專利名稱：一種高冗余度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，特別是涉及一種高冗余度張弦桁架結構及實施方法。
背景技術：
張弦桁架結構最早由日本大學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。雖然張弦桁架結構受力合理、剛度大、重量輕，但由于其下弦柔性拉索需要占用大量的室內凈空，因此限制了其應用領域。此外，傳統的張弦桁架結構一旦下弦柔性拉索產生斷裂，上弦桁架將會出現倒塌，并會引起相鄰結構連續產生破壞，從而引發災難性事故。因此，如何提供一種凈空占用少、結構冗余度高的新型張弦梁結構，就成為拓展傳統張弦梁結構應用的關鍵問題。

發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種凈空占用少、結構冗余度高的張弦桁架結構及實施方法。為了達到上述目的，本發明提供的高冗余度張弦桁架結構包括上弦桁架、多根撐桿、多根拉索、固定鉸支座和滑動鉸支座，其中上弦桁架為由多根上弦桁架桿件通過螺栓球或焊接球相互連接而構成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索的兩端相隔距離連接在上弦桁架下部的兩個球節點上，并且多根拉索的部分結構交錯設置；多根撐桿相隔距離垂直連接在上弦桁架下部和多根拉索之間；固定鉸支座的上端與上弦桁架一側下部的球節點相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架一側的支撐結構上；滑動鉸支座的上端與上弦桁架另一側下部的球節點相連，下端以滑動的方式安裝在位于上弦桁架另一側的支撐結構上。所述的拉索的數量為三根，且位于最外側的兩根拉索的外端分別與上弦桁架兩側下部的球節點相連。本發明提供的高冗余度張弦桁架結構的實施方法包括按順序進行的下列步驟I)根據結構跨度、室內凈高限制及荷載組合工況設計高冗余度張弦桁架結構中上弦桁架桿件和撐桿的長度及截面尺寸、多根拉索的截面面積及相應初始預應力值F ；2)通過螺栓球或焊接球連接方式將多根上弦桁架桿件相互連接成上弦桁架；3)將多根撐桿相隔距離垂直連接在上弦桁架下部和多根拉索之間；4)逐根張拉多根拉索，張拉順序為先張拉中間一根拉索，然后同時張拉外側兩根拉索，待拉索的初始預應力值F達到設計值后將多根拉索封錨固定，由此形成一榀張弦桁架；5)在施工場地將一榀張弦桁架吊裝就位后將其兩端分別與設置在兩側支撐結構上的固定鉸支座和滑動鉸支座的上端相連接，并施以臨時支撐；6)待多榀張弦桁架全部吊裝完畢后，在相鄰張弦桁架的上弦桁架之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。本發明提供的高冗余度張弦桁架結構及實施方法具有如下優點I)室內凈空占用少多根弦索分別連接在上弦桁架的下部球節點上，使得跨中位置的矢高大大降低，節省了室內凈空。2)安全性能提高當多根拉索中的某一根發生斷裂時，其它拉索的內力增加，可通過增大上弦桁架變形的方式延緩其倒塌，為人員和財產的疏散提供寶貴時間。


圖I為本發明提供的高冗余度張弦桁架結構主視圖。圖2為由本發明提供的高冗余度張弦桁架結構構成的單向張弦桁架屋蓋結構立體圖。圖3為傳統張弦桁架結構和本發明提供的高冗余度張弦桁架結構在豎向地震力作用下跨中位移變化曲線。圖4為傳統張弦桁架結構和本發明提供的高冗余度張弦桁架結構在豎向地震力作用下拉索內力變化曲線。
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高冗余度張弦桁架結構及實施方法進行詳細說明。如圖I所示，本發明提供的高冗余度張弦桁架結構包括上弦桁架I、多根撐桿2、多根拉索3、固定鉸支座4和滑動鉸支座5，其中上弦桁架I為由多根上弦桁架桿件6通過螺栓球或焊接球相互連接而構成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索3的兩端相隔距離連接在上弦桁架I下部的兩個球節點上，并且多根拉索3的部分結構交錯設置；多根撐桿2相隔距離垂直連接在上弦桁架I下部和多根拉索3之間；固定鉸支座4的上端與上弦桁架I一側下部的球節點相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架I 一側的支撐結構上；滑動鉸支座5的上端與上弦桁架I另一側下部的球節點相連，下端以滑動的方式安裝在位于上弦桁架I另一側的支撐結構上。所述的拉索3的數量為三根，且位于最外側的兩根拉索3的外端分別與上弦桁架I兩側下部的球節點相連?，F以由7榀張弦桁架7構成的高冗余度單向張弦桁架屋蓋結構為例對本發明提供的高冗余度張弦桁架結構的實施方法進行說明，本單向張弦桁架屋蓋結構上張弦桁架7之 間的間距為8m，縱向總長48m，相鄰上弦桁架I之間設橫向撐桿8。單榀張弦桁架7的跨度為100m，上弦拱矢高6m，多根拉索3垂度均為2m，多根拉索3呈拋物線形狀。每榀張弦桁架7的兩端分別為固定鉸支座4和滑動鉸支座5，標高均為20. 0m，如圖2所示，所述的實施方法包括按順序進行的下列步驟I)根據結構跨度、室內凈高限制及荷載組合工況設計高冗余度張弦桁架結構中上弦桁架桿件6和撐桿2的長度及截面尺寸、多根拉索3的截面面積及相應初始預應力值F ；2)通過螺栓球或焊接球連接方式將多根上弦桁架桿件6相互連接成上弦桁架I ;3)將多根撐桿2相隔距離垂直連接在上弦桁架I下部和多根拉索3之間；4)逐根張拉多根拉索3，張拉順序為先張拉中間一根拉索3，然后同時張拉外側兩根拉索3，待拉索3的初始預應力值F達到設計值后將多根拉索3封錨固定，由此形成一榀張弦桁架7 ；5)在施工場地將一榀張弦桁架7吊裝就位后將其兩端分別與設置在兩側支撐結構上的固定鉸支座4和滑動鉸支座5的上端相連接，并施以臨時支撐；6)待多榀張弦桁架7全部吊裝完畢后，在相鄰張弦桁架7的上弦桁架I之間設置多根橫向撐桿8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。為了驗證本發明提供的高冗余度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傳統張弦桁架結構和本發明提供的高冗余度張弦桁架結構在EL-Centro (1940)波豎向地震力作用時結構跨中最大位移變化曲線和拉索6內力變化曲線，400個荷載步，加載時間8s，結果見圖3和圖4?？梢?，本發明提供的高冗余度張弦桁架結構在地震荷載作用下仍能可靠工作，且具有較傳統結構更出色的抗震性能。由此可見，本發明理論可靠、使用安全，實施方法簡便，效果顯著且便于實際應用。
權利要求
1.一種高冗余度張弦桁架結構，其特征在于所述的高冗余度張弦桁架結構包括上弦桁架(I)、多根撐桿(2)、多根拉索(3)、固定鉸支座(4)和滑動鉸支座(5)，其中上弦桁架(I)為由多根上弦桁架桿件(6)通過螺栓球或焊接球相互連接而構成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索(3)的兩端相隔距離連接在上弦桁架(I)下部的兩個球節點上，并且多根拉索(3)的部分結構交錯設置；多根撐桿(2)相隔距離垂直連接在上弦桁架(I)下部和多根拉索(3)之間；固定鉸支座(4)的上端與上弦桁架(I) 一側下部的球節點相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架(I) 一側的支撐結構上；滑動鉸支座(5)的上端與上弦桁架(I)另一側下部的球節點相連，下端以滑動的方式安裝在位于上弦桁架(I)另一側的支撐結構上。
2.根據權利要求I所述的高冗余度張弦桁架結構，其特征在于所述的拉索(3)的數量為三根，且位于最外側的兩根拉索(3)的外端分別與上弦桁架(I)兩側下部的球節點相連。
3.—種如權利要求I所述的高冗余度張弦桁架結構的實施方法，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)根據結構跨度、室內凈高限制及荷載組合工況設計高冗余度張弦桁架結構中上弦桁架桿件(6)和撐桿(2)的長度及截面尺寸、多根拉索(3)的截面面積及相應初始預應力值F； 2)通過螺栓球或焊接球連接方式將多根上弦桁架桿件(6)相互連接成上弦桁架(I)； 3)將多根撐桿(2)相隔距離垂直連接在上弦桁架(I)下部和多根拉索(3)之間； 4)逐根張拉多根拉索(3)，張拉順序為先張拉中間一根拉索(3)，然后同時張拉外側兩根拉索(3)，待拉索(3)的初始預應力值F達到設計值后將多根拉索(3)封錨固定，由此形成一榀張弦桁架(7)； 5)在施工場地將一榀張弦桁架(7)吊裝就位后將其兩端分別與設置在兩側支撐結構上的固定鉸支座(4)和滑動鉸支座(5)的上端相連接，并施以臨時支撐； 6)待多榀張弦桁架(7)全部吊裝完畢后，在相鄰張弦桁架(7)的上弦桁架(I)之間設置多根橫向撐桿(8)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
一種高冗余度張弦桁架結構及實施方法。結構包括上弦桁架、多根撐桿、多根拉索、固定鉸支座和滑動鉸支座，上弦桁架為由多根上弦桁架桿件相互連接構成的正放三角錐空間拱桁架；每根拉索兩端相隔距離連接在上弦桁架下部的兩個球節點上，多根拉索的部分結構交錯設置；多根撐桿相隔距離垂直連接在上弦桁架下部和多根拉索間；固定鉸支座上端與上弦桁架一側下部的球節點相連，下端以固定的方式安裝在位于上弦桁架一側的支撐結構上；滑動鉸支座上端與上弦桁架另一側下部的球節點相連，下端以滑動的方式安裝在位于上弦桁架另一側的支撐結構上。本發明提供的高冗余度張弦桁架結構及實施方法具有結構冗余度高、抗倒塌性能好、施工簡便、安全性能優越等優點。
文檔編號E04G21/14GK102653965SQ20121013838
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月7日 優先權日2012年5月7日
發明者劉國光, 武志瑋, 譚振 申請人:中國民航大學