專利名稱：一種具有荷載緩和作用的張弦桁架結構及實施方法
技術領域：
本發明屬于建筑結構的大跨度預應力鋼結構技術領域，特別是涉及一種具有荷載緩和作用的張弦桁架結構及實施方法。
背景技術：
張弦桁架結構最早是由日本大學M. Saitoh教授在1986年提出，該結構是一種區別于傳統結構的新型雜交屋蓋體系，其主要是由作為壓彎部件的上弦桁架桿件、下弦柔性拉索以及中間受壓撐桿組成的自平衡混合結構，也是一種混合結構體系發展中比較成功的大跨度預應力空間結構體。張弦桁架結構的特點是體系簡單、受力明確、結構形式多樣，充分發揮了剛柔材料的優勢，并且制造、運輸、施工簡捷方便，因此已經獲得了良好的應用。近幾年來，以上海浦東國際機場候機樓、廣州國際會展中心、哈爾濱國際會展中心、北京農展館、國家體育館為代表的大跨度張弦桁架屋蓋結構已成為我國標志性建筑。目前，本領域的研究人員普遍認為張弦桁架結構的受力機理是通過對下弦柔性拉索施加預應力而使上弦桁架桿件產生反撓度，使得結構在荷載作用下的最終撓度得以減少，而中間受壓撐桿對上弦桁架桿件提供的彈性支撐可以改善結構的受力性能。一般由上弦桁架桿件構成的上弦桁架采用拱梁或桁架拱，在荷載作用下拱的水平推力由下弦柔性拉索承受，以減輕拱對支座產生的水平推力并減少滑動支座的水平位移。張弦桁架結構可發揮高強索的強抗拉性能，改善整體結構受力性能，使壓彎構件和抗拉構件取長補短，協同工作，從而達到自平衡。張弦桁架結構包括平面張弦桁架結構和空間張弦桁架結構，空間張弦桁架結構主要有單向張弦桁架結構、雙向張弦桁架結構、多向張弦桁架結構、輻射式張弦桁架結構，其設計方法、施工手段日臻成熟，研究人員也進行了多方面的研究并取得了很多成果。雖然張弦桁架結構是一種受力合理、剛度大、重量輕的大跨度空間結構，但由于其在工程中的實際應用只有十幾年的時間，并且尚未經受強烈地震、臺風等動力災變荷載的考驗。在上述動力災變荷載作用下，下弦柔性拉索的內力會急速變化，由于該拉索屬于脆性材料，破壞前無明顯征兆，如果突然斷裂將會引起相鄰拉索的應力集中后連續斷裂，進而導致主結構倒塌。因此，目前張弦桁架結構設計中常留有較大的安全系數，因此未能充分發揮材料的性能。荷載緩和體系是上世紀80年代由英國研究人員提出的一種解決荷載變化過大的方法，其核心理念是在結構中引入某種做機械運動的裝置，當結構形狀變化很大時其內力變化不大，可借鑒運用到張弦桁架結構中來。此概念最初由單建教授引入我國，郭彥林教授將其應用到體育場罩棚結構設計中，都是荷載緩和體系在理論研究中取得的成果。然而，荷載緩和體系的應用仍存在一定局限，具體表現為用一定程度的變形緩和結構受力，造成應用面較窄，因此較適合于柔性結構；利用恒定重物的豎向荷載緩和裝置應用較多，利用彈簧的水平向荷載緩和裝置研究較少；弦支結構中的應用更是少見。同時，如何提供一種高效、美觀、實用的荷載緩和裝置，就成為限制荷載緩和體系突破理論層面而進入實際應用的關鍵問題。
發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種安全可靠、施工方便、美觀實用， 在動力災變荷載作用下具有荷載緩和作用，避免局部拉索受力過大斷裂而引起張弦桁架結構連續倒塌，從而充分發揮材料性能的張弦桁架結構及實施方法。為了達到上述目的，本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構包括上弦桁架、多根撐桿、拉索、具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座和滑動鉸支座；其中上弦桁架為正放三角錐空間拱桁架，由多根上弦桁架桿件依次連接而構成，拉索的兩端分別連接在相對設置的球節點固定支座和滑動鉸支座上，而多根撐桿則相隔距離垂直連接在上弦桁架和拉索之間；所述的球節點固定支座包括下部支撐結構、預埋墊板、倒T形滑動板、多根預埋鋼筋、固定球節點、多個柱狀滾動軸承、錨具、多根阻尼彈簧和支座；其中下部支撐結構的下端固定在結構柱的頂部；預埋墊板水平設置在下部支撐結構的表面；倒T形滑動板由下翼緣板和沿前后方向垂直設置的腹板一體構成，其中下翼緣板的底面與多個相隔距離沿前后方向并排設置在預埋墊板表面一側的柱狀滾動軸承相連接，因此能夠左右滑動，腹板的中部形成有一個用于貫穿拉索的開孔；支座固定在預埋墊板的表面另一側；多根預埋鋼筋相隔距離垂直設置在下部支撐結構的內部，其中位于支座下方的預埋鋼筋上端貫穿支座的前后端部，并且利用螺帽旋緊在預埋鋼筋上端的方式將支座與預埋墊板和下部支撐結構之間相互固定；固定球節點為空心球體，安裝在支座的上端，其上部同時與多個張弦桁架桿件的端部相連；錨具安裝在位于倒T形滑動板和固定球節點之間的拉索端部，用于將拉索的端部固定；多根阻尼彈簧相隔距離水平連接在倒T形滑動板上腹板的內側面和固定球節點上相對應的表面之間。所述的支座由底板和十字形托架構成，其中底板水平設置，托架安裝在底板的表面中部，并且托架的上端中部呈圓弧形狀。所述的多根阻尼彈簧設置在位于倒T形滑動板和固定球節點之間的拉索周圍。所述的腹板兩側設有多條加強板。本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構實施方法包括按順序進行的下列步驟I)根據跨度要求、凈空限制和各種荷載組合工況，不考慮荷載緩和作用，設計上述具有荷載緩和作用的張弦桁架結構中上弦桁架桿件和撐桿的長度和截面尺寸、拉索的截面面積及相應初始預應力值F ；2)根據步驟I)中確定的拉索截面面積確定支座錨固端是單索、雙索或是多索，進而確定具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座的形狀和尺寸，同時根據拉索的初始預應力值F來確定阻尼彈簧的彈性剛度系數K及根數n，初始預應力值F、阻尼彈簧的彈性剛度系數K及阻尼彈簧的根數η之間存在如下關系F = ηΧΚΧχ,其中F為拉索的初始預應力值，η為阻尼彈簧的根數，K為阻尼彈簧的彈性剛度系數，X為阻尼彈簧的伸長量；
3)根據步驟I)確定的構件截面尺寸確定上弦桁架桿件及撐桿的下料尺寸，并根據步驟2)確定的阻尼彈簧的伸長量X確定拉索的下料長度，在工廠預加工；4)在土建主體結構指定位置安裝普通的滑動鉸支座和具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座；5)在施工場地用多根上弦桁架桿件拼裝上弦桁架，安裝撐桿及拉索而制成一榀張弦桁架，之后將一榀張弦桁架吊裝就位后將其與滑動鉸支座及球節點固定支座相連接，并施以臨時支撐，在滑動鉸支座端對拉索進行預應力張拉，直至拉索的預應力值F達到設計值后封錨固定；(6)待多榀張弦桁架全部張拉完畢后，在相鄰張弦桁架的上弦桁架間設置多根橫向撐桿而構成張弦桁架屋蓋結構，以保證張弦桁架結構的側向穩定性，撤除臨時支撐，施工完畢。本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構及實施方法具有如下優點1) 材料利用率高具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座能保證拉索內力在靜、動力荷載作用下相對穩定，可充分發揮拉索受拉能力強的特點，提高材料利用率。2)受力性能好拉索內力得到緩和，可避免上弦桁架局部位置桿件因動力荷載作用提前進入塑性流動階段造成局部破壞，在提高構件受力性能的同時提高了結構整體受力性能。3)施工安全簡便拉索穿過倒T形滑動板后錨固，即可進行張拉；如因施工誤差造成超張拉，固定支座的荷載緩和作用可提前發揮，通過增加拉索變形保護上部結構避免反拱過度遭受破壞。4)安全性能優越建筑物一旦遭受強烈地震、臺風等動力災變荷載，具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座即可發揮作用，阻尼彈簧的伸縮可保證結構產生較大變形時拉索不斷裂，消除了因拉索內力過大斷裂而引起主結構倒塌的安全隱患，同時阻尼彈簧還可以消耗地震產生能量，減小震害。
圖I為本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構主視圖。圖2為本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構上球節點固定支座主視圖。圖3為本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構上球節點固定支座俯視圖。圖4為本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構上球節點固定支座左視圖。圖5為本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構上球節點固定支座右視圖。圖6為圖5示出的球節點固定支座上支座結構立體圖。圖7為由本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構構成的張弦桁架屋蓋結構立體圖。圖8為本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構上球節點固定支座與上弦桁架桿件連接部位示意圖。圖9為在地震作用下本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構和傳統張弦桁架結構上拉索內力變化曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構及實施方法進行詳細說明。如圖I-圖8所示，本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構包括上弦桁架 13、多根撐桿14、拉索6、具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座15和滑動鉸支座16 ;其中上弦桁架13為正放三角錐空間拱桁架，由多根上弦桁架桿件24依次連接而構成，拉索6 的兩端分別連接在相對設置的球節點固定支座15和滑動鉸支座16上，而多根撐桿14則相隔距離垂直連接在上弦桁架13和拉索6之間；所述的球節點固定支座15包括下部支撐結構I、預埋墊板2、倒T形滑動板3、多根預埋鋼筋4、固定球節點7、多個柱狀滾動軸承8、錨具9、多根阻尼彈簧10和支座11 ;其中下部支撐結構I的下端固定在結構柱的頂部；預埋墊板2水平設置在下部支撐結構I的表面；倒T形滑動板3由下翼緣板17和沿前后方向垂直設置的腹板18 —體構成，其中下翼緣板17的底面與多個相隔距離沿前后方向并排設置在預埋墊板2表面一側的柱狀滾動軸承8相連接，因此能夠左右滑動，腹板18的中部形成有一個用于貫穿拉索6的開孔19 ;支座11固定在預埋墊板2的表面另一側；多根預埋鋼筋4 相隔距離垂直設置在下部支撐結構I的內部，其中位于支座11下方的預埋鋼筋4上端貫穿支座11的前后端部，并且利用螺帽5旋緊在預埋鋼筋4上端的方式將支座11與預埋墊板 2和下部支撐結構I之間相互固定；固定球節點7為空心球體，安裝在支座11的上端，其上部同時與多個張弦桁架桿件24的端部相連；錨具9安裝在位于倒T形滑動板3和固定球節點7之間的拉索6端部，用于將拉索6的端部固定；多根阻尼彈簧10相隔距離水平連接在倒T形滑動板3上腹板18的內側面和固定球節點7上相對應的表面之間。所述的支座11由底板20和十字形托架21構成，其中底板20水平設置，托架21 安裝在底板20的表面中部，并且托架21的上端中部呈圓弧形狀。所述的多根阻尼彈簧10設置在位于倒T形滑動板3和固定球節點7之間的拉索 6周圍。所述的腹板18兩側設有多條加強板12。本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構實施方法包括按順序進行的下列步驟I)根據跨度要求、凈空限制和各種荷載組合工況，不考慮荷載緩和作用，設計上述具有荷載緩和作用的張弦桁架結構中上弦桁架桿件24和撐桿14的長度和截面尺寸、拉索 6的截面面積及相應初始預應力值F ；2)根據步驟I)中確定的拉索6截面面積確定支座錨固端是單索、雙索或是多索， 進而確定具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座15的形狀和尺寸，同時根據拉索6的初始預應力值F來確定阻尼彈簧(10)的彈性剛度系數K及根數n，初始預應力值F、阻尼彈簧
(10)的彈性剛度系數K及阻尼彈簧(10)的根數η之間存在如下關系F = ηΧΚΧχ，其中F為拉索6的初始預應力值，η為阻尼彈簧10的根數，K為阻尼彈簧10的彈性剛度系數，X為阻尼彈簧10的伸長量；
在拉索6的初始預應力值F和阻尼彈簧10的伸長量X —定時，阻尼彈簧10的彈性剛度系數K越大，阻尼彈簧10的根數η越少，同時根據具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座15的特點，以阻尼彈簧10的根數η為偶數為佳，可對稱分布于拉索6的兩側，另外，根據研究發現阻尼彈簧10的彈性剛度系數K對拉索6的初始預應力值F的緩和作用呈拋物線關系，即阻尼彈簧10的彈性剛度系數K偏小或偏大，都會降低荷載緩和效果，因此應根據步驟I)中的設計參數通過試算后確定阻尼彈簧10的彈性剛度系數K。3)根據步驟I)確定的構件截面尺寸確定上弦桁架桿件24及撐桿14的下料尺寸， 并根據步驟2)確定的阻尼彈簧10的伸長量X確定拉索6的下料長度，在工廠預加工；4)在土建主體結構指定位置安裝普通的滑動鉸支座16和具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座15 ；5)在施工場地用多根上弦桁架桿件24拼裝上弦桁架13，安裝撐桿14及拉索6而制成一榀張弦桁架23，之后將一榀張弦桁架23吊裝就位后將其與滑動鉸支座16及球節點固定支座15相連接，并施以臨時支撐，在滑動鉸支座16端對拉索6進行預應力張拉，直至拉索6的預應力值F達到設計值后封錨固定；(6)待多榀張弦桁架23全部張拉完畢后，在相鄰張弦桁架23的上弦桁架13間設置多根橫向撐桿17而構成張弦桁架屋蓋結構，以保證張弦桁架結構的側向穩定性，此時張弦桁架結構達到初始設計形狀并在豎向及側向獲得足夠剛度即可滿足變形要求，撤除臨時支撐，施工完畢。現以由7榀張弦桁架23構成的具有荷載緩和作用的單向張弦桁架屋蓋結構為例對本發明進行說明。本單向張弦桁架屋蓋結構的桁架間距為8. 4m，縱向總長50. 4m，屋面設橫向撐桿 17。單榀張弦桁架23的跨度為80m，上弦拱矢高4m，拉索垂度4m，拉索呈拋物線形狀。每榀張弦桁架23的一端為滑動鉸支座16，另一端為具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座 15，支座標高均為18. 0m。豎向荷載取值參見常規張弦桁架結構計算取值，即屋面系統及吊頂O. 5kN/m2，屋面活(雪)荷載O. 5kN/m2，荷載組合I. 2恒+1. 4活=I. 3kN/m2。上弦桁架13為正放三角錐空間拱桁架，上弦桁架桿件24的截面尺寸為Φ 351 X 16，拉索6的截面尺寸為Φ 299 X 16，撐桿14的截面尺寸為Φ 299 X 10，拉索6為PES5-241拉索，上述部件均為鋼材，其中上弦桁架 13和撐桿14的彈性模量為2. 06 X IO5Mpa,拉索6的彈性模量為I. 85 X IO5Mpa,泊松比O. 3， 阻尼比O. 02。阻尼彈簧10的根數η = 4，彈性剛度系數K = 5X106N/m,阻尼選200kN · s/ m0為了驗證本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構的抗震性能，本發明人利用有限元軟件建模計算了 EL-CentiO (1940)波水平向地震力作用時拉索6內力的動力時程曲線，400個荷載步，加載時間8s，結果見圖9。由圖9可見，本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構上拉索6的內力幅值較傳統張弦桁架結構內力幅值下降了 40%，表明本發明提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構比傳統張弦桁架結構的抗震性能好。由此可見，本發明對傳統張弦桁架結構所做的改進效果明顯，理論依據可靠，實施方法簡便，便于實際應用。
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權利要求
1.一種具有荷載緩和作用的張弦桁架結構，其包括上弦桁架(13)、多根撐桿(14)、拉索(6)、具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座(15)和滑動鉸支座(16);其中上弦桁架 (13)為正放三角錐空間拱桁架，由多根上弦桁架桿件(24)依次連接而構成，拉索(6)的兩端分別連接在相對設置的球節點固定支座(15)和滑動鉸支座(16)上，而多根撐桿(14)則相隔距離垂直連接在上弦桁架(13)和拉索(6)之間；其特征在于所述的球節點固定支座(15)包括下部支撐結構(I)、預埋墊板(2)、倒T形滑動板(3)、多根預埋鋼筋(4)、固定球節點(7)、多個柱狀滾動軸承(8)、錨具(9)、多根阻尼彈簧(10)和支座(11);其中下部支撐結構(I)的下端固定在結構柱的頂部；預埋墊板(2)水平設置在下部支撐結構(I)的表面； 倒T形滑動板(3)由下翼緣板(17)和沿前后方向垂直設置的腹板(18) —體構成，其中下翼緣板(17)的底面與多個相隔距離沿前后方向并排設置在預埋墊板(2)表面一側的柱狀滾動軸承(8)相連接，因此能夠左右滑動，腹板(18)的中部形成有一個用于貫穿拉索(6) 的開孔(19);支座(11)固定在預埋墊板⑵的表面另一側；多根預埋鋼筋⑷相隔距離垂直設置在下部支撐結構(I)的內部，其中位于支座(11)下方的預埋鋼筋(4)上端貫穿支座(11)的前后端部，并且利用螺帽(5)旋緊在預埋鋼筋(4)上端的方式將支座(11)與預埋墊板(2)和下部支撐結構(I)之間相互固定；固定球節點(7)為空心球體，安裝在支座(11) 的上端，其上部同時與多個張弦桁架桿件(24)的端部相連；錨具(9)安裝在位于倒T形滑動板(3)和固定球節點(7)之間的拉索(6)端部，用于將拉索￠)的端部固定；多根阻尼彈簧(10)相隔距離水平連接在倒T形滑動板(3)上腹板(18)的內側面和固定球節點(7)上相對應的表面之間。
2.根據權利要求I所述的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構，其特征在于所述的支座(11)由底板(20)和十字形托架(21)構成，其中底板(20)水平設置，托架(21)安裝在底板(20)的表面中部，并且托架(21)的上端中部呈圓弧形狀。
3.根據權利要求I所述的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構，其特征在于所述的多根阻尼彈簧(10)設置在位于倒T形滑動板(3)和固定球節點(7)之間的拉索(6)周圍。
4.根據權利要求I所述的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構，其特征在于所述的腹板(18)兩側設有多條加強板(12)。
5.一種如權利要求I所述的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構實施方法，其特征在于所述的實施方法包括按順序進行的下列步驟1)根據跨度要求、凈空限制和各種荷載組合工況，不考慮荷載緩和作用，設計上述具有荷載緩和作用的張弦桁架結構中上弦桁架桿件(24)和撐桿(14)的長度和截面尺寸、拉索 (6)的截面面積及相應初始預應力值F ；2)根據步驟I)中確定的拉索(6)截面面積確定支座錨固端是單索、雙索或是多索，進而確定具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座(15)的形狀和尺寸，同時根據拉索(6)的初始預應力值F來確定阻尼彈簧(10)的彈性剛度系數K及根數n，初始預應力值F、阻尼彈簧(10)的彈性剛度系數K及阻尼彈簧(10)的根數n之間存在如下關系F = nXKXx,其中F為拉索(6)的初始預應力值，n為阻尼彈簧(10)的根數，K為阻尼彈簧(10)的彈性剛度系數，X為阻尼彈簧(10)的伸長量；3)根據步驟I)確定的構件截面尺寸確定上弦桁架桿件(24)及撐桿(14)的下料尺寸，并根據步驟2)確定的阻尼彈簧(10)的伸長量X確定拉索￠)的下料長度，在工廠預加工；4)在土建主體結構指定位置安裝普通的滑動鉸支座(16)和具有緩和拉索內力作用的球節點固定支座(15);5)在施工場地用多根上弦桁架桿件(24)拼裝上弦桁架(13)，安裝撐桿(14)及拉索 (6)而制成一榀張弦桁架(23)，之后將一榀張弦桁架(23)吊裝就位后將其與滑動鉸支座(16)及球節點固定支座(15)相連接，并施以臨時支撐，在滑動鉸支座(16)端對拉索(6)進行預應力張拉，直至拉索￠)的預應力值F達到設計值后封錨固定；(6)待多榀張弦桁架(23)全部張拉完畢后，在相鄰張弦桁架(23)的上弦桁架(13)間設置多根橫向撐桿(17)而構成張弦桁架屋蓋結構，以保證張弦桁架結構的側向穩定性，撤除臨時支撐，施工完畢。
全文摘要
一種具有荷載緩和作用的張弦桁架結構及實施方法。所述的張弦桁架結構包括上弦桁架、多根撐桿、拉索、球節點固定支座和滑動鉸支座；球節點固定支座包括下部支撐結構、預埋墊板、倒T形滑動板、多根預埋鋼筋、固定球節點、多個柱狀滾動軸承、錨具、多根阻尼彈簧和支座。本發明所提供的具有荷載緩和作用的張弦桁架結構及實施方法具有材料利用率高、受力性能好、施工安全簡便、安全性能優越等優點。
文檔編號E04B1/342GK102587497SQ20121007599
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者劉國光, 武志瑋 申請人:中國民航大學