间系杆形成整体；所述悬带次索夹包括夹板和边帽，所述夹板为三段不等截面半圆柱体，两端半圆柱体的截面半径不超过端帽的内径，中间半圆柱体的截面半径大于两端半圆柱体的半径；两块所述夹板的长边平面相互贴合形成整体，且在其贴合面的中间位置夹紧下CFRP悬带索；在形成整体的两块所述夹板两端部插入空心边帽采用焊接或者螺栓连接将悬带次索夹固定为一个整体，所述边帽一侧空心一侧实心，其内半径与夹板的端部截面半径相同，外半径与夹板中部截面相同；在两块所述夹板与次平衡杆有连接一侧，将所述次平衡杆套在两块夹板的端部通过焊接或者螺栓连接形成整体，在所述边帽与中间系杆有连接一侧，将边帽通过焊接或者螺栓连接与中间系杆形成整体。
3.根据权利要求1所述的一种大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，其特征在于：所述主平衡杆为空心圆管，其两端分别在主桁架中两榀索桁架相同位置的悬带主索夹上连接两榀索桁架，所述次平衡杆为空心圆管，其两端分别在主桁架中两榀下CFRP悬带索相同位置的悬带次索夹上连接两榀索桁架。
4.根据权利要求1所述的一种大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，其特征在于：所述支撑柱上部固定管桁架，所述管桁架中的两个竖向撑杆分别与两榀CFRP悬带索桁架在同一竖直平面内，即两榀CFRP悬带索桁架的间距与与管桁架中两个竖向撑杆的间距相同；在管桁架中所述顶水平杆长度比竖向撑杆间距大200mm以内，即顶水平杆两侧从与竖向撑杆相交位置各伸出100mm以内；所述管桁架中各杆件在同一竖直平面内。
5.根据权利要求1所述的一种大跨双榀预应力CFRP悬带索桁结构，其特征在于：所述上CFRP悬带索张拉，使CFRP悬带索桁架获得预应力，保证主桁架具有可靠的承载能力；所述连系杆件包括边缘系杆和中间系杆，所述边缘系杆与管桁架中的底水平杆牢固连接，所述中间系杆与下CFRP悬带索的各节点牢固连接。
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Citations (9)
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-
2023
- 2023-06-15 CN CN202310708502.9A patent/CN116876662A/zh active Pending
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