一种钢与混凝土组合空间三角环桁架结构

摘要

本发明提出了一种钢与混凝土组合空间三角环桁架结构。该结构把钢和混凝土巧妙的组合在一起，并充分发挥钢和混凝土的材料特性，用较小的钢材用量和混凝土用量，来承担部分自平衡的闭合马鞍形空间结构体系中的环桁架受到的巨大的扭矩、轴拉力、轴压力，降低了成本，加快施了工进度，取得了经济效益，又提高了结构的耐久性，让结构受力更加合理。

说明书

技术领域

本发明属于结构工程种钢与混凝土组合结构技术领域，特别涉及一种钢与混凝土组合空间三角环桁架结构。

背景技术

随着经济的高速发展，钢与混凝土组合结构中钢管混凝土结构开拓了两个新的应用领域，一个是公路和城市桥梁，另一个是高层和超高层建筑，钢管混凝土结构的应用逐渐增多。但实际工程中由于混凝抗压与抗拉性能差别很大，同时混凝土构件材料用量大，自重大，极少用于大跨空间桁架中。而钢材强度高，材料用量小，自重轻，因而常用于大跨屋面梁或桁架，在部分自平衡的闭合马鞍形空间结构体系中，环桁架受到巨大的扭矩、轴拉力、轴压力，若采用常规的纯钢结构环桁架，钢材用量非常大，结构成本极高。如何通过把钢和混凝土巧妙的组合在一起，并充分发挥钢和混凝土的材料特性，用较小的钢材用量和混凝土用量来承担部分自平衡的闭合马鞍形空间结构体系中的环桁架受到的巨大的扭矩、轴拉力、轴压力，降低成本，加快施工进度，提高经济效益是工程中需要解决的问题。

发明内容

针对部分自平衡的闭合马鞍形空间结构体系中的环桁架承受扭矩、轴拉力、轴压力，若采用常规的纯钢结构环桁架，钢材用量非常大，结构成本极高的问题，本发明提出了一种钢与混凝土组合空间三角环桁架结构。该结构把钢和混凝土巧妙的组合在一起，并充分发挥钢和混凝土的材料特性，用较小的钢材用量和混凝土用量，来承担部分自平衡的闭合马鞍形空间结构体系中的环桁架受到的巨大的扭矩、轴拉力、轴压力，降低了成本，加快施了工进度，取得了经济效益，又提高了结构的耐久性，让结构受力更加合理。

本发明涉及一种钢与混凝土组合空间三角环桁架结构，所述三角环桁架为马鞍形，桁架剖面为倒三角桁架，所述三角环桁架由上弦杆、下弦杆、腹杆构成，所述上弦杆、下弦杆、腹杆的截面均为圆钢管。所述上弦杆为一根连续变向马鞍形的环向杆，所述下弦杆为两根连续变向马鞍形的环向杆，由内下弦杆和外下弦杆组成，所述上弦杆与下弦杆通过直腹杆相连。所述上弦杆内填充高强细石混凝土。所述三角环桁架的上弦杆所承受的轴力为压力，下弦杆所承受的轴力以拉力为主或者既有拉力又有压力，轴力分布不均，同时三角环桁架承受较大的扭矩。所述三角环桁架上弦杆每隔几个节间用分隔板将上弦杆分成若干段，每段上弦杆长度在15米到20米之间，各段上弦杆独立作为一个混凝土浇注单元。所述混凝土浇注单元在其较高端的正上方预留一个直径不小于0.2米的混凝土浇注孔，同时从混凝土浇注单元的较低端到较高端每隔3米到5米，预留直径为0.03米的排气孔，所述0.03米的排气孔位置在上弦杆正上方。所述上弦杆采用高抛或者压力灌浆的方式浇注，所述每个混凝土浇注单元必须一次性浇注完毕，浇注时须不断监测每一个排气孔的情况，以防阻塞，待混凝土达到设计强度后，每个混凝土浇注单元须用超声波法对进行探伤，在局部不密实处应在钢管壁钻直径在0.05的小孔，并用灌浆料浇灌密实。

进一步的，所述上弦杆、下弦杆、腹杆均通过相贯焊接连接。

进一步的，配置所述上弦杆内填充高强细石混凝土采用的原材料应选用质量稳定的，强度等级不低于52.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，应掺用活性较好的矿物参合料，且宜复合使用矿物掺合料。

有益效果

（1）本发明提出的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构，把钢和混凝土巧妙的组合在一起，充分发挥钢材和混凝土材料各自的优势，用较小的钢材用量和混凝土用量来承担部分自平衡的闭合马鞍形空间结构体系中的环桁架受到的巨大的扭矩、轴拉力、轴压力，优化结构截面，大幅降低结构造价，实现了经济性和建筑美学的高度统一。

（2）提供标准构造形式，方便工程技术人员使用。

附图说明

图1为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构整体三维图；

图2为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构整体俯视图；

图3为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构剖面图；

图4 为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构局部单元三维轴侧图；

图5 为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构的上弦轴力图；

图6 为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构的内下弦轴力图；

图7为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构的外下弦轴力图；

图8 为单个浇筑单元排气孔和混凝土浇筑孔的布置图。

附图标记：1 上弦杆；2 内下弦杆；3 外下弦杆；4腹杆；5三角环桁架；6支座；7索膜结构；8撑杆；9排气孔；10混凝土浇筑孔；

具体实施方式

以某体育场为例，对本发明的一种钢与混凝土组合空间三角环桁架结构进行详细说明。

图1-4依次为本发明的钢与混凝土组合空间三角环桁架结构的整体三维、俯视图、剖面图及局部单元三维图。

①首先安装支座6，共40个，如图3所示。随后对三角环桁架进行地面拼装径向单元，现场共拼40 榀径向三角单元，每榀径向三角单元带有2.2m的未灌混凝土的上弦杆、内下弦杆和4.4m长的外下弦杆。本实例中三角环桁架为马鞍形空间三角环桁架，最大外径约为250米，内径约为230米。三角环桁架上弦杆的圆钢管外径为1.4m，壁厚为0.05米，内灌C80混凝土。外下弦杆和内弦杆的圆钢管外径为1.2米，壁厚为0.05米。其中上弦杆每隔几个节间用分隔板将上弦杆分成若干段，每段上弦杆长度在15米到20米之间，各段上弦杆独立作为一个混凝土浇注单元。

②安装第一榀径向三角单元和第一榀径向三角单元，随后安装下弦杆和底面腹杆。

③安装上弦杆，依次安装外侧腹杆和内侧腹杆。

④安装第三榀径向三角桁单元，依照②③安装中间杆件。

⑤将这个环桁架分为四部分，顺次安装剩余环桁架。

⑥将安装完的四部分环桁架合拢。

⑦对上弦杆进行分段灌注混凝土。上弦杆采用高抛或者压力灌浆的方式浇注，每个混凝土浇注单元必须一次性浇注完毕，浇注时须不断监测每一个排气孔9的情况，以防阻塞。其中混凝土浇注单元在其较高端的正上方预留一个直径不小于0.2米的混凝土浇注孔10，同时从混凝土浇注单元的较低端到较高端每隔3米到5米，预留直径为0.03米的排气孔，所述0.033米的排气孔位置在上弦杆正上方。

⑧待混凝土达到设计强度后，每个混凝土浇注单元须用超声波法对进行探伤，在局部不密实处应在钢管壁钻直径在0.05米的小孔，并用灌浆料浇灌密实。