超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构及其施工方法与流程

本发明涉及钢结构施工工程领域，特指一种超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构及其施工方法。

背景技术：

随着时代的发展，钢结构建筑越来越向着大跨度、大空间、大悬挑、造型特异等方向发展。传统钢构件由于其受力性能，稳定性及抗疲劳性能等方面限制，已经较难满足大跨度、大悬挑及造型特异的建筑结构形式。

目前，针对超大跨度、大悬挑结构常采用增大构件截面或者在结构外侧施加拉索或者底部设置支撑等几种方式来实现，第一种增大构件截面方法，会大大增加用钢量，且增加结构自重，综合考虑加工、运输、吊装等吨位限制，会较大增加工程造价；第二种外侧施加拉索方式施工工序复杂，且需要外侧设置立柱，造价较高，且影响建筑造型美观；第三种设置底部支撑，除增加工程造价成本外，最致命的是占用了建筑空间，不能满足建筑大空间的使用要求。同时，以上三种做法尽管在强度和刚度上满足了结构设计标准，但是其稳定性和抗疲劳性能依旧是结构整体性能的薄弱点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构及其施工方法，解决现有技术中通过增大构件截面、外侧设置拉索及底部设置支撑来增加钢结构的强度及刚度存在的造价高、占用空间、影响美观以及稳定性和抗疲劳性能依旧薄弱的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构，包括：

呈弧形的工字梁体，包括相对设置的上翼缘板和下翼缘板以及垂直连接于所述上翼缘板和下翼缘板之间的腹板，所述工字梁体的一端形成安装端部，另一端形成悬挑端部，所述工字梁体于所述安装端部和所述悬挑端部之间形成有弯曲部；

固设于所述下翼缘板并对应所述弯曲部设置的支撑件，所述支撑件的顶端形成于位于所述上翼缘板下方的支撑部；以及

一端固定于所述安装端部的预应力拉索，另一端在对所述预应力拉索施加设定预应力后固定于所述悬挑端部，且所述预应力拉索对应所述弯曲部的部分搭设于所述支撑部上，所述预应力拉索设于所述腹板的两侧。

本发明的超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构在工字梁体的两侧设置预应力拉索，通过施加有预应力的拉索提高弧形钢梁结构的整体性能，弧形钢梁结构在受到外部竖向荷载时，张紧的预应力拉索能够承受部分拉力，而减轻了工字梁体自身的受力，有效保护了工字梁体的翼缘板和腹板，避免了翼缘板和腹板发生屈曲失稳破坏或者强度破坏的情形。另外，由于预应力拉索的伸缩性优于钢板，且预应力拉索通过支撑件支撑，能够有效增强弧形钢梁结构的抗疲劳性能和抗震性能。

本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的进一步改进在于，所述腹板的宽度从所述弯曲部向所述安装端部和所述悬挑端部逐渐变小。

本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的进一步改进在于，所述预应力拉索的走向与所述上翼缘板的走向相一致。

本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的进一步改进在于，所述支撑件包括立设于所述下翼缘板的支杆和设于所述支杆顶部的支撑轴，所述支撑轴与对应的所述预应力拉索相垂直设置，且所述支撑轴上与所述预应力拉索相接触的部分形成所述支撑部。

本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的进一步改进在于，所述安装端部和所述悬挑端部均固设有隔板，所述隔板上开设有供预应力拉索穿过的穿设孔；

所述预应力拉索的端部从对应的所述穿设孔穿过并通过锚固头紧固连接于对应的所述隔板。

本发明还提供了一种超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的施工方法，包括如下步骤：

提供一呈弧形的工字梁体，所述工字梁体包括相对设置的上翼缘板和下翼缘板以及垂直连接于所述上翼缘板和所述下翼缘板之间的腹板，所述工字梁体的一端形成安装端部，另一端形成悬挑端部，且所述工字梁体于所述安装端部和所述悬挑端部之间形成有弯曲部；

将所述工字梁体吊装至设定位置，并将所述安装端部固定安装于对应的结构上；

提供支撑件，将所述支撑件固设于所述下翼缘板上并对应位于所述弯曲部处，所述支撑件的顶端形成有位于所述上翼缘板下方的支撑部；以及

提供两根预应力拉索，将两根预应力拉索设于所述工字梁体的腹板的两侧，并将所述两根预应力拉索的一端固定于所述工字梁体的安装端部，同时对位于所述腹板两侧的预应力拉索施加设定预应力，并在设定预应力施加后将所述两根预应力拉索的另一端固定于所述工字梁体的悬挑端部，所述预应力拉索上对应所述弯曲部的部分搭设于对应的所述支撑部上，从而完成了超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的施工。

本发明施工方法的进一步改进在于，所提供的工字梁体的腹板的宽度从所述弯曲部向所述安装端部和所述悬挑端部逐渐变小。

本发明施工方法的进一步改进在于，在设置预应力拉索时，将所述预应力拉索的走向设置为与所述上翼缘板的走向相一致。

本发明施工方法的进一步改进在于，所提供的支撑件包括支杆和设于所述支杆顶部的支撑轴；

固定支撑件时，将所述支杆的底部固设于所述下翼缘板上，并令所述支撑轴与对应的所述预应力拉索相垂直设置，且所述支撑轴上与所述预应力拉索相接触的部分形成所述支撑部。

本发明施工方法的进一步改进在于，还包括：

提供隔板，将所述隔板固设于所述工字梁体的安装端部和悬挑端部，并于所述隔板上开设与所述预应力拉索相对应的穿设孔；

固定预应力拉索的端部时，将所述预应力拉索的端部从对应的所述穿设孔穿过并通过锚固头紧固连接于对应的所述隔板。

附图说明

图1为本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的结构示意图。

图2为本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构端部处的侧视图。

图3为本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构端部处的正视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构及其施工方法，特别适用于大跨度、大悬挑以及造型特异的大型空间结构，比如体育场、展览馆、机场航站楼等。本发明的大跨度、大悬挑是指40米以上的距离，有的可达到80米。本发明用于解决现有的钢悬挑结构采用增大构件截面的方式存在的增加用钢量、受到自重及作业限制和增加工程造价的问题，还用于解决采用外侧施加拉索方式存在的额外设置立柱使得影响造型美观及造价高的问题，还用于解决底部设置支撑存在的增加工程造价成本且占用了建筑空间的问题。本发明采用弧形工字梁上设置施加了预应力的拉索，使得弧形工字梁体受到外部荷载时，张紧的预应力拉索可承担较大的荷载，减轻了工字梁体的腹板受到的压力，从而保护了工字梁体的翼缘板和腹板，避免了翼缘板和腹板屈曲失稳破坏或者强度破坏，预应力拉索的伸缩性比钢板好，可有效增强了弧形钢梁结构的抗疲劳性能和抗震性能。下面结合附图对本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构及其施工方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的结构示意图。参阅图2，显示了本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构端部处的侧视图。下面结合图1和图2，对本发明超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构进行说明。

如图1和图2所示，本发明的超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构包括工字梁体21、支撑件22以及预应力拉索23，工字梁体21呈弧形，包括相对设置的上翼缘板211和下翼缘板212以及垂直连接于上翼缘板211和下翼缘板212之间的腹板213，工字梁体21的一端形成安装端部214，另一端形成悬挑端部215，该工字梁体21于安装端部214和悬挑端部215之间形成有弯曲部216；支撑件22固设于下翼缘板212上并对应弯曲部216设置，支撑件22的顶端形成有位于上翼缘板211下方的支撑部；预应力拉索23的一端固定于安装端部214，另一端在对预应力拉索23施加设定预应力厚固定于悬挑端部215，使得预应力拉索23位于悬挑端部215和安装端部214之间的部分呈张紧状态，且预应力拉索23设于腹板213的两侧。较佳地，在对预应力拉索施加预应力时，利用液压预应力拉力千斤顶对预应力拉索施加预应力，在施加的预应力达到设计要求大小时，固定预应力拉索的端部。

本发明的弧形钢梁结构安装时，将工字梁体21的安装端部214固定在对应的结构上，工字梁体21的悬挑端部215处于悬挑状态。在安装状态下，工字梁体21的上翼缘板211和下翼缘板212呈上下相对设置，腹板213呈竖向状设置。在工字梁体21的长度较大时，若悬挑端部215处受到荷载，会使得安装端部214受到很大的弯矩，且弯曲部的弯矩荷载也较大，从而极易发生屈曲失稳破坏或者直接强度破坏。为解决这一问题，本发明提供了两根预应力拉索23，张紧地置于腹板213的两侧，通过预应力拉索23的设置，在工字梁体21的端部受到荷载时，预应力拉索23可承担部分荷载，从而减轻了工字梁体21所需承担的荷载，有效保护了工字梁体21，避免了翼缘板和腹板发生屈曲失稳破坏或者强度破坏的情形。另外，由于预应力拉索的伸缩性优于钢板，且预应力拉索通过支撑件支撑，能够有效增强弧形钢梁结构的抗疲劳性能和抗震性能。

较佳地，预应力拉索23对称地布设于腹板213的两侧，且预应力拉索23对应腹板213的上部设置，即预应力拉索23靠近上翼缘板211设置。

作为本发明的一较佳实施方式，腹板213的宽度从弯曲部216向安装端部214和悬挑端部215逐渐变小。腹板213为宽度渐变结构，在弯曲部216处的宽度最大，安装端部214和悬挑端部215的端部的宽度最小。即工字梁体21整体上为变截面结构，呈两端头截面小，弯曲部截面最大。

由于工字梁体21在一端受力时，其弯曲部216承受的弯矩荷载较大，本发明将弯曲部216的宽度设置最大，可提高弯曲部216的结构强度，以承受较大的弯矩荷载，确保结构的稳定性。

作为本发明的另一较佳实施方式，预应力拉索23的走向与上翼缘板211的走向相一致。使得预应力锁23的弧形状与工字梁体21的上翼缘板211的弧形状相适配。

具体地，通过设置支撑件22的位置来调节预应力拉索23的弧形状，使其与上翼缘板211的走向相一致。在图1所示的实例中，支撑件22设置有三个，间隔的固设在工字梁体21的下翼缘板212上。

支撑件22包括立设于下翼缘板212的支杆221和设于支杆221顶部的支撑轴222，支撑轴222与对应的预应力拉索23相垂直设置，且支撑轴上与预应力拉索23相接触的部分形成支撑部。

为提高支撑件22的稳定性，在支杆对21的两侧设置有第一加肋板223，该第一加肋板固设于下翼缘板212上，且与支杆21固定连接。第一加肋板较佳为三角形板。

支撑轴222垂直腹板213设置，较佳该支撑轴222抵靠于腹板213。

较佳地，支撑轴222的外表面涂抹有润滑黄油，利用涂抹的润滑黄油使得预应力拉索23可滑动，润滑黄油起到了润滑作用，便利了预应力拉索23的滑动，避免了对预应力拉索23的伸缩性能的限制或阻碍。

作为本发明的又一较佳实施方式，如图1至图3所示，安装端部214和悬挑端部215均固设有隔板25，隔板25上开设有供预应力拉索23穿过的穿设孔；

预应力拉索23的端部从对应的穿设孔穿过并通过锚固头24紧固连接于对应的隔板25。

较佳地，隔板25垂直连接于腹板213，还垂直连接于上翼缘板211和下翼缘板212。

为提高隔板25的稳定性，隔板25的两侧设有第二加肋板251，第二加肋板251支撑连接在下翼缘板212和隔板25之间。第二加肋板较佳为三角形板。

下面对本发明提供的超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的工作原理进行说明。

本发明的超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的悬挑端部处于悬挑状态，其通常会受到竖向荷载。在悬挑端部受到竖向荷载时，工字梁体的弯曲部承受较大的弯矩荷载，极易发生屈曲失稳破坏或者直接强度破坏，且弧形钢梁结构作为主要的受力构件，若发生破坏会造成结构整体垮塌的严重后果。当工字梁体的悬挑端部受力时，上翼缘板受到较大拉力，同时腹板受到较大压力，在设置预应力拉索后，预应力索能够承担腹板所受到的较大压力，减轻腹板受到的压力，预应力拉索有效保护了上翼缘板和腹板，避免了屈曲失稳破坏或者强度破坏。由于预应力拉索伸缩性比钢板好，且设置有支撑件，有效增强了弧形钢梁结构的抗疲劳性能和抗震性能。

下面对本发明提供的一种超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的施工方法进行说明。

本发明提供的一种超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的施工方法，包括如下步骤：

如图1所示，提供一呈弧形的工字梁体21，工字梁体21包括相对设置的上翼缘板211和下翼缘板212以及垂直连接于上翼缘板211和下翼缘板212之间的腹板213，工字梁体21的一端形成安装端部214，另一端形成悬挑端部215，且工字梁体21于安装端部214和悬挑端部215之间形成有弯曲部216；

将工字梁体21吊装至设定位置，并将安装端部214固定安装于对应的结构上；

提供支撑件22，将支撑件22固设于下翼缘板212上并对应位于弯曲部216处，支撑件22的顶端形成有位于上翼缘板211下方的支撑部；以及

提供两根预应力拉索23，将两根预应力拉索23设于工字梁体21的腹板213的两侧，并将两根预应力拉索23的一端固定于工字梁体21的安装端部214，同时对位于腹板213两侧的预应力拉索23施加设定预应力，并在设定预应力施加后将两根预应力拉索23的另一端固定于工字梁体21的悬挑端部215，预应力拉索23上对应弯曲部216的部分搭设于对应的支撑部上，从而完成了超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构的施工。

较佳地，将预应力拉索23对称地布设于腹板213的两侧，且预应力拉索23对应腹板213的上部设置，即预应力拉索23靠近上翼缘板211设置。

作为本发明的一较佳实施方式，所提供的工字梁体21的腹板213的宽度从弯曲部216向安装端部214和悬挑端部215逐渐变小。

具体地，工字梁体21整体上为变截面结构，呈两端头截面小，弯曲部截面最大。由于工字梁体21在一端受力时，其弯曲部216承受的弯矩荷载较大，本发明将弯曲部216的宽度设置最大，可提高弯曲部216的结构强度，以承受较大的弯矩荷载，确保结构的稳定性。

作为本发明的另一较佳实施方式，在设置预应力拉索23时，将预应力拉索23的走向设置为与上翼缘板211的走向相一致。具体地，通过设置支撑件22的位置来调节预应力拉索23的弧形状，使其与上翼缘板211的走向相一致。在图1所示的实例中，支撑件22设置有三个，间隔的固设在工字梁体21的下翼缘板212上。

作为本发明的又一较佳实施方式，所提供的支撑件22包括支杆221和设于支杆221顶部的支撑轴222；

固定支撑件22时，将支杆221的底部固设于下翼缘板212上，并令支撑轴222与对应的预应力拉索23相垂直设置，且支撑轴222上与预应力拉索23相接触的部分形成支撑部。

为提高支撑件22的稳定性，在支杆对21的两侧设置有第一加肋板223，该第一加肋板固设于下翼缘板212上，且与支杆21固定连接。第一加肋板较佳为三角形板。

将支撑轴222垂直腹板213设置，较佳该支撑轴222抵靠于腹板213。

较佳地，支撑轴222的外表面涂抹有润滑黄油，利用涂抹的润滑黄油使得预应力拉索23可滑动，润滑黄油起到了润滑作用，便利了预应力拉索23的滑动，避免了对预应力拉索23的伸缩性能的限制或阻碍。

作为本发明的再一较佳实施方式，还包括：

提供隔板25，将隔板25固设于工字梁体21的安装端部214和悬挑端部215，并于隔板25上开设与预应力拉索23相对应的穿设孔；

固定预应力拉索23的端部时，将预应力拉索23的端部从对应的穿设孔穿过并通过锚固头24紧固连接于对应的隔板25。为提高隔板25的稳定性，隔板25的两侧设有第二加肋板251，第二加肋板251支撑连接在下翼缘板212和隔板25之间。第二加肋板较佳为三角形板。

本发明的超大跨度悬挑预应力弧形钢梁结构及其施工方法的有益效果为：

该预应力弧形钢梁结构受力合理，承载力高，可减小构件截面大小，节省用钢量；

该预应力弧形钢梁结构施工方便快捷，效率高，免去了外侧拉索或者内部支撑设置，有效节省了人力和物力，节省施工成本。

该预应力弧形钢梁结构简单，加工方便；

该预应力弧形钢梁结构稳定性能好，抗疲劳性能好，抗震性能好，大大增强结构整体安全性。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。