超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型钢扭网壳屋盖结构，特别是一种超大跨度（120m≦L≦180m）周边简支预应力双层与三层组合扭网壳屋盖，属于建筑钢结构的技术领域。

背景技术

上世纪90年代中期相继出现了多座预应力组合扭网壳结构的屋盖，如广东省清远市体育馆，它的平面为六边形，由六块双层扭网壳分别支承在六根柱顶上，此处亦为扭网壳的最低点，其柱边到柱边的跨度为68.418m，最大悬挑12.615m，六边形屋盖对角线跨度为93.645m，整个屋盖形成负高斯曲率，即沿相邻两柱边切开，网壳向上拱起与钢索形成拉杆拱，收紧钢索建立预应力时，将使网壳向上拱起。结构在“成形态”（预应力阶段）使网壳产生与荷载作用相反的变形和相反的内力，而屋盖建成后使用阶段的变形与内力是两个阶段的变形和内力的叠加，使网壳大部分杆件内力减小（“减力杆”），小部分杆件内力增加（“增力杆”）；组合网壳采用预应力可减小网壳挠度和降低网壳杆件内力，从而降低用钢量。双曲扭网壳另一优点是它的交叉桁架均为直线式平行弦桁架平移形成双曲面，无需弯杆就形成双曲面。矩形平面的预应力双层组合扭网壳屋盖，如广东省高要市体育馆屋盖。它由四块双层扭网壳分别支承在南北两柱跨度为60m，东西两柱跨度为72m的四根钢筋混凝土柱顶上。其预应力钢索设在网壳四个支座上，是网壳的最低点。根据组合扭网壳的内力大小分布规律，也可以将每块扭网壳单、双层组合布置，如1997年建成的广东新兴县体育馆矩形平面屋盖，南北两立柱间距为60m，东西两立柱间距为68m。广西桂平市体育馆，屋盖平面亦为矩形，扭网壳也是单双层组合，南北方向跨度为66m，东西方向跨度为72m。这些已建成的预应力组合扭网壳有如下特点：其一，支承扭网壳屋盖的柱很少，其支承柱的数量亦是扭网壳的数量，形成多点支承；其二，由于支承柱少，每块扭网壳角部有一个很大的悬挑跨度（广东省清远市体育馆的悬挑跨度为12.615m，广东高要市体育馆的悬挑跨度为22.67m，广东新兴县体育馆的悬挑跨度为24.42m；其三，屋盖的跨度在60～75m之间，若作超大跨度时，存在难度，从它的三个特点分析，当跨度为120～180m（达到前者的2～3倍）时，如150m×150m两向跨度达到150m，如果由四块扭网壳组合而成，四边的中点设四根立柱（如图2所示），将会产生如下不利影响：其一，屋盖覆盖面积大（27225ｍ^２），支承柱少，导致每根柱承受的竖向压力巨大（1500t以上），这样的大型建筑，只有四柱支承，其抗侧刚度极差；其二、跨度超限（超过120m）的同时，屋盖四角的悬挑跨度也超限（超过40m），其屋盖四角的悬挑跨度为63.6m，形成双重超限结构形式。结构的合理性受到置疑的同时，其整体刚度和稳定性也受到影响。这是结构设计中应该尽量避免的；其三，由于跨度超大（150ｍ×150ｍ），网壳厚度大，一般h=8000～9000mm，网壳中斜腹杆长度达8835～9750mm，而其承受的拉、压力都很小，大部分杆件由“长细比”构造控制，当跨度为60m～90m左右时，腹杆直径仅为，当腹杆长达9m～10m时，腹杆直径为，是普通跨度网壳腹杆单位重量的五倍，而超大跨度扭网壳腹杆总长度往往大于普通跨度扭网壳上、下弦杆总长度1.5倍以上，所以，常规的超大跨度网格结构一般做成三层，目的是减小腹杆长度、使腹杆用钢量下降。但由双层均改为三层后，整个网壳的节点数量增加1/3，网壳腹杆长度虽然减小，但杆件（包括中弦杆）数量增加十分显著。同时也增加了施工难度，常规的三层扭网壳并没有达到降低用钢量的目的。随着经济建设的快速发展，超大跨度的体育、展览、实验等公共建筑愈来愈多，如何在确保结构安全、可靠、适用的前提下，能降低用钢量、减少工程造价，至今仍是一个难题。

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周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构。该扭网壳结构适用于跨度在120m～180m的超大跨度扭网壳屋盖，能在确保结构安全、可靠、适用的前提下，达到降低用钢量、减少工程造价的目的，从而克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案：超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构。包括扭网壳，在所述扭网壳的周边按柱网间距要求设置有高度不相等的框架柱，在扭网壳的每边中央设置有中央框架柱；扭网壳的悬挑部位均简支于框架柱的顶部；在扭网壳的每边中央框架柱上支座装有预应力钢索。

上述的超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构中，所述扭网壳每边的框架柱高度从中央框架柱沿两端按线性升高；中央框架柱柱的高度最低，扭网壳角部的框架柱高度最高。

前述的超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构中，所述的预应力钢索是固定在扭网壳每边中央框架柱的顶部支座节点上。

前述的超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构中，所述扭网壳受力大的部位为三层网壳，受力较小部位为双层网壳。

前述的超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构中，所述扭网壳中间的“十字形”部位及周边框架柱内边范围为三层网壳，其他部位均为双层网壳。

前述的超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构中，所述的三层网壳占扭网壳总面积的20～30％，双层网壳占扭网壳总面积的70～80％。

前述的超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构中，所述扭网壳的悬挑长度仅为屋盖檐口长度。

前述的超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构中，所述的扭网壳为矩形或方形平面，其跨度为120～180m的超大跨度。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提出的“超大跨度周边简支承预应力双层与三层组合扭网壳结构”是一种新型的屋盖结构形式，尤其适用于跨度为120～180m的超大跨度扭网壳屋盖,是一种安全、合理、先进、经济的新型结构体系。本发明采用周边按柱网间距要求，沿扭网壳周边设置高度不相等的框架柱，使扭网壳周边部位均简支于周边的框架梁顶部，其悬挑长度仅为屋盖檐口长度（7.5ｍ～15ｍ），这样处理网壳不存在超大悬挑问题，从而使此类超大跨度结构不会成为“双重超限”的不合理结构形式。并在每块扭网壳的最低点（每边中点）支座用预应力钢索取代钢系杆建立预应力，由于预应力作用将使扭网壳产生与荷载作用相反的变形，从而使网壳各杆件产生与荷载作用相反的内力，使网壳各杆件内力减小，达到降低用钢量的目的。本发明根据扭网壳内力分布规律，在超大跨度时，将受力大的部位设计为三层，受力较小部位设计为双层。形成“超大跨度周边简支预应力双层与三层组合扭网壳结构”，本结构体系不仅具有良好的结构整体性，大幅度提高结构的抗侧刚度，消除了超大悬挑带来的隐患，而且进一步优化了结构用钢，使用钢量大幅度下降，达到“节能增效”的要求，在确保结构安全、可靠、适用的前提下，达到降低用钢量，减少工程造价的目的。

本发明与常规预应力组合扭网壳比较具有三大创新点：其一，周边按柱网要求设置周边框架柱，既防止扭网壳大悬挑“超限”的出现，又提高了整个屋盖结构的整体性和抗侧刚度，同时，也改善了组合扭网壳受力特性，在确保结构刚度要求的同时，由于预应力效应使网壳内力减小，降低用钢量。其二，将常规的三层网壳根据超大跨度预应力组合扭网壳的受力特点和内力分布规律改变为受力大的部分为三层（占总面积20％），受力较小部位仍为双层（约占总面积的80％），这种结构形式可大幅度降低用钢量，既减少了三层组合扭网壳的节点和杆件数量，又优化了结构用钢、降低了用钢量，达到“节能减排”功效。其三，当预应力组合扭网壳跨度为120～180m的超限条件下，不再出现超大悬挑，从而防止“双重超限”的不合理的结构形式的出现。由周边按柱网形成边框架结构，避免了扭网壳对角部形成的大悬挑或超限（超过40m）的大悬挑；使扭网壳沿周边简支，边界条件的改善导致组合扭网壳受力特性改善；同时，也使整个超大跨度结构整体性和抗侧刚度大幅度提高。

附图说明

图1是本发明的轴测图；

图2是现有的四柱支承预应力双层组合扭网壳结构轴测图；

图3是本发明的平面布置图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是本发明的正立面结构布置简图；

图6是本发明1/4单块扭网壳的双层与三层网格布置图；

图7是图6的Ⅰ-Ⅰ剖面图；

图8是图6的Ⅱ-Ⅱ剖面图；

图9是图6的Ⅲ-Ⅲ剖面图。

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所示，本实施例为某超大型实验大厅，扭网壳1的平面尺寸为150m×150m，正方形，柱网的柱距每边均为7.5ｍ，每边长20×7.5m=150m，在扭网壳1每边设置有20个高度不等的边框架柱2和1个中央框架柱3，共21个框架柱，其高度从中央框架柱3（标高最低+10.0ｍ），沿两端按线性升高到角部柱（标高最高+23.2ｍ），中央框架柱3的高度最低，扭网壳1角部的框架柱2高度最高，并从中间向两端升高形成10°的夹角。扭网壳1的悬挑部位均简支于框架柱2的顶部。预应力钢索4布置在扭网壳1每边中央框架柱3的顶部支座节点上，此处亦是整个扭网壳结构最低点。预应力钢索4两端节点既是张拉端，也是锚固端，当张拉预应力钢索建立预应力时，有使钢网壳向上变形的拱起作用，形成与屋面竖向荷载相反的变形和内力，预应力作用时结构的“成形态”的变形及内力与荷载作用下的结构“荷载态”的变形与内力正好相反，则屋盖结构在正常使用状态的变形与内力为前两状态的叠加，从而达到减小结构变形，提高结构刚度和减小扭网壳杆件内力，降低结构用钢量的作用。本发明采用双层与三层网壳组合布置的方法，在整个网壳结构受力大的部位，如图3中间十字形部位和周边支座内边部位为三层网壳5，其他受力小的部位均为双层网壳6，其中三层网壳5占扭网壳1总面积的20%，80%为双层网壳6，导致杆件数量、节点数量大幅度下降，它既保证结构的承载力和刚度要求，又大幅度降低结构用钢量，从而显示了此类新型预应力钢网格结构的新颖性和先进性。整个扭网壳1的双层网壳6与三层网壳5的布置见图6的1/4网格布置图，它的Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ剖面分别见图7，图8，图9。图3为整个网壳及双层与三层网壳的布置图，其对角线剖面如图4所示，其对角线悬挑跨度由原来的63.6m减小为10.6m，避免原结构形式的悬挑超限所造成的“双重超限”不合理结构形式出现。

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。