超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢网格屋盖结构，特别是一种超大跨度（120m≦L≦180m）变截面预应力正放抽空四角锥网架及其制作方法，属于建筑钢结构的技术领域。

技术领域

本发明涉及一种钢网格屋盖结构，特别是一种超大跨度（120m≦L≦180m）变截面预应力正放抽空四角锥网架及其制作方法，属于建筑钢结构的技术领域。

背景技术

平板型钢网架从1965年由国外引进至今已经40多年，由于它空间三维受力，工厂制造，现场安装，工序简单，用钢量少，在单层工业厂房及公共建筑屋盖中广泛使用，达数千万平方米。但其中跨度在（18m～60m）占90%以上，网架组成形式多达13种，不管哪种形式，它们有一个共同特点是其上弦网格层与下弦网格层平面是两两平行的（等高度），其屋面排水坡度的构造与组成是在上弦节点立短柱后与檩条连接形成排水坡度。当排水坡度要求i=7%时，跨度L=30m时，最高短柱达1.05m；当跨度L=60m时，短柱高为2.1m；当跨度L=155m时，短柱高达5.45m，它占去整个结构高度40%以上。这些构件它既不与平板网架组成的构件共同工作整体受力，反而由于坡度构造原因使网架由于屋面坡度要求而增加大量附加荷载。

传统的平板型钢网格结构有十三种之多，在方形平面和长边与短边之比小于1.5的屋盖平面中，正放四角锥网架刚度最好，在跨度18m～60m之间应用最为广泛，当跨度大于60m时俗称超大跨度，特别是跨度在120m～180m的方形或矩形平面的屋盖，常规作法是采用三层，由两个四角锥在网架高度中央处角锥对角锥组成，当跨度为155m×155m时，其结构高度达12m，当屋盖排水坡度i=0.07时，柱最大高度达5.45m，整个结构高度达17.65m，如同六层楼高的民宅，屋盖结构占了建筑总体积的51%，建筑物周边围护材料多增一倍外，室内空调功率必须增加一倍以上，不仅用钢量大，造价高，而且对建筑的“节能减排”极为不利。现有技术对超大跨度的刚性网格结构很难达到“安全、合理、先进、经济”的设计要求。研制一种既节约屋盖结构高度又确保结构刚度，在节约用钢量的同时，使室内刚性网格结构所占立方体积为最少的一种新型空间网格结构体系，是大型超大跨度建筑当务之急。

背景技术

平板型钢网架从1965年由国外引进至今已经40多年，由于它空间三维受力，工厂制造，现场安装，工序简单，用钢量少，在单层工业厂房及公共建筑屋盖中广泛使用，达数千万平方米。但其中跨度在（18m～60m）占90%以上，网架组成形式多达13种，不管哪种形式，它们有一个共同特点是其上弦网格层与下弦网格层平面是两两平行的（等高度），其屋面排水坡度的构造与组成是在上弦节点立短柱后与檩条连接形成排水坡度。当排水坡度要求i=7%时，跨度L=30m时，最高短柱达1.05m；当跨度L=60m时，短柱高为2.1m；当跨度L=155m时，短柱高达5.45m，它占去整个结构高度40%以上。这些构件它既不与平板网架组成的构件共同工作整体受力，反而由于坡度构造原因使网架由于屋面坡度要求而增加大量附加荷载。

传统的平板型钢网格结构有十三种之多，在方形平面和长边与短边之比小于1.5的屋盖平面中，正放四角锥网架刚度最好，在跨度18m～60m之间应用最为广泛，当跨度大于60m时俗称超大跨度，特别是跨度在120m～180m的方形或矩形平面的屋盖，常规作法是采用三层，由两个四角锥在网架高度中央处角锥对角锥组成，当跨度为155m×155m时，其结构高度达12m，当屋盖排水坡度i=0.07时，柱最大高度达5.45m，整个结构高度达17.65m，如同六层楼高的民宅，屋盖结构占了建筑总体积的51%，建筑物周边围护材料多增一倍外，室内空调功率必须增加一倍以上，不仅用钢量大，造价高，而且对建筑的“节能减排”极为不利。现有技术对超大跨度的刚性网格结构很难达到“安全、合理、先进、经济”的设计要求。研制一种既节约屋盖结构高度又确保结构刚度，在节约用钢量的同时，使室内刚性网格结构所占立方体积为最少的一种新型空间网格结构体系，是大型超大跨度建筑当务之急。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架及其制作方法。该网架应用于超大跨度（120m≤L≤180m）的方形或矩形屋盖，具有用钢量低、构造简单、制作安装成本低、力学性能优良等优点，是一种安全、合理、先进、经济的新型结构体系。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案：超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架的制作方法。该方法是在正放抽空四角锥变截面双层网架的两边约1/3处沿x方向和y方向设置预应力空间桁架，在预应力空间桁架上设置预应力钢索，并在每榀预应力空间桁架上弦两端的支座节点的钢球上端设置钢索支撑钢架，在框架柱的上部外侧设置水平撑杆，在水平撑杆靠框架柱一侧节点处设置地锚钢索；将预应力钢索的一端绕钢索支撑钢架顶端定滑轮向跨度中央向下倾斜，穿过在该榀预应力空间桁架下弦节点的钢索转向支撑架，另一端绕过水平撑杆端部的定滑轮后固定在框架柱的下部；在建立预应力后正放抽空四角锥变截面双层网架与框架柱、预应力钢索以及地锚钢索形成一个自平衡结构整体。

超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架。其构成包括正放抽空四角锥变截面双层网架，在所述正放抽空四角锥变截面双层网架的两边约1/3处沿x方向和y方向设有预应力空间桁架，预应力空间桁架的两端支承在框架柱上；在预应力空间桁架上有预应力钢索，在x方向和y方向预应力空间桁架下弦的交叉点设置有钢索转向支撑架；在每榀预应力空间桁架的上弦两端设置有支座节点，在支座节点的钢球上端设置有钢索支撑钢架，在框架柱的上部外侧设有水平撑杆；预应力钢索的一端绕钢索支撑钢架顶端定滑轮向跨度中央向下倾斜，并固定在该榀预应力空间桁架的钢索转向支撑架上，另一端绕过水平撑杆端部的定滑轮后固定在框架柱的下部。

上述的超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架中，在所述的水平撑杆靠框架柱一侧节点处设置有地锚钢索，该地锚钢索的另一端锚固于地基上。

前述的超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架中，所述的地锚钢索与地面呈60°夹角。

前述的超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架中，在所述的水平撑杆和地锚钢索上装有正反丝扣的预应力装置。

前述的超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架中，所述预应力空间桁架的两根上弦杆向下弯曲，一根下弦杆为水平直杆，两根上弦杆和一根下弦杆通过四根斜腹杆上下连接。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的超大跨度变截面预应力正放抽空四角锥网架是一种新型的屋盖结构形式，应用于方形或矩形的超大跨度（120m≤L≤180m）屋盖，与现有的平板型钢网架比较，具有用钢量低、构造简单、制作安装成本低、力学性能优良等优点，是超大跨平板型钢网格结构中一种“安全、合理、先进、经济”的优良结构形式。它能使整幢建筑结构（屋盖和框架柱）整体工作，提高结构刚度和整体性的同时，达到降低用钢量，节约工程造价的目的。本发明由于采用双层抽空四角锥网架，其节点及杆件数量相对三层网架减少40%以上，结构的最大高度可下降40%以上，并且本发明采用抗拉强度比普通钢管抗拉强度高7～8倍的预应力钢索建立预应力来补偿，形成整个钢网格屋盖，框架柱与钢索结构自平衡体系，从而大幅减少结构用钢量，在满足结构刚度和强度条件下形成一种超大跨度预应力钢网格结构新体系。

附图说明

图1是本发明的平面结构布置图；

图2是本发明在x,y向设预应力空间桁架区域的网格布置平面图；

图3是本发明的预应力空间桁架的侧立面图；

图4的图3的A-A剖视图；

图5是钢索上部支撑钢架及水平撑杆和预应力装置的轴测图；

图6是预应力钢索在钢索转向支撑架处的轴测图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1。如图1、2所示，包括正放抽空四角锥变截面双层网架1，从图1可知每个方向（X，Y方向）16榀变截面空间桁架正交形成，并抽空了15×15=225个网格，即抽空面积达225×25=5625㎡，占总屋盖面积的25%。材料用量下降是明显的。从图3可知结构总高度也比常规的三层平板网架下降了约40%，由于结构抽空和结构高度减小，其用钢量下降，但其刚度也相应下降，将不满足结构的使用要求。为解决此问题，本发明采用屋面斜拉预应力方法使屋盖结构与支承框架柱共同工作，在预应力作用下形成“结构自平衡体系”，其具体结构是在正放抽空四角锥变截面双层网架1的两边约1/3处沿x方向和y方向分别设置两榀预应力空间桁架2，预应力空间桁架2的两端支承在框架柱3上；预应力空间桁架2的两根上弦杆11向下弯曲，一根下弦杆12为水平直杆，两根上弦杆11和一根下弦杆12通过四根斜腹杆13上下连接。在预应力空间桁架2上有预应力钢索4，在x方向和y方向预应力空间桁架2下弦的交叉点设置有钢索转向支撑架5；在每榀预应力空间桁架2的上弦两端设置有支座节点6，在支座节点6的钢球上端设置有钢索支撑钢架7，在框架柱3的上部外侧设有水平撑杆8；预应力钢索4的一端绕钢索支撑钢架7顶端定滑轮向跨度中央向下倾斜，并固定在该榀预应力空间桁架2的钢索转向支撑架5上，另一端绕过水平撑杆8端部的定滑轮后固定在框架柱3的下部。水平撑杆8靠框架柱3一侧节点处设置有与地面呈60°夹角的地锚钢索9，该地锚钢索9的另一端锚固于地基上。地锚钢索9。在水平撑杆8和地锚钢索9上装有正反丝扣的预应力装置10。

以155m×155m方形屋盖结构为例，如图1所示，在每边（X，Y）约1/3处布置预应力空间桁架2，如图3所示，在每个预应力空间桁架2两端设置有支座节点6，在支座节点6的钢球上端设置有钢索支撑钢架7，预应力钢索4的一端绕钢索支撑钢架7顶端定滑轮向跨度中央向下倾斜，并穿过在该榀预应力空间桁架2的钢索转向支撑架5呈水平状，X方向两根预应力钢索4和Y方向预应力钢索4均在此转向，形成转向角；预应力钢索4的另一端绕过水平撑杆8端部的定滑轮后固定在框架柱3的下部。钢索转向支撑架5均有四个钢索转向节点。预应力钢索4张拉建立预应力，在钢索转向支撑架5上分别产生两个由下弦节点向上作用且与荷载作用相反的作用力，整个网格结构共设置了四个钢索转向支撑架5，则在结构预应力阶段，整个超大跨度网格结构产生与荷载作用相反的作用力。由于此作用力与上弦节点作用正好相反，从结构刚度分析，整个钢网格结构中央位置相当于设置了四个弹性支承点，每个弹性支承点向上产生作用力，这四个由下弦节点向上作用力（结构成型态），它又使整个网格结构各杆件产生与荷载作用相反的内力，即荷载作用时（荷载态）上弦杆受压，下弦杆受拉，而预应力成形态时其内力恰恰相反，则结构正常“使用状态“的变形和内力等于“成形态”与“荷载态”之和，即“结构使用态”=“结构成形态”+“结构荷载态”，由于合理的预应力布索方式，使原有刚度不够且内力过大的结构，改变为满足结构刚度要求的同时，减小结构内力分布，达到减小结构用钢量、节约工程造价的目标。图3和图4中，预应力钢索4绕过钢索支撑钢架7向外侧倾斜后又在框架柱3上部外侧设有的水平撑杆8端部定滑轮后再固定在框架柱3的下部。在水平撑杆8处设置铸钢制造的正反丝扣的预应力装置10，顺时针旋转预应力装置10，水平撑杆8伸长，即对预应力钢索4产生张拉力，根据计算确定张拉力后，旋转预应力装置10建立预应力。由于附有预应力装置10的水平撑杆8承受的巨大的压力传至框架柱3（钢柱、钢管砼柱或钢筋砼柱），将使框架柱3产生向内侧移的作用，为了平衡此作用力，故在水平撑杆8靠框架柱3侧节点处设置与地面呈60度夹角的地锚钢索9，旋转预应力装置10建立预应力，则水平撑杆8传给框架柱3的水平推力由锚固于地基的地锚钢索9来平衡，此时正放抽空四角锥变截面屋盖框架柱3，预应力钢索4、地锚钢索9形成一个自平衡结构整体。它像一般折线预应力钢索自平衡体系那样，在整个网格结构中不出现“增力杆”，而是“减力杆”，从而减少结构用钢量。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。