CN204530991U - 一种大跨度预应力拱桁架与索膜组合结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及土木工程建筑结构领域的一种大跨度预应力拱桁架与索膜组合结构。该结构包括多榀平行布置的预应力拱桁架；在相邻两榀预应力拱桁架之间设置有折面型屋面索膜体系，索膜体系与桁架上弦连接；在组合结构的两侧端部设置有端部加强区。通过引入自平衡的预应力构件，将预应力拱桁架和索膜体系相结合，使结构既能承受竖向荷载作用同时又能有效抵抗反向风荷载的作用，结构体系新颖，稳定性好，能有效降低用钢量，适用于大跨度拱形建筑。
Description
技术领域
本实用新型涉及土木工程建筑结构领域，尤其涉及一种大跨度预应力拱桁架与索膜组合结构。
背景技术
拱形大跨度建筑，造型简洁明快、结构受力清晰，适用于大跨度的火车站、机场等大型公用建筑、以及大跨度厂房、干煤棚、封闭式条形储料场等工业建筑。
传统的拱形大跨度建筑的主结构主要有以下三种结构形式：螺栓球网架、焊接球网架、拱形钢桁架；屋面材料可采用金属屋面板或膜材。
螺栓球网架的防腐性能差，在防腐性能要求高的工业厂房、储煤建筑、封闭式工业料场中使用不符合《工业建筑防腐设计规范》的要求；焊接球网架结构有数万根杆件需要现场高空焊接，施工难度大且质量难以保证；若采用平行排列的拱形钢桁架，桁架之间设置主檩条，由于檩条为双向受弯构件，檩条跨度一般在8m以内，桁架间距小，经济性差。
大跨度拱形建筑结构，风荷载以风吸为主，风吸是风吸荷载的简称，即反向风荷载，是起控制作用的荷载工况，无论采用何种结构形式及屋面材料，由于结构自重轻，只能依靠加大结构高度和增大构件截面的方法抵抗反向风荷在的作用，造成结构的用钢量大，经济性差。
膜结构是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成具有一定刚度的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。膜结构存在自重轻、阻燃、制作简易、安装快捷、透光、抗风能力强、使用安全等优点。膜结构适用于拱形大跨度建筑，一般采用其支撑体系采用拱形钢桁架，膜结构与钢桁架相连。但由于膜结构自重轻，风吸荷载是结构的控制工况，在反向风荷载作用下，只能通过加大桁架高度和增加桁架构件截面的方法抵抗风吸荷载的作用。膜结构连接在桁架上弦，由于膜结构的张力很小，且无抗压刚度，因此与桁架不能产生有效支撑作用，因此桁架的平面外稳定性差，使用跨度受限。
实用新型内容
针对以上问题，本实用新型公开了一种大跨度预应力拱桁架—索膜结构。通过科学合理地引入自平衡的预应力构件，将预应力拱桁架和索膜结构相结合，使结构既能承受竖向荷载作用同时又能有效抵抗反向风荷载的作用，结构体系新颖，稳定性好，能有效降低用钢量，适用于大跨度拱形建筑。
具体解决方案为：一种大跨度预应力拱桁架与索膜组合结构，包括多榀平行布置的预应力拱桁架；在相邻两榀预应力拱桁架之间设置有折面型屋面索膜体系，索膜体系与桁架上弦连接；在组合结构的两侧端部设置有端部加强区。
进一步，预应力拱桁架包括由桁架上弦、桁架下弦、腹杆组成的桁架主体结构，桁架主体结构可以采用相贯焊接桁架，也可采用焊接球桁架；预应力拱桁架还包括由撑杆、斜撑杆、下弦索、斜拉索构成桁架结构，撑杆与桁架下弦铰接连接，下弦索与撑杆通过索撑节点连接，下弦索的端部与桁架下弦连接，通过张拉下弦索对结构施加预应力，使桁架产生向上的反拱，可有效抵抗竖向荷载产生的向下作用；斜拉索的一端与桁架下弦相连，另一端连接在下弦索、撑杆、斜拉索的交汇处的斜索连接节点上，通过给斜拉索施加预应力，使结构产生向下的作用，能有效抵抗反向风荷载作用。通过合理的引入预应力，能有效的提高拱桁架的承载力和平面内的稳定性。
进一步，所述预应力拱桁架的桁架主体结构形式可以为三角形桁架或四边形桁架。
进一步，所述索膜体系由折线布置的次索、与次索垂直布置的谷索形成折面型索网，次索和谷索之间通过索夹连接节点相连，形成折面型索网，索网以上铺设膜材作为屋面；次索连接在预应力拱桁架的上弦节点上，次索和谷索通过连接节点连接；谷索根部固定在基础上通过张拉谷索对索网施加预应力，谷索和次索张紧后形成具有足够的刚度，用以支撑屋面膜材；次索张紧后，次索对钢桁架的上弦产生斜向下的拉力，桁架两侧均匀受压，提高桁架平面外稳定性。
进一步，在相邻两榀预应力拱桁架之间设一道或两道谷索。
进一步，端部加强区为加密的预应力拱桁架，桁架弦杆之间设置连接斜撑，形成具有平面外刚度的加强带。用于抵抗拉索水平拉力。
进一步，所述端部加强区为具有平面外刚度的钢网架结构体系。
有益效果：折面型索膜体系对桁架产生向下的拉力，预应力钢桁架的下弦索对桁架产生向上的反拱力，两则作用相互抵消，提高结构的稳定性，提高结构在竖向荷载、风荷载作用下的承载力，同时可以减少结构用量。
通过张拉下弦索对结构施加预应力，使桁架产生向上的反拱，可有效抵抗竖向荷载产生的向下作用；通过给斜拉索施加预应力，使结构产生向下的作用，能有效抵抗反向风荷载作用。使主结构既能承受竖向荷载作用同时又能有效抵抗反向风荷载的作用。
通过对谷索施加预应力，使次索对钢桁架的上弦产生斜向下的拉力，由于次索在桁架两侧对称布置，因此桁架两侧均匀受拉，提高钢桁架的平面外稳定性。
由于屋面折线形布置，在反向风荷载作用下，风荷载主要由谷索承担，仅一部分传递到主桁架上，使结构具有较强抵抗风吸荷载的能力；竖向荷载、风压荷载、谷索预应力荷载均通过索膜传递给预应力拱桁架。预应力拱桁架承担竖向荷载能力强、承担反向荷载的能力弱，因此结构内力传递形式与主结构受力性能完美结合。
附图说明
图1为预应力拱桁架与索膜组合结构整体立体图；
图2为预应力拱桁架立面图；
图3为预应力拱桁架与索膜组合结构实施例1的局部立体放大图；
图4为预应力拱桁架与索膜组合结构实施例2的局部立体放大图；
图中，1-预应力拱桁架；11-桁架上弦；12-桁架下弦； 13-撑杆；14-斜撑杆；15-下弦拉索；16-斜拉索；17-腹杆；18-索撑节点；19-斜索连接节点；2-索膜体系；21-次索；22-谷索；23-膜材；3-端部加强区。
具体实施方式
以某大跨度预应力拱桁架—索膜结构的拱形建筑为例，结合参见图1-图4，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1 所示，本实施例中的一种大跨度预应力拱桁架与索膜组合结构，包括：多榀平行布置的预应力拱钢桁架1；在相邻两榀预应力管桁架1之间设置谷索22、次索21及屋面膜材组成的折面型索膜体系；在结构的两侧端部设置端部加强区3。
图2为本实施例的一榀预应力拱桁架1。预应力拱桁架1主要由：桁架上弦11、桁架下弦12、腹杆17、下弦索15、撑杆13、斜撑杆14、斜拉索16构成。桁架上弦11、桁架下弦12、腹杆17构成桁架结构，桁架结构一般为三角形桁架，也可采用四边形桁架。撑杆13与桁架的桁架下弦12铰接连接，下弦索15与撑杆13通过索撑节点18连接，下弦索15的端部与桁架下弦12连接，通过张拉下弦索15对结构施加预应力，使桁架产生向上的反拱，可有效抵抗竖向荷载产生的向下作用。斜拉索16的一端与桁架下弦12相连，另一端连接在下弦索15、撑杆13、斜撑杆14的斜撑连接节点19上，通过给斜拉索16施加预应力，使结构产生向下的作用，能有效抵抗反向风荷载作用。
图3为预应力拱桁架与索膜组合结构实施例1的局部立体放大图，图中谷索22与预应力拱桁架1的桁架下弦12平行，其位置低于预应力拱桁架1的桁架上弦11，谷索22布置在相邻两榀预应力拱桁架1之间。次索两端分别连接在预应力拱桁架的桁架上弦11上、桁架上弦与腹杆的连接点位置，且轴线与腹杆13、桁架上弦11的轴线交于一点。谷索22通过索夹与次索21连接，谷索22位于次索21中点，且连接点位置低于次索3的两端点。通过张拉谷索22，对次索21及谷索22施加预应力，将次索21和谷索22张紧，形成索网，在索网上铺设高强度膜材23，形成索膜屋面。
建筑的两端应设置抗水平力强的端部加强区3，本实施例中端部加强区3采用多榀并列放置的预应力拱桁架1，各榀之间的上弦和下弦通过水平撑杆相连，使其具有很大的抵抗水平力的作用。
实施例2
图4为某拱形建筑的第二种实施方式。实施例中，预应力钢桁架1和端部加强区3的做法与实施例1一致。其每榀预应力钢桁架1之间设置2根谷索，两根谷索的间距最优为两桁架净距离的1/3，两根谷索标高相同，其位置低于预应力拱桁架1的桁架上弦11。次索两端分别连接在预应力拱桁架的桁架上弦11上，且与腹杆17、桁架上弦11交于一点。谷索22通过索夹与次索21连接，谷索22位于次索21中点，且连接点位置低于次索21的两端点。通过张拉谷索22，对次索21及谷索22施加预应力，将次索21和谷索22张紧，形成索网，在索网上铺设高强度膜材23，形成索膜屋面。
显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
Claims (7)
1.一种大跨度预应力拱桁架与索膜组合结构，其特征在于，包括多榀平行布置的预应力拱桁架（1）；在相邻两榀预应力拱桁架（1）之间设置有折面型屋面索膜体系（2），索膜体系（2）与桁架上弦连接；在组合结构的两侧端部设置有端部加强区（3）。
2. 根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，所述预应力拱桁架（1）包括由桁架上弦（11）、桁架下弦（12）、腹杆（17）组成的桁架主体结构，桁架主体结构为相贯焊接桁架或者为焊接球桁架；
预应力拱桁架（1）还包括撑杆（13）、斜撑杆（14）、下弦索（15）、斜拉索（16），撑杆（13）与桁架下弦（12）铰接连接，下弦索（15）与撑杆（13）通过索撑节点（18）连接，下弦索（15）的端部与桁架下弦（12）连接；斜拉索（16）的一端与桁架下弦（12）相连，另一端连接在下弦索（15）、撑杆（13）、斜拉索（16）的交汇处的斜索连接节点（19）上。
3. 根据权利要求2所述的组合结构，其特征在于，所述预应力拱桁架（1）的桁架主体结构形式可以为三角形桁架或四边形桁架。
4. 根据权利要求2所述的组合结构，其特征在于，所述索膜体系（2）由折线布置的次索（21）、与次索（21）垂直布置的谷索（22）形成折面型索网，次索（21）和谷索（22）之间通过索夹连接节点相连，形成折面型索网，索网以上铺设膜材（23）作为屋面；
次索（21）连接在预应力拱桁架（1）的上弦节点上，谷索（22）根部固定在基础上，次索（21）和谷索（22）通过连接节点连接。
5. 根据权利要求4所述的组合结构，其特征在于，在相邻两榀预应力拱桁架（1）之间设一道或两道谷索。
6. 根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，所述端部加强区（3）为加密的预应力拱桁架，桁架弦杆之间设置连接斜撑，形成具有平面外刚度的加强带。
7. 根据权利要求1所述的组合结构，其特征在于，所述端部加强区（3）为具有平面外刚度的钢网架结构体系。
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