專利名稱：具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種主要應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)， 特別是一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法。
技術(shù)背景張弦梁結(jié)構(gòu)是由日本大學(xué)的M. Saitoh教授正式提出并在近二十年得到迅 速發(fā)展的一種大跨空間結(jié)構(gòu)。它是通過(guò)張拉下弦高強(qiáng)度曲線拉索使得撐桿產(chǎn)生 向上的分力，導(dǎo)致上弦構(gòu)件產(chǎn)生與外部豎向荷載作用下相反的內(nèi)力和變位，改 善結(jié)構(gòu)的受力性能，減小結(jié)構(gòu)的變形。張弦梁結(jié)構(gòu)在世界各地得到了廣泛應(yīng)用， 我國(guó)的上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓、廣州國(guó)際會(huì)議展覽中心、、黑龍江國(guó)際會(huì)議展 覽體育中心主館屋蓋結(jié)構(gòu)、北京為迎接2008奧運(yùn)會(huì)而建設(shè)的國(guó)家體育館等重大 工程中都采用了張弦梁結(jié)構(gòu)。張弦梁結(jié)構(gòu)是一種受力性能較優(yōu)良的大跨空間結(jié)構(gòu)，但當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震、 臺(tái)風(fēng)等偶然動(dòng)力荷載作用時(shí)，下弦拉索的內(nèi)力迅速增大，容易導(dǎo)致拉索突然斷 裂使整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌，因此張弦梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的保守性很大，構(gòu)件不能 充分發(fā)揮其性能。上世紀(jì)80年代英國(guó)學(xué)者曾提出了一種荷載緩和體系(LOAD Relieving System)的概念，并將其運(yùn)用于一個(gè)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的垃圾場(chǎng)中，弓l起了人們的關(guān)注。 雖然后來(lái)很多學(xué)者對(duì)荷載緩和體系進(jìn)行了深入研究，但至目前為止真正具有實(shí) 用價(jià)值的荷載緩和體系還相當(dāng)少， 一方面的原因是難以構(gòu)造出簡(jiǎn)單高效的荷載 緩和裝置，另一方面原因是荷載緩和體系需要通過(guò)釋放結(jié)構(gòu)的位移來(lái)保證構(gòu)件 的應(yīng)力不超過(guò)容許應(yīng)力，因此它必須與柔性結(jié)構(gòu)相結(jié)合，工程應(yīng)用背景具有局 限性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)的不足而提供一種抗災(zāi)能力強(qiáng)、安全性 能高、受力性能優(yōu)越，并能充分發(fā)揮高強(qiáng)度材料性能的具有荷載緩和作用的張 弦梁結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)， 它包括上弦梁、撐桿、張弦梁的下弦拉索、支座和荷載緩和裝置，所述的荷載緩和裝置由小齒輪轉(zhuǎn)盤、大齒輪轉(zhuǎn)盤、拉索及重物組成，小齒輪轉(zhuǎn)盤和大齒輪轉(zhuǎn)盤利用齒輪相互咬合連在一起，小齒輪轉(zhuǎn)盤邊緣與張弦梁的下弦拉索相連，張弦梁的下弦拉索繞過(guò)小齒輪轉(zhuǎn)盤四分之一周固定，大齒輪轉(zhuǎn)盤中心與支座用拉索相連，大齒輪轉(zhuǎn)盤邊緣伸出拉索下面懸掛重物，拉索繞過(guò)大齒輪轉(zhuǎn)盤四分之一周固定。由于大小齒輪轉(zhuǎn)盤的設(shè)置，從而可使荷載緩和裝置所懸掛重物的重量小于張弦梁下弦索的拉力。為便于轉(zhuǎn)盤與拉索的連接，小齒輪轉(zhuǎn)盤和大齒輪轉(zhuǎn)盤中間各設(shè)有放置凹槽，凹槽用于放置拉索。本發(fā)明提供的一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)的實(shí)施方法，(1)首先 設(shè)計(jì)無(wú)荷載緩和裝置的張弦梁結(jié)構(gòu)，確定各種構(gòu)件的截面規(guī)格及下弦拉索的適宜初始預(yù)應(yīng)力；(2)根據(jù)下弦拉索的內(nèi)力設(shè)計(jì)荷載緩和裝置，拉索的內(nèi)力與所 懸掛的重物之間存在如下的比例關(guān)系7V = |lG 式中W為拉索的內(nèi)力；G為懸掛重物的重量；重物的重量過(guò)大，不便于操作，材料用量大，重物的重量過(guò)小，受環(huán)境因素的影響較大，因此重 物的重量宜適中， 一般取500 1000N為宜。A、 A分別為大小轉(zhuǎn)盤的接觸點(diǎn)距下弦拉索、距掛重物拉索的距離。根據(jù)拉索內(nèi)力與懸掛重物的重量，可確定大小轉(zhuǎn)盤尺寸上的比例關(guān)系，由此來(lái)設(shè)計(jì)大小轉(zhuǎn)盤；(3)將下弦拉索按照成形后 的尺寸、大小轉(zhuǎn)盤的尺寸及位置確定下料長(zhǎng)度，并按照同樣的辦法確定支座拉 索的下料長(zhǎng)度；上弦梁和撐桿也可按照成形后的尺寸來(lái)制作；(4)將加工制 作好的各個(gè)構(gòu)件根據(jù)對(duì)應(yīng)位置安裝，由于此時(shí)結(jié)構(gòu)無(wú)剛度，各構(gòu)件不能固定在 相應(yīng)位置上，可對(duì)掛重物的拉索施加一個(gè)拉力，只要能保證各個(gè)構(gòu)件在相應(yīng)位 置上固定即可；(5)懸掛重物，各個(gè)構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)形狀，施工完畢。張弦梁結(jié)構(gòu)中有拉索，適合于荷載緩和裝置的設(shè)置，而張弦梁結(jié)構(gòu)又恰恰 存在荷載緩和結(jié)構(gòu)體系可以彌補(bǔ)的缺點(diǎn)，為荷載緩和裝置的應(yīng)用提供了場(chǎng)合， 因此本發(fā)明在考慮張弦梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了一種簡(jiǎn)單高效的荷載 緩和裝置，進(jìn)而提出了具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所得到的一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法，l)能充 分發(fā)揮高強(qiáng)度材料的性能本結(jié)構(gòu)中由于荷載緩和裝置的調(diào)節(jié)作用，可使高強(qiáng) 度拉索的潛能得到充分發(fā)揮。2)受力性能優(yōu)越可保證張弦梁的下弦拉索始終處于受拉狀態(tài)，并且內(nèi)力恒定。3)施工簡(jiǎn)單張弦梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件可根據(jù)成 形后的尺寸加工制作，施工時(shí)將上述構(gòu)件依次安裝到位，最后只需將重物掛上 即可，省去了張拉預(yù)應(yīng)力的過(guò)程。4)抗災(zāi)能力強(qiáng)當(dāng)結(jié)構(gòu)受到突發(fā)的地震、臺(tái) 風(fēng)等災(zāi)害性荷載作用時(shí)，荷載緩和裝置起到調(diào)節(jié)作用，增大了結(jié)構(gòu)的柔性，使 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形而拉索的內(nèi)力基本保持不變，從而大大減少了災(zāi)害荷載導(dǎo) 致索斷結(jié)構(gòu)倒塌的危險(xiǎn)。


圖1是具有荷載緩和功能的張弦梁結(jié)構(gòu)示意圖；圖2荷載緩和裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖；圖4空間張弦梁結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖；圖5—榀張弦梁結(jié)構(gòu)尺寸圖；圖6算例1中張弦梁下弦拉索內(nèi)力隨荷載增加的變化曲線； 圖7算例1中地震作用時(shí)張弦梁下弦拉索內(nèi)力變化曲線。其中撐桿l、張弦梁的下弦拉索2、荷載緩和裝置3、小齒輪轉(zhuǎn)盤4、大 齒輪轉(zhuǎn)盤5、拉索6、重物7、支座8、凹槽9、上弦梁IO、固定鉸ll、滑動(dòng)支 座12。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 實(shí)施例1如附圖1所示。 一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)，它包括上弦梁IO、 撐桿l、張弦梁的下弦拉索2、支座8和荷載緩和裝置3，所述的荷載緩和裝置 3由小齒輪轉(zhuǎn)盤4、大齒輪轉(zhuǎn)盤5、拉索6及重物7組成，小齒輪轉(zhuǎn)盤4和大齒 輪轉(zhuǎn)盤5利用齒輪相互咬合連在一起，如附圖2所示。小齒輪轉(zhuǎn)盤4邊緣與張 弦梁的下弦拉索2相連，張弦梁的下弦拉索2繞過(guò)小齒輪轉(zhuǎn)盤4四分之一周固盤的設(shè)置，從而可使荷載緩和裝置所懸掛重物的重量小于張弦梁下弦拉索2的 拉力。為便于小齒輪轉(zhuǎn)盤4和大齒輪轉(zhuǎn)盤5與下弦拉索2和拉索6的連接，小 齒輪轉(zhuǎn)盤4和大齒輪轉(zhuǎn)盤5中間各設(shè)有放置凹槽9，用于放置下弦拉索2和拉 索6，如附圖3所示。本實(shí)施例提供的一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)的實(shí)施方法，具體實(shí) 施這種具有荷載緩和功能的張弦梁結(jié)構(gòu)時(shí)，可按照下面的步驟進(jìn)行(1) 首先設(shè)計(jì)無(wú)荷載緩和裝置的張弦梁結(jié)構(gòu)，確定各種構(gòu)件的截面規(guī)格及 下弦拉索的適宜初始預(yù)應(yīng)力。(2) 根據(jù)下弦拉索的內(nèi)力設(shè)計(jì)荷載緩和裝置。拉索的內(nèi)力與所懸掛的重物 之間存在如下的比例關(guān)系式中W為拉索的內(nèi)力；G為懸掛重物的重量；重物的重量過(guò)大，不便于操作，材料用量大，重 物的重量過(guò)小，受環(huán)境因素的影響較大，因此重物的重量宜適中， 一般取500 1000N為宜。A、 A分別為大小轉(zhuǎn)盤的接觸點(diǎn)距下弦拉索2、距掛重物拉索6的距離。 根據(jù)拉索內(nèi)力與懸掛重物7的重量，可確定大、小齒輪轉(zhuǎn)盤5、 4尺寸上的比例 關(guān)系，由此來(lái)設(shè)計(jì)大小齒輪轉(zhuǎn)盤。(3) 將下弦拉索2按照成形后的尺寸、大小齒輪轉(zhuǎn)盤5、 4的尺寸及位置 確定下料長(zhǎng)度，并按照同樣的辦法確定支座拉索6的下料長(zhǎng)度。上弦梁10和撐 桿1也按照成形后的尺寸來(lái)制作。(4) 將加工制作好的各個(gè)構(gòu)件根據(jù)對(duì)應(yīng)位置安裝，由于此時(shí)結(jié)構(gòu)無(wú)剛度， 各構(gòu)件不能固定在相應(yīng)位置上，可對(duì)掛重物的拉索6施加一個(gè)拉力，只要能保 證各個(gè)構(gòu)件的在相應(yīng)位置上固定即可。(5) 懸掛重物，各個(gè)構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)形狀，施工完畢。 下面給出一具體算例，以進(jìn)一步了解本發(fā)明的實(shí)施算例l:單向張弦梁結(jié)構(gòu)由縱向間距為10m的七榀張弦梁構(gòu)成，縱向總長(zhǎng) 度為60m。屋面設(shè)縱向撐桿1以保證張弦梁結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性，如圖3所示。 張弦梁跨度為60m，上弦拱矢高為3m，下弦拉索垂度為5m，拉索形狀為拋物 線型，如圖4所示。每榀張弦梁端部支承均為一端固定鉸11， 一端滑動(dòng)支座12，支座標(biāo)高為20m。在豎向荷載取值方面，結(jié)構(gòu)屋面系統(tǒng)及吊頂取0.5kN/m2，屋面雪(活)荷 取0.5kN/m2，荷載組合1.2恒+ 1.4活二1.3kN/m2。上弦梁截面形式為方鋼管， 尺寸為300X400X12mm，撐桿1為圓管，尺寸為4> 159X6mm，下弦拉索2為4> 5X105的鋼絞線，材料均為鋼材，其中上弦梁10和撐桿1的彈性模量為2. 06 X 105 Mpa，下弦拉索2的彈性模量為1. 85X 105 Mpa。當(dāng)改變豎向荷載的數(shù)值時(shí)，可計(jì)算得到張弦梁下弦拉索2內(nèi)力隨荷載增加 的變化曲線，如附圖5所示。由附圖5可知，張弦梁結(jié)構(gòu)中未設(shè)置荷載緩和裝 置時(shí)，下弦拉索2的內(nèi)力隨著外荷載的增大和減小而呈線性變化，這表明如果 外荷載過(guò)大，下弦拉索2的內(nèi)力可能超過(guò)其承載能力而發(fā)生斷裂，如果外荷載 過(guò)小或者向上時(shí)，下弦拉索2可能會(huì)退出工作，這兩種狀況是工程中不希望看 到的。在張弦梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置了荷載緩和裝置3后，下弦拉索2的內(nèi)力外荷載的 增大和減小基本不變，可以保證拉索工作性能穩(wěn)定。當(dāng)張弦梁結(jié)構(gòu)受到地震荷載作用時(shí)，可計(jì)算得到張弦梁下弦拉索2內(nèi)力的 動(dòng)力時(shí)程曲線，如附圖6所示。由附圖6可知，張弦梁結(jié)構(gòu)中未設(shè)置荷載緩和 裝置3時(shí)，下弦拉索2的內(nèi)力隨著時(shí)間變化較大，而在張弦梁結(jié)構(gòu)中設(shè)置了荷 載緩和裝置3后，下弦拉索2的內(nèi)力外荷載的增大和減小基本不變，這表明此 時(shí)結(jié)構(gòu)的抗震性能很好。從算例可見(jiàn)，本發(fā)明的有益效果是明顯的，方案是可行的。
權(quán)利要求
1.一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)，它包括上弦梁(10)、撐桿(1)、張弦梁的下弦拉索(2)、支座(8)和荷載緩和裝置(3)，其特征是所述的荷載緩和裝置(3)由小齒輪轉(zhuǎn)盤(4)、大齒輪轉(zhuǎn)盤(5)、拉索(6)及重物(7)組成，小齒輪轉(zhuǎn)盤(4)和大齒輪轉(zhuǎn)盤(5)利用齒輪相互咬合連在一起，小齒輪轉(zhuǎn)盤(4)邊緣與張弦梁的下弦拉索(2)相連，張弦梁的下弦拉索(2)繞過(guò)小齒輪轉(zhuǎn)盤(4)四分之一周固定，大齒輪轉(zhuǎn)盤(5)中心與支座(8)用拉索相連，大齒輪轉(zhuǎn)盤(5)邊緣伸出拉索(6)下面懸掛重物(7)，拉索(6)繞過(guò)大齒輪轉(zhuǎn)盤四分之一周固定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)，其特征在 于小齒輪轉(zhuǎn)盤(4)和大齒輪轉(zhuǎn)盤(5)中間各設(shè)有放置凹槽(9)。
3. —種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)的實(shí)施方法，其特征是-(O首先設(shè)計(jì)無(wú)荷載緩和裝置的張弦梁結(jié)構(gòu)，確定各種構(gòu)件的截面規(guī)格及下 弦拉索的適宜初始預(yù)應(yīng)力；(2) 根據(jù)下弦拉索的內(nèi)力設(shè)計(jì)荷載緩和裝置，拉索的內(nèi)力與所懸掛的重物之 間存在如下的比例關(guān)系A(chǔ)^叢G 式中iV為拉索的內(nèi)力；G為懸掛重物的重量；重物的重量過(guò)大， 不便于操作，材料用量大，重物的重量過(guò)小，受環(huán)境因素的影響較大，因此重物的重量宜適中， 一般取500 1000N為宜。A、 A分別為大小轉(zhuǎn)盤的接觸點(diǎn)距 下弦拉索、距掛重物拉索的距離。根據(jù)拉索內(nèi)力與懸掛重物的重量，可確定大小轉(zhuǎn)盤尺寸上的比例關(guān)系，由此來(lái)設(shè)計(jì)大小轉(zhuǎn)盤；(3) 將下弦拉索按照成形后的尺寸、大小轉(zhuǎn)盤的尺寸及位置確定下料長(zhǎng)度， 并按照同樣的辦法確定支座拉索的下料長(zhǎng)度；(4) 將加工制作好的各個(gè)構(gòu)件根據(jù)對(duì)應(yīng)位置安裝，由于此時(shí)結(jié)構(gòu)無(wú)剛度，各 構(gòu)件不能固定在相應(yīng)位置上，可對(duì)掛重物的拉索施加一個(gè)拉力，只要能保證各 個(gè)構(gòu)件在相應(yīng)位置上固定即可；(5) 懸掛重物，各個(gè)構(gòu)件達(dá)到設(shè)計(jì)形狀，施工完畢。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)及施工方法，它包括上弦梁、撐桿、張弦梁的下弦拉索、支座和荷載緩和裝置，所述的荷載緩和裝置由小齒輪轉(zhuǎn)盤、大齒輪轉(zhuǎn)盤、拉索及重物組成，小齒輪轉(zhuǎn)盤和大齒輪轉(zhuǎn)盤利用齒輪相互咬合連在一起，小齒輪轉(zhuǎn)盤邊緣與張弦梁的下弦拉索相連，張弦梁的下弦拉索繞過(guò)小齒輪轉(zhuǎn)盤四分之一周固定，大齒輪轉(zhuǎn)盤中心與支座用拉索相連，大齒輪轉(zhuǎn)盤邊緣伸出拉索下面懸掛重物，拉索繞過(guò)大齒輪轉(zhuǎn)盤四分之一周固定。這種具有荷載緩和作用的張弦梁結(jié)構(gòu)，抗災(zāi)能力強(qiáng)、安全性能高、受力性能優(yōu)越，并能充分發(fā)揮高強(qiáng)度材料性能。
文檔編號(hào)E04B1/342GK101220612SQ200710306988
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月29日
發(fā)明者徐鵬如, 杜文風(fēng), 陳近岳 申請(qǐng)人:浙江八達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司