专利名称：超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种屋盖结构，特别是一种超大跨度(120m ^ L ^ 180m)变截面 双层与三层预应力肋梁式网架，属于建筑钢结构的技术领域。
背景技术：
平板型钢网架结构国内外常用的形式有12种之多，正放四角锥钢网架结构由于 结构刚度好，应用面最为广泛，但应用跨度一般在18m 60m之间，当跨度大于60m以后，为 了减小斜腹杆的计算长度，采用三层平板网架，但跨度L=120m 180m等超大跨度，三层平 板网架并不经济，也非最佳结构形式。目前已建成或还在兴建的超大跨度钢网格结构，如首 都“鸟巢”体育场，京沪高速铁路站房，如“天津西站”及于家堡站房，均为跨度L彡IOOm的 钢网格结构屋盖，这些屋盖结构用钢量w彡250kg/m2,即每四平方米建筑，需耗钢一吨，工 程造价昂贵，达不到“安全，合理，先进，经济”的设计要求。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种超大跨度变截面双层与三层预应 力肋梁式网架。该网架结构适用于跨度在120m 180m的超大跨度平板型钢网格结构，满 足“安全，合理，先进，经济”的设计要求，且施工简单、可操作性强，能大幅度降低用钢量，减 少工程造价。为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案超大跨度变截面双层与三层预应 力肋梁式网架。包括网架，所述的网架由双层正放四角锥桁架构成，在网架的每边约1/3 处沿χ方向和y方向为三层正放四角锥桁架；在三层正放四角锥桁架上设置有预应力钢索。上述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的双层正放四角锥 桁架是由上弦、下弦和斜腹杆组成，上弦通过斜腹杆与下弦连接。前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的双层正放四角锥 桁架沿X方向为变截面，截面高度中间大，两端小；沿y方向每榀双层正放四角锥桁架的上 弦、下弦相互平行。前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述三层正放四角锥桁 架的上弦为双层正放四角锥桁架的下弦，并通过下层斜腹杆与其下弦杆连接。前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，在所述三层正放四角锥 桁架的下弦杆上设置有钢索转向支撑架；预应力钢索的一端锚固在三层正放四角锥桁架的 上承式支座上，另一端从上承式支座向下倾斜，穿过钢索转向支撑架后转折呈水平线。前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的预应力钢索张拉 并锚固在三层正放四角锥桁架的上承式支座上。前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，所述的钢索转向支撑架 位于X方向和y方向三层正放四角锥桁架的正交叉点处。前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，χ方向与y方向的预应力钢索在钢索转向支撑架处正交叉后转折，χ方向与y方向的预应力钢索在交叉点处不相碰撞。前述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架中，在所述的钢索转向支撑 架上装有X方向和y方向的钢索转向定滑轮，X方向与y方向的预应力钢索穿过钢索转向 定滑轮后转折呈水平线。本实用新型的有益效果与现有技术相比，本实用新型能作到“安全，合理，先进， 经济”的研制要求，它采用正放四角锥考虑屋面坡度的变截面双层网架，然后4 _7方向中央 部分约1/3处做成正放四角锥三层网架。如同钢筋砼肋型楼盖，即双层部分为“板”，三层 部分为“交叉梁”，在正交叉的三层桁架交叉点处，设置预应力钢索的转向支撑架，结构建立 预应力后，交叉点处(四处)产生与荷载作用方向相反的作用力，从而达到提高结构整体刚 度减小结构内力，导致使结构用钢量大幅度下降，减小工程造价的目标。本实用新型为超大 跨度(120m180m)空间钢网格结构领域提供了一种“安全，合理，先进，经济”的新型 结构形式，克服了目前超大跨度钢网格结构用钢量过大的缺点，满足“安全，合理，先进，经 济”设计要求，且施工简单、可操作性强，与现有超大跨度钢网格结构比较，能大幅度降低用 钢量，减少工程造价。本实用新型不同于“周边三角锥简支承体内折线预应力钢网架结构” (ZL2006102675. 6)，也不同于“大跨度周边简支承体内折线预应力钢网架结构” (ZL200610200674. 1)，此两项实用新型专利与本实用新型专利不同之点有如下几方面其 一，应用的跨度各不相同。前两种只能应用跨度Z=60m IOOm的大跨度，本实用新型可应 用于Z=120m 180m的超大跨度时仍有良好的力学工作性能；其二，前两种为双层网架组成 的“网格式板”，双层网架高度为、，其受力宽度为召。从一个方向方向)分析为i X、 梁式，由于其抗弯刚度(M7)小，其承载力亦小(仏小，小)，在预应力作用下，钢索转折点 夹角 小，预应力在转折的作用力^1=Asin(ai)亦小，如图10所示。本实用新型双层与三 层网架组成肋型楼盖，仍从一个方向分析Cr或_7方向)，从图11可知，它的抗弯刚度(万/2) 大，其承载力亦大Q2 > Q1,Mq2 >化)，其截面高度为^+A2 > A1，则折线钢索夹角(a2 > ^1) 亦大，其产生反作用力A2力sin (a2) > &丈sin(ai)，其产生的功效厶丛2 >Ai^，从两者 的受力特性说明本实用新型承载能力超过前两项专利。当跨度为Z=120m 180m的超大跨 度时，前两种专利已无能为力，只有采用本实用新型的结构组成和构造，才能适用于超大跨 度达到“安全，合理，先进，经济”的设计要求。
图1是本实用新型的平面结构简图；图2是图1中A部的网格布置图；图3是图2的A-A剖视图；图4是图3的C-C剖视图；图5是图2的B-B剖视图；图6是图5的D-D剖视图；图7是三层正放四角锥桁架的上承式支座节点构造图；图8是钢索转向支撑架的节点构造简4[0023]图9是钢索转向定滑轮的节点构造简图；图10为现有技术中正放四角锥网架等效为“网格板”时的力学简图；图11是本实用新型等效为“肋型网格楼盖”时的力学简图；图12是χ方向三层正放四角锥肋形桁架在X、y向钢索预拉力作用下结构“成形 态”自平衡体系图。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的说明。
具体实施方式
实施例1。如图1所示，包括网架1，网架1由双层正放四角锥桁架2构成，双层正 放四角锥桁架1由上弦5、下弦6和斜腹杆7组成，上弦5通过斜腹杆7与下弦6连接。双 层正放四角锥桁架2沿χ方向为变截面，截面高度中间大，两端小；沿y方向每榀双层正放 四角锥桁架2的上弦5、下弦6相互平行。在网架1的每边约1/3处沿χ方向和y方向为三 层正放四角锥桁架3 ；三层正放四角锥桁架3的上弦为双层正放四角锥桁架2的下弦6，并 通过下层斜腹杆8与其下弦杆9连接。在三层正放四角锥桁架3上设置有预应力钢索4， 预应力钢索4张拉并锚固在三层正放四角锥桁架3的上承式支座11上。在三层正放四角 锥桁架3的下弦杆9上设置有钢索转向支撑架10 ；预应力钢索4的一端锚固在三层正放四 角锥桁架3的上承式支座11上，另一端从上承式支座11向下倾斜，穿过钢索转向支撑架10 后转折呈水平线。钢索转向支撑架10位于χ方向和y方向三层正放四角锥桁架3的正交 叉点处。χ方向与y方向的预应力钢索4在钢索转向支撑架10处正交叉后转折，χ方向与 y方向的预应力钢索4在交点处不相碰撞。在钢索转向支撑架10上装有χ方向和y方向的 钢索转向定滑轮12，x方向与y方向的预应力钢索4穿过钢索转向定滑轮12后转折呈水平 线。以150mX 150m超大跨度平板型钢网架为例，屋盖面积A=22500m2，采用变高度的双 层正放四角锥桁架2满铺，它沿ζ方向考虑排水需要为变截面Cr方向为变高度，中间大，两 端小)，其_7方向亦为变高度，向截面最高在中间，逐次向两边减小结构高度，坡度i=0. 07 左右。沿_7方向每条双层正放四角锥桁架2的上、下弦平行。当双层正放四角锥网架整个 150mX 150m满铺后，形成一个方向变厚度的“网格板”。再在每边合适的部位(此处为距该 “网格板”每边约1/3部位)，利用原双层正放四角锥桁架2的下弦网格作为下层正放四角锥 的上弦，即形成三层正放四角锥桁架3。整个平面如同钢筋砼肋型楼盖，即“双层”部位为 “网格板”，“三层”部位为“网格梁”。正放四角锥网架等效为“网格板”时，其χ向板带截面 面积，其作用的荷载为仏，产生的弯矩为折线钢索产生的向上作用力为/^，产生的反弯 矩为，抗弯承载能力为AMpl ；双层与三层网架等效为“肋型网格楼盖”时，其ζ 方向的T形截面面积，其作用的荷载仏 > 仏，其向上作用的预应力效应^2 >/^，其预应力 产生的弯矩，其抗弯承载能力Δ#ρ2 > AMplo再在有“梁”部分，采用体内折线布 置钢丝束后进行张拉，建立预应力后，预应力钢索转折点处产生四个由下向上与荷载作用 方向相反的作用力，它有提高结构刚度，改善结构各杆件内力分布的作用。双层正放四角锥 桁架2由上弦5、下弦6、斜腹杆7组成，而三层正放四角锥桁架3的上弦亦为双层正放四角 锥桁架2的下弦6，并通过下层斜腹杆8与三层正放四角锥桁架3的下弦杆9连接，从而形 成由绝大多数双层网格和小部分三层网格组成的“拟肋型网格式楼盖”。整个网格结构为周
5边上承式简支承，在三层正放四角锥桁架3部分其上承式支座11也是预应力钢索4的张拉 端和锚固端。预应力钢索4张拉及锚固均在上承式支座11进行。预应力钢索4支座端向 下倾斜到钢索转向支撑架10后形成水平线。钢索斜线与水平线之间，形成夹角，此处为三 层正放四角锥空间桁架3正交叉点，即z、_F向两根预应力钢索4均通过此节点，建立预应力 后，则χ方向折线点产生由下向上的作用力，_7方向拐折点产生由下向上的作用力，由于两 个方向钢索均在此处正交叉后拐折并要求在交点处不相碰撞，并各自分别产生向上作用力 于下弦杆的节点，在此处下弦钢球节点上方焊接A 方向钢索转向的转向定滑轮12，预应 力钢索4在转折点下方(χ方向)和上方(y方向)与定滑轮12下缘紧密接触，建立预应力后， z，_F两个方向的定滑轮分别产生向上作用力，两者之和即为此处由下向上作用力，整个网格 结构产生由下向上作用力。由于预应力钢索4与整个钢网格结构已形成一个结构自平衡体 (如图12所示)，A 方向转折点相当于钢网格结构中间部位设置了四个弹簧支座，它有减 小网格结构变形(挠度)改善结构内力分布并使结构大部分杆件内力减少，减小结构用钢量 降低工程造价的功效。图12为150mX150m超大跨度钢网格结构在建立预应力后，即结构 的“成形态”整个结构的自平衡受力简图。从图12可知预应力作用后，有两大有利功能其 一，整个超大跨度下弦四节点相当有四个弹簧支座，它有减小结构挠度的作用，即提高了整 个结构的刚度；其二，它使结构很大部分杆件产生与荷载作用相反的杆件内力，即它使原本 受拉的下弦产生“预压力”，原本受压的上弦产生“预拉力”，整个结构的“使用状态”=“成 形状态” + “荷载状态”，从而使整个网格结构很大一部分杆件内力减小，因此按杆件受拉或 受压配制的钢管截面自然减小，达到降低用钢量的功效。 本实用新型的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本实用新型宗旨的前提下做 出的各种变化均属于本实用新型的保护范围之内。
权利要求一种超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，包括网架(1),其特征在于所述的网架(1)由双层正放四角锥桁架(2)构成，在网架(1)的每边约1/3处沿x方向和y方向为三层正放四角锥桁架(3)；在三层正放四角锥桁架(3)上设置有预应力钢索(4)。
2.根据权利要求1所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于所述的双层正放四角锥桁架(1)由上弦(5)、下弦(6)和斜腹杆(7)组成，上弦(5)通过 斜腹杆(7)与下弦(6)连接。
3.根据权利要求2所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于所述的双层正放四角锥桁架(2)沿χ方向为变截面，截面高度中间大，两端小；沿y方向 每榀双层正放四角锥桁架(2)的上弦(5)、下弦(6)相互平行。
4.根据权利要求1所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于所述三层正放四角锥桁架(3)的上弦为双层正放四角锥桁架(2)的下弦(6)，并通过下 层斜腹杆(8 )与其下弦杆(9 )连接。
5.根据权利要求4所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于在所述三层正放四角锥桁架(3)的下弦杆(9)上设置有钢索转向支撑架(10);预应力钢 索(4)的一端锚固在三层正放四角锥桁架(3)的上承式支座(11)上，另一端从上承式支座 (11)向下倾斜，穿过钢索转向支撑架(10)后转折呈水平线，形成夹角ax。
6.根据权利要求5所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于所述的预应力钢索(4)张拉并锚固在三层正放四角锥桁架(3)的上承式支座(11)上。
7.根据权利要求5所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于所述的钢索转向支撑架(10)位于χ方向和y方向三层正放四角锥桁架(3)的正交叉点 处。
8.根据权利要求5所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于x方向与y方向的预应力钢索(4)在钢索转向支撑架(10)处正交叉后转折，χ方向与y 方向的预应力钢索(4)在交叉点处不相碰撞。
9.根据权利要求5所述的超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，其特征在 于在所述的钢索转向支撑架(10)上装有χ方向和y方向的钢索转向定滑轮(12)，χ方向 与y方向的预应力钢索(4)穿过钢索转向定滑轮(12)后转折呈水平线。
专利摘要本实用新型公开了一种超大跨度变截面双层与三层预应力肋梁式网架，包括网架(1),所述的网架(1)由双层正放四角锥桁架(2)构成，在网架(1)的每边约1/3处沿x方向和y方向为三层正放四角锥桁架(3)；在三层正放四角锥桁架(3)上设置有预应力钢索(4)。本实用新型为超大跨度(120m≤L≤180m)空间钢网格结构领域提供了一种新型的结构形式，克服了目前超大跨度钢网格结构用钢量过大的缺点，满足“安全，合理，先进，经济”设计要求，且施工简单、可操作性强，与现有超大跨度钢网格结构比较，能大幅度降低用钢量，减少工程造价。
文档编号E04B1/342GK201722778SQ20102016973
公开日2011年1月26日 申请日期2010年4月26日 优先权日2010年4月26日
发明者刘建军, 吴时强, 徐向东, 易伟健, 李云, 李正农, 申波, 肖岩, 胡岚, 马克俭 申请人:湖南大学;贵州大学;南京水利科学研究院