專利名稱：一種高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑結(jié)構(gòu)的大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法。
背景技術(shù)：
張弦桁架結(jié)構(gòu)最早由日本大學(xué)M. Saitoh教授在1986年提出，該結(jié)構(gòu)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型雜交屋蓋體系，其主要是由作為壓彎部件的上弦桁架桿件、下弦柔性拉索以及中間受壓撐桿組成的自平衡混合結(jié)構(gòu)，也是一種混合結(jié)構(gòu)體系發(fā)展中比較成功的大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體。張弦桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是體系簡(jiǎn)單、受力明確、結(jié)構(gòu)形式多樣，充分發(fā)揮了剛?cè)岵牧系膬?yōu)勢(shì)，并且制造、運(yùn)輸、施工簡(jiǎn)捷方便，因此已經(jīng)獲得了良好的應(yīng)用。近幾年來(lái)，以上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、廣州國(guó)際會(huì)展中心、哈爾濱國(guó)際會(huì)展中心、北京農(nóng)展館、國(guó)家體育館為代表的大跨度張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)已成為我國(guó)標(biāo)志性建筑。目前，本領(lǐng)域的研究人員普遍認(rèn)為張弦桁架結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理是通過(guò)對(duì)下弦柔性拉索施加預(yù)應(yīng)力而使上弦桁架桿件產(chǎn)生反撓度，使得結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度得以減少，而中間受壓撐桿對(duì)上弦桁架桿件提供的彈性支撐可以改善結(jié)構(gòu)的受力性能。一般由上弦桁架桿件構(gòu)成的上弦桁架采用拱梁或桁架拱，在荷載作用下拱的水平推力由下弦柔性拉索承受，以減輕拱對(duì)支座產(chǎn)生的水平推力并減少滑動(dòng)支座的水平位移。張弦桁架結(jié)構(gòu)可發(fā)揮高強(qiáng)索的強(qiáng)抗拉性能，改善整體結(jié)構(gòu)受力性能，使壓彎構(gòu)件和抗拉構(gòu)件取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同工作，從而達(dá)到自平衡。張弦桁架結(jié)構(gòu)包括平面張弦桁架結(jié)構(gòu)和空間張弦桁架結(jié)構(gòu)，空間張弦桁架結(jié)構(gòu)主要有單向張弦桁架結(jié)構(gòu)、雙向張弦桁架結(jié)構(gòu)、多向張弦桁架結(jié)構(gòu)、輻射式張弦桁架結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)方法、施工手段日臻成熟，研究人員也進(jìn)行了多方面的研究并取得了很多成果。雖然張弦桁架結(jié)構(gòu)受力合理、剛度大、重量輕，但由于其下弦柔性拉索需要占用大量的室內(nèi)凈空，因此限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。此外，傳統(tǒng)的張弦桁架結(jié)構(gòu)一旦下弦柔性拉索產(chǎn)生斷裂，上弦桁架將會(huì)出現(xiàn)倒塌，并會(huì)引起相鄰結(jié)構(gòu)連續(xù)產(chǎn)生破壞，從而引發(fā)災(zāi)難性事故。因此，如何提供一種凈空占用少、結(jié)構(gòu)冗余度高的新型張弦梁結(jié)構(gòu)，就成為拓展傳統(tǒng)張弦梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種凈空占用少、結(jié)構(gòu)冗余度高的張弦桁架結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)包括上弦桁架、多根撐桿、多根拉索、固定鉸支座和滑動(dòng)鉸支座，其中上弦桁架為由多根上弦桁架桿件通過(guò)螺栓球或焊接球相互連接而構(gòu)成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索的兩端相隔距離連接在上弦桁架下部的兩個(gè)球節(jié)點(diǎn)上，并且多根拉索的部分結(jié)構(gòu)交錯(cuò)設(shè)置；多根撐桿相隔距離垂直連接在上弦桁架下部和多根拉索之間；固定鉸支座的上端與上弦桁架一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上；滑動(dòng)鉸支座的上端與上弦桁架另一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以滑動(dòng)的方式安裝在位于上弦桁架另一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上。所述的拉索的數(shù)量為三根，且位于最外側(cè)的兩根拉索的外端分別與上弦桁架兩側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連。本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)施方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟I)根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度、室內(nèi)凈高限制及荷載組合工況設(shè)計(jì)高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)中上弦桁架桿件和撐桿的長(zhǎng)度及截面尺寸、多根拉索的截面面積及相應(yīng)初始預(yù)應(yīng)力值F ；2)通過(guò)螺栓球或焊接球連接方式將多根上弦桁架桿件相互連接成上弦桁架；3)將多根撐桿相隔距離垂直連接在上弦桁架下部和多根拉索之間；4)逐根張拉多根拉索，張拉順序?yàn)橄葟埨虚g一根拉索，然后同時(shí)張拉外側(cè)兩根拉索，待拉索的初始預(yù)應(yīng)力值F達(dá)到設(shè)計(jì)值后將多根拉索封錨固定，由此形成一榀張弦桁架；5)在施工場(chǎng)地將一榀張弦桁架吊裝就位后將其兩端分別與設(shè)置在兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)上的固定鉸支座和滑動(dòng)鉸支座的上端相連接，并施以臨時(shí)支撐；6)待多榀張弦桁架全部吊裝完畢后，在相鄰張弦桁架的上弦桁架之間設(shè)置多根橫向撐桿而構(gòu)成張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)，以保證張弦桁架結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性，撤除臨時(shí)支撐，施工完畢。本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法具有如下優(yōu)點(diǎn)I)室內(nèi)凈空占用少多根弦索分別連接在上弦桁架的下部球節(jié)點(diǎn)上，使得跨中位置的矢高大大降低，節(jié)省了室內(nèi)凈空。2)安全性能提高當(dāng)多根拉索中的某一根發(fā)生斷裂時(shí)，其它拉索的內(nèi)力增加，可通過(guò)增大上弦桁架變形的方式延緩其倒塌，為人員和財(cái)產(chǎn)的疏散提供寶貴時(shí)間。


圖I為本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)主視圖。圖2為由本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單向張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)立體圖。圖3為傳統(tǒng)張弦桁架結(jié)構(gòu)和本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)在豎向地震力作用下跨中位移變化曲線。圖4為傳統(tǒng)張弦桁架結(jié)構(gòu)和本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)在豎向地震力作用下拉索內(nèi)力變化曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)包括上弦桁架I、多根撐桿2、多根拉索3、固定鉸支座4和滑動(dòng)鉸支座5，其中上弦桁架I為由多根上弦桁架桿件6通過(guò)螺栓球或焊接球相互連接而構(gòu)成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索3的兩端相隔距離連接在上弦桁架I下部的兩個(gè)球節(jié)點(diǎn)上，并且多根拉索3的部分結(jié)構(gòu)交錯(cuò)設(shè)置；多根撐桿2相隔距離垂直連接在上弦桁架I下部和多根拉索3之間；固定鉸支座4的上端與上弦桁架I一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架I 一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上；滑動(dòng)鉸支座5的上端與上弦桁架I另一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以滑動(dòng)的方式安裝在位于上弦桁架I另一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上。所述的拉索3的數(shù)量為三根，且位于最外側(cè)的兩根拉索3的外端分別與上弦桁架I兩側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連?，F(xiàn)以由7榀張弦桁架7構(gòu)成的高冗余度單向張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)為例對(duì)本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)施方法進(jìn)行說(shuō)明，本單向張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)上張弦桁架7之 間的間距為8m，縱向總長(zhǎng)48m，相鄰上弦桁架I之間設(shè)橫向撐桿8。單榀張弦桁架7的跨度為100m，上弦拱矢高6m，多根拉索3垂度均為2m，多根拉索3呈拋物線形狀。每榀張弦桁架7的兩端分別為固定鉸支座4和滑動(dòng)鉸支座5，標(biāo)高均為20. 0m，如圖2所示，所述的實(shí)施方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟I)根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度、室內(nèi)凈高限制及荷載組合工況設(shè)計(jì)高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)中上弦桁架桿件6和撐桿2的長(zhǎng)度及截面尺寸、多根拉索3的截面面積及相應(yīng)初始預(yù)應(yīng)力值F ；2)通過(guò)螺栓球或焊接球連接方式將多根上弦桁架桿件6相互連接成上弦桁架I ;3)將多根撐桿2相隔距離垂直連接在上弦桁架I下部和多根拉索3之間；4)逐根張拉多根拉索3，張拉順序?yàn)橄葟埨虚g一根拉索3，然后同時(shí)張拉外側(cè)兩根拉索3，待拉索3的初始預(yù)應(yīng)力值F達(dá)到設(shè)計(jì)值后將多根拉索3封錨固定，由此形成一榀張弦桁架7 ；5)在施工場(chǎng)地將一榀張弦桁架7吊裝就位后將其兩端分別與設(shè)置在兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)上的固定鉸支座4和滑動(dòng)鉸支座5的上端相連接，并施以臨時(shí)支撐；6)待多榀張弦桁架7全部吊裝完畢后，在相鄰張弦桁架7的上弦桁架I之間設(shè)置多根橫向撐桿8而構(gòu)成張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)，以保證張弦桁架結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性，撤除臨時(shí)支撐，施工完畢。為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)的抗震性能，本發(fā)明人利用有限元軟件建模計(jì)算了傳統(tǒng)張弦桁架結(jié)構(gòu)和本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)在EL-Centro (1940)波豎向地震力作用時(shí)結(jié)構(gòu)跨中最大位移變化曲線和拉索6內(nèi)力變化曲線，400個(gè)荷載步，加載時(shí)間8s，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4?？梢?jiàn)，本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下仍能可靠工作，且具有較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更出色的抗震性能。由此可見(jiàn)，本發(fā)明理論可靠、使用安全，實(shí)施方法簡(jiǎn)便，效果顯著且便于實(shí)際應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)包括上弦桁架(I)、多根撐桿(2)、多根拉索(3)、固定鉸支座(4)和滑動(dòng)鉸支座(5)，其中上弦桁架(I)為由多根上弦桁架桿件(6)通過(guò)螺栓球或焊接球相互連接而構(gòu)成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索(3)的兩端相隔距離連接在上弦桁架(I)下部的兩個(gè)球節(jié)點(diǎn)上，并且多根拉索(3)的部分結(jié)構(gòu)交錯(cuò)設(shè)置；多根撐桿(2)相隔距離垂直連接在上弦桁架(I)下部和多根拉索(3)之間；固定鉸支座(4)的上端與上弦桁架(I) 一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架(I) 一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上；滑動(dòng)鉸支座(5)的上端與上弦桁架(I)另一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以滑動(dòng)的方式安裝在位于上弦桁架(I)另一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的拉索(3)的數(shù)量為三根，且位于最外側(cè)的兩根拉索(3)的外端分別與上弦桁架(I)兩側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連。
3.—種如權(quán)利要求I所述的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)的實(shí)施方法，其特征在于所述的實(shí)施方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟 1)根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度、室內(nèi)凈高限制及荷載組合工況設(shè)計(jì)高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)中上弦桁架桿件(6)和撐桿(2)的長(zhǎng)度及截面尺寸、多根拉索(3)的截面面積及相應(yīng)初始預(yù)應(yīng)力值F； 2)通過(guò)螺栓球或焊接球連接方式將多根上弦桁架桿件(6)相互連接成上弦桁架(I)； 3)將多根撐桿(2)相隔距離垂直連接在上弦桁架(I)下部和多根拉索(3)之間； 4)逐根張拉多根拉索(3)，張拉順序?yàn)橄葟埨虚g一根拉索(3)，然后同時(shí)張拉外側(cè)兩根拉索(3)，待拉索(3)的初始預(yù)應(yīng)力值F達(dá)到設(shè)計(jì)值后將多根拉索(3)封錨固定，由此形成一榀張弦桁架(7)； 5)在施工場(chǎng)地將一榀張弦桁架(7)吊裝就位后將其兩端分別與設(shè)置在兩側(cè)支撐結(jié)構(gòu)上的固定鉸支座(4)和滑動(dòng)鉸支座(5)的上端相連接，并施以臨時(shí)支撐； 6)待多榀張弦桁架(7)全部吊裝完畢后，在相鄰張弦桁架(7)的上弦桁架(I)之間設(shè)置多根橫向撐桿(8)而構(gòu)成張弦桁架屋蓋結(jié)構(gòu)，以保證張弦桁架結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性，撤除臨時(shí)支撐，施工完畢。
全文摘要
一種高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法。結(jié)構(gòu)包括上弦桁架、多根撐桿、多根拉索、固定鉸支座和滑動(dòng)鉸支座，上弦桁架為由多根上弦桁架桿件相互連接構(gòu)成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索兩端相隔距離連接在上弦桁架下部的兩個(gè)球節(jié)點(diǎn)上，多根拉索的部分結(jié)構(gòu)交錯(cuò)設(shè)置；多根撐桿相隔距離垂直連接在上弦桁架下部和多根拉索間；固定鉸支座上端與上弦桁架一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上；滑動(dòng)鉸支座上端與上弦桁架另一側(cè)下部的球節(jié)點(diǎn)相連，下端以滑動(dòng)的方式安裝在位于上弦桁架另一側(cè)的支撐結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明提供的高冗余度張弦桁架結(jié)構(gòu)及實(shí)施方法具有結(jié)構(gòu)冗余度高、抗倒塌性能好、施工簡(jiǎn)便、安全性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)E04G21/14GK102653965SQ20121013838
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者劉國(guó)光, 武志瑋, 譚振 申請(qǐng)人:中國(guó)民航大學(xué)