一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法与流程

本发明涉及覆盖大面积空间的结构，特别是涉及一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法。

背景技术：

1、大型文体场馆设计时，有时候需要让一个屋盖/顶棚悬挑设置，以让建筑下方的至少一侧是开放的，前方不存在遮挡视野或影响通车的柱，有着宽广的视野和宽阔的通行空间，以满足观景、通车等需求。

2、但悬挑结构对受力是极度不利的，悬挑意味着其受力特点是没有冗余约束，一旦悬臂根部出现问题，整个悬挑结构即告破坏。除此之外，随着悬挑跨度的增大，还会带来一般建筑结构中很少遇到的问题：易倾覆。因为悬挑结构重心并不像一般建筑那样位于支撑体系正上方，而是位于支撑体系外。

3、对于悬挑屋盖/顶棚而言，为解决其易倾覆的问题，现有技术中会在其基础上额外增加受力构件来补强，常见的有以下几类：

4、在其上方增加斜拉索/斜拉杆；

5、在其下方增加三角撑；

6、把悬挑屋盖/顶棚做成闭合的圆环状，圆环外侧为一整个圆筒状的墙或钢结构支撑。

7、但以上所有的受力构件都对建筑外形造成的明显的影响，且挤占建筑空间。

8、以本发明涉及的某体育场为例，其需要有一个悬挑出39米的悬挑屋盖，且由于对外观有要求，不能把屋盖做成闭合的圆环状，也不能使用斜拉索/杆或三角撑（斜拉索/杆影响外观，三角撑与建筑内部的阶梯看台存在干涉）。

技术实现思路

1、本发明提供一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法。

2、解决的技术问题是：大跨度悬挑屋盖易倾覆，现有的克服倾覆手段不够紧凑，影响建筑外形。

3、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，包括多个并排设置并拼合为一体的悬挑屋面单元，悬挑屋面单元设置在摇摆柱上并以摇摆柱为起点悬挑，悬挑屋面单元背离悬挑端的另一端上设置有用于避免悬挑端下沉的预应力平衡索，所述预应力平衡索一端连接在悬挑屋面单元上，另一端下垂并固定在安装基础上；

4、所述预应力平衡索为预应力拉索，悬挑屋面单元、预应力平衡索、以及摇摆柱一同构成费力杠杆结构，摇摆柱为杠杆中的支点，费力杠杆中的动力为预应力平衡索中的预应力、且阻力为悬挑屋面单元的自重；

5、所述悬挑屋面单元与预应力平衡索的边沿还设置有起到边沿约束作用及围护作用的不承重围护，所述不承重围护与悬挑屋面单元一一对应，并自悬挑屋面单元的边沿下垂并固定到安装基础上，相邻的不承重围护连为一体。

6、进一步，所述悬挑屋面单元为桁架屋盖，所述桁架屋盖的上弦杆被单层钢网格取代，所述不承重围护为单层钢网格，并与桁架屋盖上层的单层钢网格拼接为一体，对桁架屋盖起到定位作用。

7、进一步，所述悬挑屋面单元下方设置有固定在地基上的阶梯看台，所述阶梯看台最高的一侧靠近不承重围护，所述摇摆柱设置在阶梯看台顶部，所述预应力平衡索下端固定在阶梯看台背面；所述摇摆柱为v形柱，v形柱下端安装在球铰支座上。

8、进一步，每个悬挑屋面单元下方设置两个v形柱和两根预应力平衡索，v形柱和预应力平衡索均对称设置在悬挑屋面单元左右两侧，两个v形柱上端拼合在一起且下端相互分开。

9、进一步，所述悬挑屋面单元自不承重围护起斜向下延伸，所述悬挑屋面单元拼合为闭合或不闭合的环状，所述不承重围护设置在环外，并起到挡风作用。

10、进一步，所述大跨度悬挑屋盖在与其它建筑结构的连接处设置有变形缝。

11、一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，用于施工上述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，并包括以下步骤：

12、步骤一：安装不承重围护并与已安装且相邻的不承重围护连接为一体；

13、步骤二：安装摇摆柱；

14、步骤三：以不承重围护顶部为起点拼装悬挑屋面单元，并与已安装且相邻的悬挑屋面单元连接为一体；

15、步骤四：安装预应力平衡索并进行张拉；

16、步骤五：重复步骤一到四，直到完成整个大跨度悬挑屋盖的安装，进行卸载并撤去支撑不承重围护和悬挑屋面单元的临时支撑结构。

17、进一步，每个悬挑屋面单元以及和其对应的摇摆柱、预应力平衡索、不承重围护的安装过程统称为一个工段；

18、每个工段中，不承重围护的安装及连接无需考虑之前的工段的进度；

19、摇摆柱的安装在本工段之前的三个工段施工的不承重围护安装后进行；

20、悬挑屋面单元的拼装与连接在本工段的摇摆柱安装后进行；

21、预应力平衡索的安装，在本工段之前的三个工段的悬挑屋面单元拼装并连接后进行。

22、进一步，所述不承重围护由钢网格块拼合而成，所述悬挑屋面单元由桁架分块原位拼合而成，与不承重围护相邻的桁架分块顶部的钢网格块的边沿与不承重围护顶部的钢网格块的边沿长度相等且紧密贴合。

23、进一步，步骤四中，预应力平衡索安装后立即张拉至10%张拉力，在本工段之前的三个工段的预应力平衡索安装后张拉至70%张拉力；

24、所述施工方法还包括步骤六：从中部向两边依次把所有的预应力平衡索张拉至100%张拉力。

25、本发明一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

26、本发明中，通过把大跨度悬挑屋盖分解为多个悬挑屋面单元，然后把悬挑屋面单元架在摇摆柱上，形成类似于“跷跷板”的结构，再在“跷跷板”一端用设置在建筑内的预应力平衡索拉住来避免另一端下沉（即避免倾覆），最后用不承重围护来挡风并增加稳固性。整个建筑不仅不易倾覆，还结构紧凑，不存在影响建筑外观或造成干涉的额外受力构件；

27、本发明中，悬挑屋面单元顶层以及不承重围护均为单层钢网格，悬挑屋面单元在不承重围护安装后，以不承重围护顶部为位置参考一块块原位拼装，不仅能满足复杂造型要求，而且位置准确不易拼错。

技术特征：

1.一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：包括多个并排设置并拼合为一体的悬挑屋面单元（1），悬挑屋面单元（1）设置在摇摆柱（2）上并以摇摆柱（2）为起点悬挑，悬挑屋面单元（1）背离悬挑端的另一端上设置有用于避免悬挑端下沉的预应力平衡索（3），所述预应力平衡索（3）一端连接在悬挑屋面单元（1）上，另一端下垂并固定在安装基础上；

2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述悬挑屋面单元（1）为桁架屋盖，所述桁架屋盖的上弦杆被单层钢网格取代，所述不承重围护（4）为单层钢网格，并与桁架屋盖上层的单层钢网格拼接为一体，对桁架屋盖起到定位作用。

3.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述悬挑屋面单元（1）下方设置有固定在地基上的阶梯看台（6），所述阶梯看台（6）最高的一侧靠近不承重围护（4），所述摇摆柱（2）设置在阶梯看台（6）顶部，所述预应力平衡索（3）下端固定在阶梯看台（6）背面；所述摇摆柱（2）为v形柱，v形柱下端安装在球铰支座上。

4.根据权利要求3所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：每个悬挑屋面单元（1）下方设置两个v形柱和两根预应力平衡索（3），v形柱和预应力平衡索（3）均对称设置在悬挑屋面单元（1）左右两侧，两个v形柱上端拼合在一起且下端相互分开。

5.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述悬挑屋面单元（1）自不承重围护（4）起斜向下延伸，所述悬挑屋面单元（1）拼合为闭合或不闭合的环状，所述不承重围护（4）设置在环外，并起到挡风作用。

6.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述大跨度悬挑屋盖在与其它建筑结构的连接处设置有变形缝（5）。

7.一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：用于施工如权利要求2所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，并包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：每个悬挑屋面单元（1）以及和其对应的摇摆柱（2）、预应力平衡索（3）、不承重围护（4）的安装过程统称为一个工段；

9.根据权利要求8所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：所述不承重围护（4）由钢网格块拼合而成，所述悬挑屋面单元（1）由桁架分块原位拼合而成，与不承重围护（4）相邻的桁架分块顶部的钢网格块的边沿与不承重围护（4）顶部的钢网格块的边沿长度相等且紧密贴合。

10.根据权利要求8所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：步骤四中，预应力平衡索（3）安装后立即张拉至10%张拉力，在本工段之前的三个工段的预应力平衡索（3）安装后张拉至70%张拉力；

技术总结
本发明涉及覆盖大面积空间的结构技术领域，公开了一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法。通过把大跨度悬挑屋盖分解为多个悬挑屋面单元，然后把悬挑屋面单元架在摇摆柱上，形成类似于“跷跷板”的结构，再在“跷跷板”一端用设置在建筑内的预应力平衡索拉住来避免另一端下沉，最后用不承重围护来挡风并增加稳固性。整个建筑不仅不易倾覆，还结构紧凑，不存在影响建筑外观或造成干涉的额外受力构件。悬挑屋面单元顶层以及不承重围护均为单层钢网格，悬挑屋面单元在不承重围护安装后，以不承重围护顶部为位置参考一块块原位拼装，不仅能满足复杂造型要求，而且位置准确不易拼错。

技术研发人员：鲍敏,司波,张威廉,王泽强,张晓迪,马健,杨越,张书欣,尧金金
受保护的技术使用者：北京市建筑工程研究院有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13