專利名稱：具有下吊卦式預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的鋼管砼桁架式拱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑桁架式拱結(jié)構(gòu)的改進技術(shù)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的雙鉸拱，當(dāng)兩湍都是固定鉸支座，采用桁架式拱并應(yīng)用鋼管砼材料時，由于是軸向受壓，鋼管砼優(yōu)異的抗壓性能和造價低，取得良好的經(jīng)濟效益.但是當(dāng)一端為固定鉸支座，另一端為水平可動鉸支座并不設(shè)置水平拉桿(房屋建筑常是這樣)時，無法阻止其強大的水平推力而產(chǎn)生位移，難以實現(xiàn)兩湍都是固定鉸支座拱的軸向受壓的特點，從而無法發(fā)揮鋼管砼(抗壓好，抗垃差)的優(yōu)點 主要缺點是(一)受力欠佳；(二)用鋼量大，造價聞；(二)承載能力有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有下吊卦預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的桁架式拱，本發(fā)明解決了現(xiàn)有的某些建筑桁架式拱(可水平位移雙鉸拱)存在的受力欠佳，用鋼量大，造價高，承載能力有限的問題。為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案由鋼管砼桁架式拱1、下吊卦支撐2和預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3構(gòu)成；所述鋼管砼桁架式拱I呈二端低中間高弧形設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3呈二端低中間高折線型設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3設(shè)置于鋼管砼平面桁架I下方，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3兩端與鋼管砼平面桁架I兩端支座連接，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3的中段通過若干豎向設(shè)置的下吊卦支撐2與鋼管砼平面桁架I連接。采用分數(shù)批施加荷載，數(shù)次施加預(yù)應(yīng)力的多階段多次預(yù)應(yīng)力設(shè)計。

受力計算方式是對于短桿受拉桿件非預(yù)應(yīng)力受拉構(gòu)件在荷載作用下應(yīng)力達0 s時，其承載力已達到極限，事先使受拉構(gòu)件承受壓力，則在外荷作用下，要首先抵消預(yù)應(yīng)力后才開始受拉，這樣利用受拉構(gòu)件材料的承載能力，是從-O s到+ O s,從而使該受拉構(gòu)件的承載能力提高了一倍；使拉桿在一部分荷載作用下而受拉，應(yīng)力達(+ O s)，這時穿入高強度預(yù)應(yīng)力筋并施加預(yù)應(yīng)力，把拉桿中的拉應(yīng)力抵消，甚至使它受壓為(-0 s)，則拉桿又恢復(fù)了承受外荷的能力；在第二部分荷載作用下，又使它由壓應(yīng)力一 C s增加到拉應(yīng)力+ 0 s ;這樣，使該桿反復(fù)利用了承載力的三培(+ O s —一 O s — + O s);桁架式拱施加預(yù)應(yīng)力實際上是用高強度鋼絞線來把拉桿中已有的內(nèi)力接替過來。本發(fā)明目的及優(yōu)點(I)通過索的軸向拉伸耒抵抗外荷載作用，可以最充分地利用鋼材的強度。當(dāng)采用高強度材料時，效益就更佳。索布置成二端低中間高折線型，與上部桁架式拱結(jié)構(gòu)型狀相似，可以取得大空間，美觀，同時使桁架式拱受力均勻，合理，為節(jié)省鋼材創(chuàng)造條件。(2)鋼管砼具有良好的抗壓性能，節(jié)省鋼材，因此經(jīng)濟實用，但是它的抗拉性能差，存在局限性.本發(fā)明采用多階次預(yù)應(yīng)力方法，使桁架式拱的所有桿件均處於可控制狀態(tài)，使它們的壓力或拉力控制在合理的范圍，避免了鋼管砼受拉差的局限性。(3)桁架式拱既是承受荷載結(jié)構(gòu)，外圍護結(jié)構(gòu)(例如屋蓋，墻面)，又是預(yù)應(yīng)力鋼鉸線的支座。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖中符號說明鋼管砼平面桁架式拱1、下吊卦支撐2、預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3。圖2是受拉桿件承載力的對比計算圖；圖3是本發(fā)明施加荷載一預(yù)應(yīng)力一荷載三個階段的計算圖。
具體實施例方式如圖1所示，具有下吊卦式折線型預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的桁架式拱，由鋼管砼桁架式拱1、下吊卦支撐2和預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3構(gòu)成；所述鋼管砼桁架式拱I呈二端低中問高弧形設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3呈折線型設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3設(shè)置于鋼管砼桁架式拱I下方，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3為兩端低中間高折線形結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3兩端與鋼管砼桁架式拱I兩端支座連接，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線3的中段通過若干豎向設(shè)置的下吊卦支撐2與鋼管砼桁架式拱I連接。本發(fā)明多階次預(yù)應(yīng)力的基本原理對于短桿受拉桿件非預(yù)應(yīng)力受拉構(gòu)件在荷載作用下應(yīng)力達0 3時，其承載力已達到極限，事先使受拉構(gòu)件(短桿，不考慮失穩(wěn))承受壓力，則在外荷作用下，要首先抵消預(yù)應(yīng)力后才開始受拉，這樣利用受拉構(gòu)件材料的承載能力，是從-O s到+ O s，如圖2所示，從而使該受拉構(gòu)件的承載能力提高了一倍，這就是過去已建成的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的基本原理。從對拉桿施加預(yù)應(yīng)力的方法及它工作經(jīng)歷的階段來看，圖2經(jīng)歷施加預(yù)應(yīng)力和荷載作用兩個階段，我們稱它為二階段設(shè)計。圖中“ os”表示鋼材的屈服點，角標(biāo)“0”表示施加預(yù)應(yīng)力階段的應(yīng)力和應(yīng)變，“2”代表加預(yù)應(yīng)力后在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變.”K”代表高強度預(yù)應(yīng)力筋。如果一開始拉桿就在一部分荷載作用下而受拉，應(yīng)力達+ Os，這時穿入高強度預(yù)應(yīng)力筋并施加預(yù)應(yīng)力，把拉桿中的拉應(yīng)力抵消，甚至使它受壓為(_ O s)，則拉桿又恢復(fù)了承受外荷的能力；在第二部分荷載作用下，又使它由壓應(yīng)力一 Os增加到拉應(yīng)力+Os。這樣，使該桿反復(fù)利用了承載力的三培(+Os—— os —+os)，如圖3a所示。圖中角標(biāo)“I”表示加應(yīng)力前荷載作用下引起的應(yīng)力和應(yīng)變，從它工作經(jīng)歷的階段來看，圖3a經(jīng)歷施加荷載一預(yù)應(yīng)力一荷載三個階段，我們稱它為三階段設(shè)計。比較二、三階段設(shè)計，顯然后者承載力較如者大大提聞。以上所述均以短桿為例。其實工程上的拉桿一般都是長細桿件，對拉桿施加預(yù)應(yīng)力時桿件受壓，其承載能力將取決于壓桿的穩(wěn)定。本來是拉桿的構(gòu)件如要按壓桿設(shè)計，則只可能對其施加很小的壓力，顯然這在經(jīng)濟上不太合理。這樣二階段設(shè)計已不能滿足需要，有必要考慮預(yù)應(yīng)力多階段設(shè)計。施加預(yù)應(yīng)力實際上是用高強度鋼絞線來把拉桿中已有的內(nèi)力接替過來，由圖2b和圖3b可知，在多階段設(shè)計中預(yù)應(yīng)力鋼絞線內(nèi)的應(yīng)力是疊加的，即預(yù)應(yīng)力階段越多，需要預(yù)應(yīng)力鋼絞線本身的強度越高。
本發(fā)明預(yù)應(yīng)力多階段設(shè)計的可行性目前，預(yù)應(yīng)力多階段設(shè)計不僅在理論上可行.而且在材料及施工工藝方面也已具備了一定的條件。(I) 預(yù)應(yīng)力高強度鋼絞線目前已大量生產(chǎn)，強度為Q345鋼的1320/310 = 4.3倍，二者的價格比約為2倍，節(jié)省了鋼材.降低了造價。(2).鋼絞線配套錨具JMg — 4、5、6、7都已有定型設(shè)計和定點生產(chǎn)(1)，性能可靠。(3).無粘結(jié)束錨具的耐久性⑴，鋼絞線的錨具的抗疲勞性能、低溫性能良好⑵。但預(yù)應(yīng)力鋼絞線的抗銹蝕，尤其是在處于高應(yīng)力狀態(tài)時，對銹蝕特別敏感。對此本設(shè)計吸取了國內(nèi)、外的成功經(jīng)驗，在每根鋼絞線下料后，都須經(jīng)過除油去銹，并立即涂刷環(huán)氧浙青鉛粉底漆，再涂刷工業(yè)凡士林摻石墨。在五根鋼絞線合股，包裹前在束表面再涂二道工業(yè)凡土林摻石墨.盡量將鋼束表面低凹處填平。然后在外面纏包玻璃絲布五層，涂環(huán)氧樹脂膠六次。形成五布六膠的玻璃鋼套。從而，可以長期用于大跨度屋面等結(jié)構(gòu)。(5).預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉新型預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的液壓張拉施工技術(shù)并不復(fù)雜，所需設(shè)備也不多.一般配有四臺YC—60型千斤頂和一臺ZB4—500高壓 油泵就足夠了，而這些設(shè)備是后張預(yù)應(yīng)力砼施工中的一般常用設(shè)備。可以多次周轉(zhuǎn)使用。骨架架設(shè)完成(位于設(shè)計位置)，在錨具張拉端位置架設(shè)操作平臺，分數(shù)個階段進行安裝(安裝即為加荷)和張拉預(yù)應(yīng)力筋穿插進行。預(yù)應(yīng)力張拉值由高壓油泵壓力表根據(jù)設(shè)計需要讀數(shù)控制，再測出預(yù)應(yīng)力筋的伸長值進行核對。鋼管砼有良好的抗壓性能且經(jīng)濟，但受拉性能卻不足，本發(fā)明通過多階次預(yù)應(yīng)力方法進行優(yōu)化設(shè)計，可控制地卸載、轉(zhuǎn)移，使鋼管砼桿件始終處於大壓力，小拉力的受力狀態(tài)，充分發(fā)揮鋼管砼受壓的長處，避開了受拉的短處。本發(fā)明技術(shù)方案的特點(I)本結(jié)構(gòu)上部為鋼管砼桁架式拱，下部布置二端低中間高折線型的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線(詳見附圖1)，通過下吊卦支撐及二端支座與桁架連為一體，采用分數(shù)批施加荷載，數(shù)次施加預(yù)應(yīng)力的多階次預(yù)應(yīng)力設(shè)計。(2)將荷載分解為數(shù)批施加(以荷載的實際可分性為準(zhǔn)，如第一批荷載為桁架式拱骨架桿件自重，施加第一次預(yù)應(yīng)力，第二批荷載為安裝屋面，墻面，施加第二次預(yù)應(yīng)力，第三批荷載為安裝設(shè)備和活荷載，第三次預(yù)應(yīng)力為溫度差應(yīng)力，第四批荷載為地震作用)。(3)溫度應(yīng)力及溫度差根椐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017-2003)，第8.1. 5條規(guī)定露天結(jié)構(gòu)溫度區(qū)段可以長達120M，沒有強調(diào)要作溫度應(yīng)力計算，而且一端支座是水平向可滑動，溫度變化時(如冬季、夏季)，上部桁架與下部予應(yīng)力鋼鉸線同時伸長和縮短，內(nèi)力不受影響(摩阻力很小，因此不計)。但是，如果結(jié)構(gòu)有它特殊之處，上部桁架式拱和預(yù)應(yīng)力鋼鉸線產(chǎn)生溫度差(例如房屋建筑桁架式拱暴露在屋面以上，室內(nèi)、外有溫差)時，從而使二者溫度變形有差異，它對上部結(jié)構(gòu)的影響十分敏感。當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼鉸線溫度低於上部結(jié)構(gòu)時，因收縮大，相當(dāng)於預(yù)應(yīng)力鋼鉸線收縮而產(chǎn)生一拉力；預(yù)應(yīng)力鋼鉸線溫度高於上部結(jié)構(gòu)則預(yù)應(yīng)力鋼鉸線比上部結(jié)構(gòu)伸長大，相當(dāng)於預(yù)應(yīng)力鋼鉸線放松(減少預(yù)應(yīng)力)而對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響?？傊瑹o論處于哪種情況，都可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。因此，上述二種工況均需驗算。(4)地震作用本結(jié)構(gòu)屬於大跨度結(jié)構(gòu)，根椐建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2001 (2008年版)第5. 3. 3條。以8度地震為例，取該結(jié)構(gòu)、構(gòu)件重力荷載代表值的10%。即第一、二、三批荷載總值的1.1倍(豎向地震作用)，作用於最不利工況。(5)本方案以預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為依椐，預(yù)應(yīng)力損失等，請查看該規(guī)程。下吊卦折線形預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的布置(I) 二端低中問高折線形與桁架式拱形狀相近似，美觀、大空問。(2)預(yù)應(yīng)力索對桁架式拱的作用力均勻。從而能滿足建筑要求，并使結(jié)構(gòu)力學(xué)模型合理，為推廣應(yīng)用和節(jié)省村料創(chuàng)造條件。鋼管砼具有良好的抗壓性能，節(jié)省鋼材，因此經(jīng)濟實用.但是它的抗拉性能差，存在局限性。本發(fā)明應(yīng)用多階次預(yù)應(yīng)力方法，控制拱的受力狀態(tài)，使桁架式拱始終處于合理的受壓、受拉狀態(tài)，發(fā)揮了鋼管砼的優(yōu)點，克服了受垃差的缺點。應(yīng)用多階次預(yù)應(yīng)力方法，將拱結(jié)構(gòu)的外荷載作用，逐階次卸載，轉(zhuǎn)移到預(yù)應(yīng)力高強度鋼餃線索，充分地利用了高強度鋼材的強度，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)造條件。本發(fā)明將鋼管砼應(yīng)用於桁架式可動雙鉸拱結(jié)構(gòu)，解決了綱管砼的拉、壓異性而存在的局限性，推廣了雙鉸拱在房屋建筑等的應(yīng)用，提高了承載能力，獲得良好的經(jīng)濟效益。-通過例題(53M跨下吊卦的預(yù)應(yīng)力桁架式拱屋蓋)計算荷載由q = 3. 3KN/M 増加到 q = 24. 1KN/M 即增加 24. 1/3. 3 = 7. 3 倍拱撓度(即豎向位移)由37. 3mm增加到69. 9mm，撓度卻只增加69. 9/37. 3 =1. 9倍拱水平位移由17. 6mm增加到18. 3mm只增加[18. 3/17. 6 =1. 04倍構(gòu)件最大軸壓力由Nmax = -290. 34KN増加到Nmax = -1245KN構(gòu)件最大彎矩由Mmax = -32. 4KN-M 增加到 Mmax = 65. 3KN-M軸壓力增加1245/290 = 4. 3 倍，彎矩增加65. 3/32. 4 = 2 倍與荷載增加7. 3倍相比，效益明顯提高了，體現(xiàn)內(nèi)力卸載，、轉(zhuǎn)移的效果。本例題(53M跨)結(jié)構(gòu)每延米荷載24. 1KN/M時，每延米用鋼量83. 1KN/M最后應(yīng)說明的是顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.具有下吊卦式預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的桁架式拱，其特征在于，由鋼管砼桁架式拱(I)、下吊卦支撐(2)和預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)構(gòu)成；所述鋼管砼桁架式拱(I)，呈二端低中間高弧形設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)呈二端低中間高折線型設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)設(shè)置于鋼管砼桁架式拱(I)下方，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)兩端與鋼管砼桁架式拱(I)兩端支座連接，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)的中段通過若干豎向設(shè)置的下吊卦支撐(2)與鋼管砼桁架式拱(I)連接。
2.如權(quán)利要求1所述具有下吊卦式預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的鋼管砼桁架式拱，其特征在于，采用分數(shù)批施加荷載，數(shù)次施加預(yù)應(yīng)力的多階段多次預(yù)應(yīng)力設(shè)計。
3.如權(quán)利要求1所述具有下吊卦式預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的桁架式拱，其特征和受力計算方式是 對于短桿受拉桿件非預(yù)應(yīng)力受拉構(gòu)件在荷載作用下應(yīng)力達O 3時，其承載力已達到極限，事先使受拉構(gòu)件承受壓力，則在外荷作用下，要首先抵消預(yù)應(yīng)力后才開始受拉，這樣利用受拉構(gòu)件材料的承載能力，是從-0 s到+ 0 s，從而使該受拉構(gòu)件的承載能力提高了一倍； 使拉桿在一部分荷載作用下而受拉，應(yīng)力達(+ O s)，這時穿入高強度預(yù)應(yīng)力筋并施加預(yù)應(yīng)力，把拉桿中的拉應(yīng)力抵消，甚至使它受壓為(_ os)，則拉桿又恢復(fù)了承受外荷的能力；在第二部分荷載作用下，又使它由壓應(yīng)力一 C s增加到拉應(yīng)力+ 0 s ;這樣，使該桿反復(fù)利用了承載力的三培(+ 0 s —一 0 s — + 0 s); 桁架式拱施加預(yù)應(yīng)力實際上是用高強度鋼絞線來把拉桿中已有的內(nèi)力接替過來。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有下吊卦式預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線的鋼管砼桁架式拱，涉及建筑拱結(jié)構(gòu)的改進技術(shù)。由鋼管砼桁架式拱(1)、下吊卦支撐(2)和預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)構(gòu)成；所述鋼管砼桁架式拱(1)呈二端低中間高弧形設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)呈二端低中間高折線形設(shè)置，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)設(shè)置于鋼管砼桁架式拱(1)下方，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)為兩端低中間高結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)兩端與鋼管砼桁架式拱(1)兩端的支座連接，預(yù)應(yīng)力高強度鋼鉸線(3)的中段通過若干豎向設(shè)置的下吊卦支撐(2)與鋼管砼桁架式拱(1)連接。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的桁架式拱結(jié)構(gòu)建筑，當(dāng)一端為固定絞，另一端為可動鉸支座，無水平拉桿的雙絞拱存在的受力欠佳，用鋼量大，造價高，承載能力有限的問題。
文檔編號E04C3/44GK103061456SQ20111032475
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者張如成 申請人:張如成