專利名稱：一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋及制作方法，屬 于中部無柱并且覆蓋面積大于10800平方米而小于24750平方米的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展，大型公共建筑中的會展中心、大型萬人以上體育館等 建筑鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，其跨度要求越來越大，鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(網(wǎng)架與網(wǎng)殼)規(guī)程中跨度等于60米 時為大跨度，跨度超過此限值達到90米 150米的跨度時為超大跨度，對于跨度在60米左 右時的建筑，現(xiàn)有技術(shù)一般都采用梭形空間管桁架結(jié)構(gòu)，其技術(shù)經(jīng)濟指標較好；當跨度達到 90米 150米時，如果再采用梭形空間管桁架結(jié)構(gòu)，其技術(shù)經(jīng)濟指標將迅速下降。由于梭形 空間管桁架的上弦桿受壓，下弦桿受拉，則梭形空間管桁架的抗彎剛度(EsI)主要體現(xiàn)在其 折算慣性矩I = AAhV(A^A2)(式中h表示的是梭形空間管桁架中央結(jié)構(gòu)高度，A1, A2分別 表示梭形空間管桁架上、下弦的截面面積)，由表達式可知，梭形空間管桁架的抗彎剛度與 管桁架中部結(jié)構(gòu)高度平方成正比，按現(xiàn)有技術(shù)的工程標準規(guī)定，梭形空間管桁架中央結(jié)構(gòu) 高度h的數(shù)值應(yīng)按h彡L2/12確定(公式中L2為跨度)，按此要求，當L2 = 90米時，h = 7. 5米，而組成梭形空間管桁架的斜腹桿(一般情況下其與水平線的夾角約等于60度)的 長度為8. 66米左右，當L2 = 150米時，h = 12. 5米，其斜腹桿的長度為14. 4米左右，而 梭形空間管桁架的上、下弦桿的鋼管截面由結(jié)構(gòu)彎曲變形產(chǎn)生很大的壓力和拉力控制，而 斜腹桿鋼管截面由結(jié)構(gòu)剪切變形產(chǎn)生的拉、壓力控制，結(jié)構(gòu)中部斜腹桿拉、壓力很小。如果 當跨度為90米時，梭形空間管桁架中的斜腹桿(壓桿)按其所需強度計算，其斜腹桿的配 桿僅為Φ114Χ4&= 10.85kg/m，這里g表示每米鋼管重量)，但按壓桿長細比λ彡180 的規(guī)定控制，應(yīng)采用Φ 152 X 5 (g = 23kg/m)，兩者相差12. 15kg/m。當跨度為150米時，斜 腹桿強度控制值需0127X4.5(g= 17. 32kg/m)，而按長細比的規(guī)定控制，則斜腹桿需配制 Φ245Χ6. 5(g = 38. 23kg/m)，兩者相差21kg/m。一般梭形空間管桁架要確保滿足變形要 求，其結(jié)構(gòu)高度根據(jù)工程規(guī)范變形規(guī)定需在h ^ L2/12的范圍，當跨度達90m 150m時，為 確保結(jié)構(gòu)剛度要求，其結(jié)構(gòu)高度將猛增(h = 7. 5米 15. 5米)，從而導致梭形空間管桁架 的中間斜腹桿長度更長(一般為8. 66米 14. 4米)，而此處內(nèi)力很小，按長細比構(gòu)造要求 也將使斜腹桿用鋼量猛增。另外，由于梭形空間管桁架的結(jié)構(gòu)高度過大，導致室內(nèi)空間高度 更大，對建筑節(jié)能極為不利。因此，現(xiàn)有的梭形空間管桁架結(jié)構(gòu)在用于超大跨度的建筑時還 是不夠理想。在確保結(jié)構(gòu)剛度和強度的條件下，降低結(jié)構(gòu)高度，減少用鋼量，是結(jié)構(gòu)工程師 開拓新型結(jié)構(gòu)體系的主要思路。在本世紀初、上世紀末出現(xiàn)的國外引進技術(shù)，即張弦梁(B. S. S)及張弦桁架 (T. S. S)在國內(nèi)多個大型公共建筑屋蓋中出現(xiàn)，如上海浦東國際機場航站樓(跨度為82.6
4米)采用張弦梁；廣州國際會展中心(跨度為126.5米)采用張弦桁架。實踐證明此類自 平衡結(jié)構(gòu)體系不僅結(jié)構(gòu)高度達到其跨度長度L2的(1/10 1/8) L2，而且施工成型難度大， 用鋼量大，在沿海地區(qū)，屋面風吸力克服結(jié)構(gòu)自重后，鋼索松弛造成結(jié)構(gòu)體系改變(梁式改 變?yōu)楣笆?，為此還需配重來確保結(jié)構(gòu)安全，進一步增大用鋼量。在中國專利文獻上曾公開了發(fā)明名稱和申請?zhí)柗謩e為“一種短撐桿式張弦桁架及 其制作方法”、200410155399. 7和“大跨度張弦桁架及其制作方法”、200410022224. 9的兩個 技術(shù)方案，這兩個技術(shù)方案都是預(yù)應(yīng)力空間管桁架，前者是在空間管桁架弧形下弦桿節(jié)點 下布置若干個短撐桿，后者是在弧形下弦桿節(jié)點上部設(shè)短拉桿或?qū)撍髦苯哟┤胂孪忆摴?中心建立預(yù)應(yīng)力，鋼索與管桁架形成自平衡體系，由于鋼索與水平線形成的夾角α極小， 撐桿或拉桿對管桁架向上作用的彈性反力很小，如設(shè)鋼索預(yù)應(yīng)力為P，則鋼索向上作用節(jié)點 力Pz = Psina，夾角α越小，Pz亦小?？考哟箐撍鹘孛嫣岣哳A(yù)應(yīng)力P值來提高Pz值，其經(jīng) 濟性不好，且對結(jié)構(gòu)剛度貢獻小。因此，此兩類預(yù)應(yīng)力空間管桁架結(jié)構(gòu)高度仍需按一般梭 形空間管桁架的結(jié)構(gòu)高度h ^ L2/12來進行取值(公式中h為中央結(jié)構(gòu)高度、L2為跨度長 度)，如果低于該值，則結(jié)構(gòu)的剛度和強度將達不到使用的要求。因此當用于超大跨度的建 筑結(jié)構(gòu)時，該兩項技術(shù)方案仍然存在著類似于一般空間管桁架結(jié)構(gòu)的缺點。特別是當需要 制作屋蓋平面的長邊Ll與短邊L2之比為1 ( L1/L2 < 1. 5，并且120米< Ll ( 165米、90 米< L2 ^ 150米的這種近似正方形平面的、中部無柱的屋蓋時，由于現(xiàn)有技術(shù)存在上述缺 點，因此現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)不能滿足使用的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種占據(jù)的空間高度較低、用鋼量較少、并且結(jié)構(gòu)性能可 靠、制作容易、成本低的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋及制作方法，以克 服現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu) 屋蓋的制作方法為，在制作屋蓋平面的長邊Ll與短邊L2之比為1 ( L1/L2 < 1. 5且120 米< Ll ^ 165米、90米< L2 ^ 150米的近似正方形平面的屋蓋時，將由上弦桿、下弦桿和 斜腹桿組成的梭形空間管桁架在同一空間高度位置上正交連接，使形成由梭形空間管桁架 組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并將組成該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的其中四榀梭形空間管桁架制作成支坐撐桿式斜拉 自平衡正交空間管桁架，同時使該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在同一空間 高度位置上相互正交連接，將所有的梭形空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度和四榀支坐撐桿式斜 拉自平衡正交空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度都控制在L2/18 L2/16的范圍，這樣即制得近 似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。上述四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架是以常規(guī)梭形空間管桁架的結(jié) 構(gòu)為基本架體，并在該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的每榀梭形空間管桁架 的兩端分別固定有用于支撐鋼索的上支撐桿，在該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管 桁架相互正交連接處的中心位置靠近其下弦桿處分別固定一個鋼索轉(zhuǎn)向支座，共4個鋼索 轉(zhuǎn)向支座，將該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架上的鋼索分別通過鋼索支座后 支撐在上支撐桿上，形成從上支撐桿到鋼索轉(zhuǎn)向支座之間的這段鋼索為斜拉式的鋼索，然 后對鋼索收緊使其成為具有張力的預(yù)應(yīng)力鋼索，同時使四個鋼索轉(zhuǎn)向支座點在鋼索的張力作用下產(chǎn)生由下向上作用的四個與荷載作用方向相反的彈性反作用力，這樣即可補償因中 央結(jié)構(gòu)高度降低所造成的剛度不足。采用本發(fā)明的方法制作的一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋 為，包括由上弦桿、下弦桿和斜腹桿連接組成的一般梭形空間管桁架，該屋蓋由梭形空間管 桁架和四榀支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在同一空間高度位置上相互正交連接 組成鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的、并且屋蓋平面的長邊Ll與短邊L2之比為1 ( L1/L2 < 1. 5、各邊長度 分別為120米^ 165米、90米150米的近似正方形平面的屋蓋，各梭形空間管 桁架的中央結(jié)構(gòu)高度及各支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度h都相 同，且其中央結(jié)構(gòu)高度h在L2/18 L2/16的范圍；每榀支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管 桁架都是以由上弦桿、下弦桿和斜腹桿連接組成的梭形空間管桁架為基本架體，并且作為 基本架體的梭形空間管桁架兩端的上弦桿和下弦桿的端部都分別固定在一個鑄鋼節(jié)點上， 在每個鑄鋼節(jié)點上還連接有上支撐桿、外側(cè)撐桿和與支座連接的下支撐桿，在支座撐桿式 斜拉自平衡正交空間管桁架兩兩相互正交連接處靠近下弦桿的位置上都設(shè)有一個用于支 撐鋼索的鋼索轉(zhuǎn)向支座，每榀支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的鋼索通過鋼索轉(zhuǎn)向 支座后分別支撐在兩端的上支撐桿和外側(cè)撐桿上，并且每根鋼索的兩端都分別固定在其支 座撐桿式斜拉自平衡空間管桁架兩端的支座上，在鋼索上設(shè)有鋼索收緊裝置。在上述鋼索轉(zhuǎn)向支座上設(shè)有兩個不同高度的并能使被支撐的兩根鋼索相互在空 間正交通過的定向滑輪支點。在上述支撐鋼索的鋼索轉(zhuǎn)向支座、上支撐桿和外側(cè)撐桿的支點處都設(shè)有定向滑 輪。在上支撐桿的上端與梭形空間管桁架之間連接有上加強支桿，在支座與梭形空間 管桁架之間還連接有下加強支撐桿。前述的鑄鋼節(jié)點由兩根上弦連接桿、一根下弦連接桿、一根上支撐連接桿、一根下 支撐連接桿、一根外側(cè)連接桿和兩根系桿連接桿澆鑄連接在同一節(jié)點為一整體結(jié)構(gòu)；上支 撐連接桿與下支撐連接桿設(shè)在節(jié)點豎立垂直方向并在同一軸心線上分別與上支撐桿和下 支撐桿連接，上弦連接桿和下弦連接桿設(shè)在節(jié)點的一側(cè)并分別與上弦桿和下弦桿連接，外 側(cè)連接桿設(shè)在與下弦連接桿相反的一側(cè)并與下弦連接桿在同一軸心線上及與外側(cè)撐桿連 接，系桿連接桿分別設(shè)在與外側(cè)連接桿垂直的節(jié)點兩側(cè)并在同一軸心線上，且在系桿連接 桿上連接有與相鄰的梭形空間管桁架相連接的連系桿。由梭形空間管桁架和四榀支座撐桿式斜拉自平衡空間管桁架在同一空間高度位 置上相互正交連接形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成的網(wǎng)格為正方形網(wǎng)格，并且每個網(wǎng)格內(nèi)框的邊長 彡10米。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明將超大跨度的梭形空間管桁架的中部結(jié)構(gòu)高度 由原來的h= (1/12 1/10) L2變小為h = (1/18 1/16) L2，如當L2 = 90米時，其中部 的斜腹桿長由原來的8. 66米變成了 5. 77米，減少2. 89米的長度，若原來的結(jié)構(gòu)高度h = 7. 5米(這里取h = L2/12)則降低為h = 5米(這里取h = L2/18)，因此本發(fā)明的中央結(jié) 構(gòu)高度比現(xiàn)有技術(shù)要降低25% 30% ；當本發(fā)明的中央結(jié)構(gòu)高度下降后造成梭形空間管 桁架的抗彎剛度下降時，本發(fā)明所采用的補償辦法是通過四榀支座撐桿式斜拉自平衡正 交空間管桁架的斜拉鋼索與水平線夾角α的加大，使在支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架兩兩相互正交連接處的下弦桿節(jié)點處產(chǎn)生與荷載作用反向的節(jié)點力，從而使整個桁 架產(chǎn)生反變形，并使整個桁架各桿產(chǎn)生與荷載作用相反的內(nèi)力，從而在結(jié)構(gòu)“使用狀態(tài)”時 結(jié)構(gòu)變形減小的同時內(nèi)力相應(yīng)減小。因而本發(fā)明在達到超大跨度條件下，并在降低結(jié)構(gòu)高 度的同時能確保結(jié)構(gòu)豎向撓度不超過國家規(guī)程的限制值F/L2 ^ 1/300的要求(這里F、表 示結(jié)構(gòu)擾度，L2表示跨度長度)，并且由于本發(fā)明的桁架內(nèi)力減小，結(jié)構(gòu)高度降低，斜腹桿 的長度減少，從而大大的降低了用鋼量。本發(fā)明的整個梭形空間管桁架正交組成大網(wǎng)格結(jié) 構(gòu)，再通過四榀正交的撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架上的鋼索，在建立預(yù)應(yīng)力后，形成 近似正方形平面超大空間屋蓋。本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)是有別于傳統(tǒng)的超大空間張拉整體結(jié) 構(gòu)及傳統(tǒng)的索膜結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的由空間管桁架形成正交大網(wǎng)格，并通過部分斜拉鋼索組成空 間“索”與“架”自平衡結(jié)構(gòu)體系，即超大空間部分預(yù)應(yīng)力正交空間管桁架新型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體 系。所以，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅具有占據(jù)的空間高度低、用鋼量少的優(yōu)點，而 且還具有結(jié)構(gòu)性能可靠、制作施工容易、成本低等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為附圖1的A-A剖示結(jié)構(gòu)示意圖、即本發(fā)明的屋蓋所采用的支座撐桿式斜拉 自平衡正交空間管桁架結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的鑄鋼節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的上支撐桿安裝定向滑輪支撐鋼索時的示意圖；圖7為本發(fā)明的外側(cè)撐桿支撐鋼索時的示意圖；圖8為本發(fā)明的鋼索轉(zhuǎn)向支座安裝在支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架兩 兩相互正交連接處并且兩根鋼索正交通過鋼索轉(zhuǎn)向支座時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為附圖8的C-C剖示結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明的鋼索與支座節(jié)點鋼板連接時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明的支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在成型態(tài)時的桿件拉、 壓力分布圖；圖12為本發(fā)明的支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在荷載態(tài)時的桿件拉、 壓力分布圖；圖13為本發(fā)明的支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在使用態(tài)時的桿件拉、 壓力分布圖。
具體實施例方式
具體實施例方式在制作屋蓋平面的長邊Ll與短邊L2之比為1 < L1/L2 < 1. 5 且120米< Ll ^ 165米、90米< L2 ^ 150米的近似正方形平面的屋蓋時，采用本發(fā)明的一 種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的制作方法進行制作，即將由上弦桿、下弦 桿和斜腹桿組成的傳統(tǒng)形狀的梭形空間管桁架在同一空間高度位置上相互正交連接，使形 成由梭形空間管桁架組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并將0. 31^和0. 3L2位置處的其中四榀梭形空間管桁架制作成支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架，同時使該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡空 間管桁架相互正交連接；將所有的梭形空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度和四榀支坐撐桿式斜拉 自平衡正交空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度都控制在L2/18 L2/16的范圍，這樣即可制得中 部無柱的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋；其中支坐撐桿式斜拉自平衡正 交空間管桁架是以常規(guī)梭形空間管桁架的結(jié)構(gòu)為基本架體，并在該四榀支坐撐桿式斜拉自 平衡正交空間管桁架的每榀梭形空間管桁架的兩端分別固定有用于支撐鋼索的上支撐桿， 在該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架相互正交連接處的中心位置靠近其下弦 桿處分別固定一個鋼索轉(zhuǎn)向支座(共4個鋼索轉(zhuǎn)向支座，在每個鋼索轉(zhuǎn)向支座上設(shè)有兩個 分別支撐鋼索的支點)，將該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架上的鋼索分別通 過鋼索轉(zhuǎn)向支座后支撐在上支撐桿上，形成從支撐桿到鋼索支座之間的這段鋼索為斜拉式 的鋼索，然后對鋼索收緊使其成為具有張力的預(yù)應(yīng)力鋼索，四個鋼索轉(zhuǎn)向支座點在鋼索的 張力作用下產(chǎn)生由下向上作用的四個與荷載作用方向相反的彈性反作用力，這樣即可補償 因中央結(jié)構(gòu)高度降低所造成的剛度不足，以及也可調(diào)整內(nèi)力分布。 按照本發(fā)明的方法制作的一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋為，它 包括采用由上弦桿1、下弦桿2和斜腹桿3連接組成傳統(tǒng)形狀的梭形空間管桁架，本發(fā)明的 近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋是由梭形空間管桁架和四榀支座撐桿式 斜拉自平衡正交空間管桁架在同一空間高度位置上相互正交連接成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的、并且屋蓋 平面的長邊Ll與短邊L2之比為1 ( L1/L2 < 1. 5、各邊長度分別為120米< Ll ( 165米、 90米< L2 ( 150米的近似正方形平面的屋蓋(如圖1所示)，各梭形空間管桁架的中央結(jié) 構(gòu)高度及各支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度h都相同，且其中央結(jié) 構(gòu)高度h都在L2/18 L2/16的范圍；由梭形空間管桁架和四榀支座撐桿式斜拉自平衡正 交空間管桁架在同一空間高度位置上相互正交連接成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格為正方形網(wǎng)格，并且 每個網(wǎng)格內(nèi)框的邊長B為10米 20米；每榀支座撐桿式斜拉自平衡空間管桁架都是以由 上弦桿1、下弦桿2和斜腹桿3連接組成的梭形空間管桁架為基本架體，并且作為基本架體 的梭形空間管桁架兩端的上弦桿1和下弦桿2的端部都分別固定在一個鑄鋼節(jié)點上，每個 鑄鋼節(jié)點都由兩根上弦連接桿a、一根下弦連接桿b、一根上支撐連接桿C、一根下支撐連接 桿d、一根外側(cè)連接桿e和兩根系桿連接桿f澆鑄連接在同一節(jié)點為一整體結(jié)構(gòu)；上支撐連 接桿c與下支撐連接桿d設(shè)在節(jié)點豎立垂直方向并在同一軸心線上分別與上支撐桿4和與 支座5連接的下支撐桿13連接，支座5可采用傳統(tǒng)的鉸接式支座結(jié)構(gòu)，將上弦連接桿a和 下弦連接桿b設(shè)在節(jié)點的一側(cè)并分別與上弦桿1和下弦桿2連接，將外側(cè)連接桿e設(shè)在與 下弦連接桿b相反的一側(cè)并與下弦連接桿b在同一軸心線上及與外側(cè)撐桿6連接，將系桿 連接桿f分別設(shè)在與外側(cè)連接桿e垂直的節(jié)點兩側(cè)并在同一軸心線上，為了增強上支撐桿4 和下支撐桿13的強度，在上支撐桿4的上端與梭形空間管桁架之間連接有上加強支桿11， 在支座5與梭形空間管桁架之間還連接有下加強支桿12 (如圖2、圖3、圖4、圖5所示)；在 支座撐桿式斜拉自平衡空間管桁架兩兩相互正交連接處靠近下弦桿2的位置上都固定有 一個用于支撐鋼索8的鋼索轉(zhuǎn)向支座7，共有4個鋼索轉(zhuǎn)向支座7，在每個鋼索轉(zhuǎn)向支座7 上都制作有兩個不同高度的并能使被支撐的兩根鋼索8相互在空間正交通過的支點(如圖 8所示)，將每榀支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的鋼索8通過鋼索轉(zhuǎn)向支座7后分 別支撐在兩端的上支撐桿4和外側(cè)撐桿6上，為了調(diào)節(jié)和張拉鋼索8方便，在支撐鋼索8的鋼索轉(zhuǎn)向支座7、上支撐桿4和外側(cè)撐桿6的支點處都安裝上定向滑輪10，將鋼索8通過鋼 索轉(zhuǎn)向支座7后分別支撐在上支撐桿4和外側(cè)撐桿6上(如圖6、圖7所示)，并將每根鋼 索8的兩端都分別固定在其支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架兩端的鉸接式的支座5 上的節(jié)點鋼板上(如圖10所示)，使從上支撐桿4到鋼索轉(zhuǎn)向支座7之間的這段鋼索8為 斜拉式的鋼索，并使這段斜拉式的鋼索8與水平線的夾角α達到需要的角度(夾角α的 大小可根據(jù)實際使用需要進行調(diào)節(jié))，在鋼索8上安裝上鋼索收緊裝置9 (鋼索收緊裝置9 可采用傳統(tǒng)的正反螺紋式鋼索收緊裝置)，然后通過鋼索收緊裝置9對鋼索8進行收緊，使 其成為具有張力的預(yù)應(yīng)力鋼索(在進行鋼索收緊時，對鋼索的預(yù)拉力P的大小可按中國工 程建設(shè)標準化協(xié)會制定的《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求進行施工)，為了整體結(jié)構(gòu)性能 更好，可在每榀支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架兩端的鑄鋼節(jié)點的系桿連接桿f上 與相鄰的梭形空間管桁架之間以及梭形空間管桁架與梭形空間管桁架之間都焊接一根連 系桿14，這樣即制作得到本發(fā)明的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。在實施本發(fā)明的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋時，該屋蓋結(jié)構(gòu) 桁架的工作狀態(tài)必然出現(xiàn)兩個最基本狀態(tài)，即建立預(yù)應(yīng)力的工作狀態(tài)(結(jié)構(gòu)成型態(tài))和成 為屋面后，承受結(jié)構(gòu)自重和屋面各種設(shè)計的節(jié)點荷載的桁架工作狀態(tài)(結(jié)構(gòu)荷載態(tài))，這兩 種工作狀態(tài)的變形與內(nèi)力疊加即形成屋蓋結(jié)構(gòu)桁架在使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)使用工作狀 態(tài)(結(jié)構(gòu)使用態(tài))，屋蓋結(jié)構(gòu)的正常使用時屋蓋結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力是結(jié)構(gòu)設(shè)計時對結(jié)構(gòu)構(gòu) 造和配桿的設(shè)計依據(jù)。如圖1、圖2進行結(jié)構(gòu)布置，每邊兩榀“支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架”正 交是本發(fā)明的核心技術(shù)，它的支座構(gòu)造與常規(guī)空間管桁架支座節(jié)點不同，它為鑄鋼澆制的 鑄鋼節(jié)點，鋼索通過鋼索轉(zhuǎn)向支座后分別繞上支撐桿和外側(cè)撐桿向內(nèi)外兩端向下拐折，對 撐桿產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力合力，它通過下?lián)螚U和外側(cè)撐桿向上拐折的鋼索形成自平衡，由鋼索預(yù)拉 力所產(chǎn)生的合力直接傳遞到與其有相同軸線的桁架的下弦桿使之產(chǎn)生預(yù)壓力形成自平衡 體系。每邊兩根鋼索向內(nèi)朝下拐折，在正交叉點處與水平線形成夾角α，當鋼索建立預(yù)拉力 后，在安裝鋼索轉(zhuǎn)向支座的4個正交點處分別產(chǎn)生向上作用在空間管桁架的架體上的作用 力Pi (P1 = Psin α )，此作用力由整個屋蓋結(jié)構(gòu)進行自平衡，從而使整個屋蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與荷 載(結(jié)構(gòu)荷載態(tài))作用相反的變形和內(nèi)力(結(jié)構(gòu)成型態(tài))，當本發(fā)明的屋蓋結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài) 時(即結(jié)構(gòu)使用態(tài))，其結(jié)構(gòu)使用態(tài)的變形和內(nèi)力等于結(jié)構(gòu)成型態(tài)+結(jié)構(gòu)荷載態(tài)的變形和內(nèi) 力，由于結(jié)構(gòu)成型態(tài)和結(jié)構(gòu)荷載態(tài)的變形和內(nèi)力是相反的，因此本發(fā)明的屋蓋結(jié)構(gòu)在使用 狀態(tài)時其撓度將減小而桿件內(nèi)力也相應(yīng)減小，這樣即可達到用鋼量降低、造價減少的經(jīng)濟 效果。圖11為本發(fā)明的支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在單純的成型態(tài)(即結(jié) 構(gòu)成型態(tài))時的內(nèi)力分析圖；圖12為本發(fā)明的支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在單 純的屋面荷載作用狀態(tài)(即結(jié)構(gòu)荷載態(tài))時的內(nèi)力分析圖；圖13為本發(fā)明的支座撐桿式斜 拉自平衡正交空間管桁架在使用態(tài)(即結(jié)構(gòu)使用態(tài)=結(jié)構(gòu)成型態(tài)+結(jié)構(gòu)荷載態(tài))時的內(nèi)力 分析圖，圖中Θ.表示受壓力，Θ表示受拉力，在超大空間90m X 120m彡L1X L2彡150m X 165m， 即屋蓋面積達10800m2 24750m2條件下，本發(fā)明能使結(jié)構(gòu)高度減小，降低建筑高度，導致空 間體積減少。因而，采用本發(fā)明的新型結(jié)構(gòu)形式不僅可降低結(jié)構(gòu)用鋼量和降低工程造價，而 且還可達到建筑節(jié)能的功效。
權(quán)利要求
一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋的制作方法，其特征在于在制作屋蓋平面的長邊L1與短邊L2之比為1≤L1/L2＜1.5且120米≤L1≤165米、90米≤L2≤150米的近似正方形平面的屋蓋時，將由上弦桿、下弦桿和斜腹桿組成的梭形空間管桁架在同一空間高度位置上正交連接，使形成由梭形空間管桁架組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并將組成該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的其中四榀梭形空間管桁架制作成支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架，同時使該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在同一空間高度位置上相互正交連接，將所有的梭形空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度和四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度都控制在L2/18～L2/16的范圍，這樣即制得近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的制作方法，其 特征在于四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架是以常規(guī)梭形空間管桁架的結(jié)構(gòu)為 基本架體，并在該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的每榀梭形空間管桁架的兩 端分別固定有用于支撐鋼索的上支撐桿，在該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架 相互正交連接處的中心位置靠近其下弦桿處分別固定一個鋼索轉(zhuǎn)向支座，共4個鋼索轉(zhuǎn)向 支座，將該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架上的鋼索分別通過鋼索支座后支撐 在上支撐桿上，形成從上支撐桿到鋼索轉(zhuǎn)向支座之間的這段鋼索為斜拉式的鋼索，然后對 鋼索收緊使其成為具有張力的預(yù)應(yīng)力鋼索，同時使四個鋼索轉(zhuǎn)向支座點在鋼索的張力作用 下產(chǎn)生由下向上作用的四個與荷載作用方向相反的彈性反作用力，這樣即可補償因中央結(jié) 構(gòu)高度降低所造成的剛度不足。
3.一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋，包括由上弦桿(1)、下弦桿 (2)和斜腹桿(3)連接組成的梭形空間管桁架，其特征在于該屋蓋由梭形空間管桁架和四 榀支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架在同一空間高度位置上相互正交連接組成鋼網(wǎng) 格結(jié)構(gòu)的、并且屋蓋平面的長邊Ll與短邊L2之比為1 ( L1/L2 < 1. 5、各邊長度分別為120 米< Ll ^ 165米、90米< L2 ^ 150米的近似正方形平面的屋蓋，各梭形空間管桁架的中央 結(jié)構(gòu)高度及各支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度(h)都相同且其中 央結(jié)構(gòu)高度(h)在L2/18 L2/16的范圍；每榀支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架都 是以由上弦桿(1)、下弦桿(2)和斜腹桿(3)連接組成的梭形空間管桁架為基本架體，并且 作為基本架體的梭形空間管桁架兩端的上弦桿(1)和下弦桿(2)的端部都分別固定在一個 鑄鋼節(jié)點上，在每個鑄鋼節(jié)點上還連接有上支撐桿(4)、外側(cè)撐桿(6)和與支座(5)連接的 下支撐桿(13)，在支座撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架兩兩相互正交連接處靠近下弦桿 (2)的位置上都設(shè)有一個用于支撐鋼索(8)的鋼索轉(zhuǎn)向支座(7)，每榀支座撐桿式斜拉自平 衡正交空間管桁架的鋼索(8)通過鋼索轉(zhuǎn)向支座(7)后分別支撐在兩端的上支撐桿(4)和 外側(cè)撐桿(6)上，并且每根鋼索(8)的兩端都分別固定在其支座撐桿式斜拉自平衡空間管 桁架兩端的支座(5)上，在鋼索(8)上設(shè)有鋼索收緊裝置(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋，其特征在 于在鋼索轉(zhuǎn)向支座(7)上設(shè)有兩個不同高度的并能使被支撐的兩根鋼索(8)相互在空間 正交通過的定向滑輪支點。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋，其特征在 于在支撐鋼索⑶的鋼索轉(zhuǎn)向支座(7)、上支撐桿(4)和外側(cè)撐桿(6)的支點處都設(shè)有定向滑輪(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋，其特征在 于在上支撐桿(4)的上端與梭形空間管桁架之間連接有上加強支桿(11)，在支座(5)與 梭形空間管桁架之間還連接有下加強支撐桿(12)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋，其特征在 于鑄鋼節(jié)點由兩根上弦連接桿(a)、一根下弦連接桿(b)、一根上支撐連接桿(C)、一根下 支撐連接桿(d)、一根外側(cè)連接桿(e)和兩根系桿連接桿(f)澆鑄連接在同一節(jié)點為一整體 結(jié)構(gòu)；上支撐連接桿(c)與下支撐連接桿(d)設(shè)在節(jié)點豎立垂直方向并在同一軸心線上分 別與上支撐桿⑷和下支撐桿(13)連接，上弦連接桿(a)和下弦連接桿(b)設(shè)在節(jié)點的一 側(cè)并分別與上弦桿(1)和下弦桿(2)連接，外側(cè)連接桿(e)設(shè)在與下弦連接桿(b)相反的 一側(cè)并與下弦連接桿(b)在同一軸心線上及與外側(cè)撐桿(6)連接，系桿連接桿(f)分別設(shè) 在與外側(cè)連接桿(e)垂直的節(jié)點兩側(cè)并在同一軸心線上，且在系桿連接桿(f)上連接有與 相鄰的梭形空間管桁架相連接的連系桿(14)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋，其特征在 于由梭形空間管桁架和四榀支座撐桿式斜拉自平衡空間管桁架在同一空間高度位置上相 互正交連接形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，形成的網(wǎng)格為正方形網(wǎng)格，并且每個網(wǎng)格內(nèi)框的邊長彡10米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近似正方形平面超大空間預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)屋蓋及制作方法，在制作屋蓋平面的長邊L1與短邊L2之比為1≤L1/L2＜1.5且120米≤L1≤165米、90米≤L2≤150米的近似正方形平面的屋蓋時，將由上弦桿、下弦桿和斜腹桿組成的梭形空間管桁架在同一空間高度位置上正交連接，使形成由梭形空間管桁架組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并將組成該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的其中四榀梭形空間管桁架制作成支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架，同時使該四榀支坐撐桿式斜拉自平衡空間管桁架相互正交連接，將所有的梭形空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度和四榀支坐撐桿式斜拉自平衡正交空間管桁架的中央結(jié)構(gòu)高度都控制在L2/18～L2/16的范圍。本發(fā)明不僅具有占據(jù)的空間高度低、用鋼量少的優(yōu)點，而且還具有結(jié)構(gòu)性能可靠、制作施工容易、成本低等優(yōu)點。
文檔編號E04B1/36GK101942884SQ20091030415
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月9日
發(fā)明者何挺, 劉飛, 盧亞琴, 周觀根, 張華剛, 李莉, 洪芳, 田子東, 肖建春, 馬克儉 申請人:貴州大學;浙江東南網(wǎng)架股份有限公司