專利名稱：超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種屋蓋結構，特別是一種超大跨度(120m ^ L ^ 180m)變截面 雙層與三層預應力肋梁式網架，屬于建筑鋼結構的技術領域。
背景技術：
平板型鋼網架結構國內外常用的形式有12種之多，正放四角錐鋼網架結構由于 結構剛度好，應用面最為廣泛，但應用跨度一般在18m 60m之間，當跨度大于60m以后，為 了減小斜腹桿的計算長度，采用三層平板網架，但跨度L=120m 180m等超大跨度，三層平 板網架并不經濟，也非最佳結構形式。目前已建成或還在興建的超大跨度鋼網格結構，如首 都“鳥巢”體育場，京滬高速鐵路站房，如“天津西站”及于家堡站房，均為跨度L彡IOOm的 鋼網格結構屋蓋，這些屋蓋結構用鋼量w彡250kg/m2,即每四平方米建筑，需耗鋼一噸，工 程造價昂貴，達不到“安全，合理，先進，經濟”的設計要求。
發(fā)明內容本實用新型所要解決的技術問題在于提供一種超大跨度變截面雙層與三層預應 力肋梁式網架。該網架結構適用于跨度在120m 180m的超大跨度平板型鋼網格結構，滿 足“安全，合理，先進，經濟”的設計要求，且施工簡單、可操作性強，能大幅度降低用鋼量，減 少工程造價。為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案超大跨度變截面雙層與三層預應 力肋梁式網架。包括網架，所述的網架由雙層正放四角錐桁架構成，在網架的每邊約1/3 處沿χ方向和y方向為三層正放四角錐桁架；在三層正放四角錐桁架上設置有預應力鋼索。上述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，所述的雙層正放四角錐 桁架是由上弦、下弦和斜腹桿組成，上弦通過斜腹桿與下弦連接。前述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，所述的雙層正放四角錐 桁架沿X方向為變截面，截面高度中間大，兩端??；沿y方向每榀雙層正放四角錐桁架的上 弦、下弦相互平行。前述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，所述三層正放四角錐桁 架的上弦為雙層正放四角錐桁架的下弦，并通過下層斜腹桿與其下弦桿連接。前述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，在所述三層正放四角錐 桁架的下弦桿上設置有鋼索轉向支撐架；預應力鋼索的一端錨固在三層正放四角錐桁架的 上承式支座上，另一端從上承式支座向下傾斜，穿過鋼索轉向支撐架后轉折呈水平線。前述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，所述的預應力鋼索張拉 并錨固在三層正放四角錐桁架的上承式支座上。前述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，所述的鋼索轉向支撐架 位于X方向和y方向三層正放四角錐桁架的正交叉點處。前述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，χ方向與y方向的預應力鋼索在鋼索轉向支撐架處正交叉后轉折，χ方向與y方向的預應力鋼索在交叉點處不相碰撞。前述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架中，在所述的鋼索轉向支撐 架上裝有X方向和y方向的鋼索轉向定滑輪，X方向與y方向的預應力鋼索穿過鋼索轉向 定滑輪后轉折呈水平線。本實用新型的有益效果與現有技術相比，本實用新型能作到“安全，合理，先進， 經濟”的研制要求，它采用正放四角錐考慮屋面坡度的變截面雙層網架，然后4 _7方向中央 部分約1/3處做成正放四角錐三層網架。如同鋼筋砼肋型樓蓋，即雙層部分為“板”，三層 部分為“交叉梁”，在正交叉的三層桁架交叉點處，設置預應力鋼索的轉向支撐架，結構建立 預應力后，交叉點處(四處)產生與荷載作用方向相反的作用力，從而達到提高結構整體剛 度減小結構內力，導致使結構用鋼量大幅度下降，減小工程造價的目標。本實用新型為超大 跨度(120m180m)空間鋼網格結構領域提供了一種“安全，合理，先進，經濟”的新型 結構形式，克服了目前超大跨度鋼網格結構用鋼量過大的缺點，滿足“安全，合理，先進，經 濟”設計要求，且施工簡單、可操作性強，與現有超大跨度鋼網格結構比較，能大幅度降低用 鋼量，減少工程造價。本實用新型不同于“周邊三角錐簡支承體內折線預應力鋼網架結構” (ZL2006102675. 6)，也不同于“大跨度周邊簡支承體內折線預應力鋼網架結構” (ZL200610200674. 1)，此兩項實用新型專利與本實用新型專利不同之點有如下幾方面其 一，應用的跨度各不相同。前兩種只能應用跨度Z=60m IOOm的大跨度，本實用新型可應 用于Z=120m 180m的超大跨度時仍有良好的力學工作性能；其二，前兩種為雙層網架組成 的“網格式板”，雙層網架高度為、，其受力寬度為召。從一個方向方向)分析為i X、 梁式，由于其抗彎剛度(M7)小，其承載力亦小(仏小，小)，在預應力作用下，鋼索轉折點 夾角 小，預應力在轉折的作用力^1=Asin(ai)亦小，如圖10所示。本實用新型雙層與三 層網架組成肋型樓蓋，仍從一個方向分析Cr或_7方向)，從圖11可知，它的抗彎剛度(萬/2) 大，其承載力亦大Q2 > Q1,Mq2 >化)，其截面高度為^+A2 > A1，則折線鋼索夾角(a2 > ^1) 亦大，其產生反作用力A2力sin (a2) > &丈sin(ai)，其產生的功效厶叢2 >Ai^，從兩者 的受力特性說明本實用新型承載能力超過前兩項專利。當跨度為Z=120m 180m的超大跨 度時，前兩種專利已無能為力，只有采用本實用新型的結構組成和構造，才能適用于超大跨 度達到“安全，合理，先進，經濟”的設計要求。

圖1是本實用新型的平面結構簡圖；圖2是圖1中A部的網格布置圖；圖3是圖2的A-A剖視圖；圖4是圖3的C-C剖視圖；圖5是圖2的B-B剖視圖；圖6是圖5的D-D剖視圖；圖7是三層正放四角錐桁架的上承式支座節(jié)點構造圖；圖8是鋼索轉向支撐架的節(jié)點構造簡4[0023]圖9是鋼索轉向定滑輪的節(jié)點構造簡圖；圖10為現有技術中正放四角錐網架等效為“網格板”時的力學簡圖；圖11是本實用新型等效為“肋型網格樓蓋”時的力學簡圖；圖12是χ方向三層正放四角錐肋形桁架在X、y向鋼索預拉力作用下結構“成形 態(tài)”自平衡體系圖。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的說明。
具體實施方式
實施例1。如圖1所示，包括網架1，網架1由雙層正放四角錐桁架2構成，雙層正 放四角錐桁架1由上弦5、下弦6和斜腹桿7組成，上弦5通過斜腹桿7與下弦6連接。雙 層正放四角錐桁架2沿χ方向為變截面，截面高度中間大，兩端小；沿y方向每榀雙層正放 四角錐桁架2的上弦5、下弦6相互平行。在網架1的每邊約1/3處沿χ方向和y方向為三 層正放四角錐桁架3 ；三層正放四角錐桁架3的上弦為雙層正放四角錐桁架2的下弦6，并 通過下層斜腹桿8與其下弦桿9連接。在三層正放四角錐桁架3上設置有預應力鋼索4， 預應力鋼索4張拉并錨固在三層正放四角錐桁架3的上承式支座11上。在三層正放四角 錐桁架3的下弦桿9上設置有鋼索轉向支撐架10 ；預應力鋼索4的一端錨固在三層正放四 角錐桁架3的上承式支座11上，另一端從上承式支座11向下傾斜，穿過鋼索轉向支撐架10 后轉折呈水平線。鋼索轉向支撐架10位于χ方向和y方向三層正放四角錐桁架3的正交 叉點處。χ方向與y方向的預應力鋼索4在鋼索轉向支撐架10處正交叉后轉折，χ方向與 y方向的預應力鋼索4在交點處不相碰撞。在鋼索轉向支撐架10上裝有χ方向和y方向的 鋼索轉向定滑輪12，x方向與y方向的預應力鋼索4穿過鋼索轉向定滑輪12后轉折呈水平 線。以150mX 150m超大跨度平板型鋼網架為例，屋蓋面積A=22500m2，采用變高度的雙 層正放四角錐桁架2滿鋪，它沿ζ方向考慮排水需要為變截面Cr方向為變高度，中間大，兩 端小)，其_7方向亦為變高度，向截面最高在中間，逐次向兩邊減小結構高度，坡度i=0. 07 左右。沿_7方向每條雙層正放四角錐桁架2的上、下弦平行。當雙層正放四角錐網架整個 150mX 150m滿鋪后，形成一個方向變厚度的“網格板”。再在每邊合適的部位(此處為距該 “網格板”每邊約1/3部位)，利用原雙層正放四角錐桁架2的下弦網格作為下層正放四角錐 的上弦，即形成三層正放四角錐桁架3。整個平面如同鋼筋砼肋型樓蓋，即“雙層”部位為 “網格板”，“三層”部位為“網格梁”。正放四角錐網架等效為“網格板”時，其χ向板帶截面 面積，其作用的荷載為仏，產生的彎矩為折線鋼索產生的向上作用力為/^，產生的反彎 矩為，抗彎承載能力為AMpl ；雙層與三層網架等效為“肋型網格樓蓋”時，其ζ 方向的T形截面面積，其作用的荷載仏 > 仏，其向上作用的預應力效應^2 >/^，其預應力 產生的彎矩，其抗彎承載能力Δ#ρ2 > AMplo再在有“梁”部分，采用體內折線布 置鋼絲束后進行張拉，建立預應力后，預應力鋼索轉折點處產生四個由下向上與荷載作用 方向相反的作用力，它有提高結構剛度，改善結構各桿件內力分布的作用。雙層正放四角錐 桁架2由上弦5、下弦6、斜腹桿7組成，而三層正放四角錐桁架3的上弦亦為雙層正放四角 錐桁架2的下弦6，并通過下層斜腹桿8與三層正放四角錐桁架3的下弦桿9連接，從而形 成由絕大多數雙層網格和小部分三層網格組成的“擬肋型網格式樓蓋”。整個網格結構為周
5邊上承式簡支承，在三層正放四角錐桁架3部分其上承式支座11也是預應力鋼索4的張拉 端和錨固端。預應力鋼索4張拉及錨固均在上承式支座11進行。預應力鋼索4支座端向 下傾斜到鋼索轉向支撐架10后形成水平線。鋼索斜線與水平線之間，形成夾角，此處為三 層正放四角錐空間桁架3正交叉點，即z、_F向兩根預應力鋼索4均通過此節(jié)點，建立預應力 后，則χ方向折線點產生由下向上的作用力，_7方向拐折點產生由下向上的作用力，由于兩 個方向鋼索均在此處正交叉后拐折并要求在交點處不相碰撞，并各自分別產生向上作用力 于下弦桿的節(jié)點，在此處下弦鋼球節(jié)點上方焊接A 方向鋼索轉向的轉向定滑輪12，預應 力鋼索4在轉折點下方(χ方向)和上方(y方向)與定滑輪12下緣緊密接觸，建立預應力后， z，_F兩個方向的定滑輪分別產生向上作用力，兩者之和即為此處由下向上作用力，整個網格 結構產生由下向上作用力。由于預應力鋼索4與整個鋼網格結構已形成一個結構自平衡體 (如圖12所示)，A 方向轉折點相當于鋼網格結構中間部位設置了四個彈簧支座，它有減 小網格結構變形(撓度)改善結構內力分布并使結構大部分桿件內力減少，減小結構用鋼量 降低工程造價的功效。圖12為150mX150m超大跨度鋼網格結構在建立預應力后，即結構 的“成形態(tài)”整個結構的自平衡受力簡圖。從圖12可知預應力作用后，有兩大有利功能其 一，整個超大跨度下弦四節(jié)點相當有四個彈簧支座，它有減小結構撓度的作用，即提高了整 個結構的剛度；其二，它使結構很大部分桿件產生與荷載作用相反的桿件內力，即它使原本 受拉的下弦產生“預壓力”，原本受壓的上弦產生“預拉力”，整個結構的“使用狀態(tài)”=“成 形狀態(tài)” + “荷載狀態(tài)”，從而使整個網格結構很大一部分桿件內力減小，因此按桿件受拉或 受壓配制的鋼管截面自然減小，達到降低用鋼量的功效。 本實用新型的實施方式不限于上述實施例，在不脫離本實用新型宗旨的前提下做 出的各種變化均屬于本實用新型的保護范圍之內。
權利要求一種超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，包括網架(1),其特征在于所述的網架(1)由雙層正放四角錐桁架(2)構成，在網架(1)的每邊約1/3處沿x方向和y方向為三層正放四角錐桁架(3)；在三層正放四角錐桁架(3)上設置有預應力鋼索(4)。
2.根據權利要求1所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于所述的雙層正放四角錐桁架(1)由上弦(5)、下弦(6)和斜腹桿(7)組成，上弦(5)通過 斜腹桿(7)與下弦(6)連接。
3.根據權利要求2所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于所述的雙層正放四角錐桁架(2)沿χ方向為變截面，截面高度中間大，兩端小；沿y方向 每榀雙層正放四角錐桁架(2)的上弦(5)、下弦(6)相互平行。
4.根據權利要求1所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于所述三層正放四角錐桁架(3)的上弦為雙層正放四角錐桁架(2)的下弦(6)，并通過下 層斜腹桿(8 )與其下弦桿(9 )連接。
5.根據權利要求4所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于在所述三層正放四角錐桁架(3)的下弦桿(9)上設置有鋼索轉向支撐架(10);預應力鋼 索(4)的一端錨固在三層正放四角錐桁架(3)的上承式支座(11)上，另一端從上承式支座 (11)向下傾斜，穿過鋼索轉向支撐架(10)后轉折呈水平線，形成夾角ax。
6.根據權利要求5所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于所述的預應力鋼索(4)張拉并錨固在三層正放四角錐桁架(3)的上承式支座(11)上。
7.根據權利要求5所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于所述的鋼索轉向支撐架(10)位于χ方向和y方向三層正放四角錐桁架(3)的正交叉點 處。
8.根據權利要求5所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于x方向與y方向的預應力鋼索(4)在鋼索轉向支撐架(10)處正交叉后轉折，χ方向與y 方向的預應力鋼索(4)在交叉點處不相碰撞。
9.根據權利要求5所述的超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，其特征在 于在所述的鋼索轉向支撐架(10)上裝有χ方向和y方向的鋼索轉向定滑輪(12)，χ方向 與y方向的預應力鋼索(4)穿過鋼索轉向定滑輪(12)后轉折呈水平線。
專利摘要本實用新型公開了一種超大跨度變截面雙層與三層預應力肋梁式網架，包括網架(1),所述的網架(1)由雙層正放四角錐桁架(2)構成，在網架(1)的每邊約1/3處沿x方向和y方向為三層正放四角錐桁架(3)；在三層正放四角錐桁架(3)上設置有預應力鋼索(4)。本實用新型為超大跨度(120m≤L≤180m)空間鋼網格結構領域提供了一種新型的結構形式，克服了目前超大跨度鋼網格結構用鋼量過大的缺點，滿足“安全，合理，先進，經濟”設計要求，且施工簡單、可操作性強，與現有超大跨度鋼網格結構比較，能大幅度降低用鋼量，減少工程造價。
文檔編號E04B1/342GK201722778SQ20102016973
公開日2011年1月26日 申請日期2010年4月26日 優(yōu)先權日2010年4月26日
發(fā)明者劉建軍, 吳時強, 徐向東, 易偉健, 李云, 李正農, 申波, 肖巖, 胡嵐, 馬克儉 申請人:湖南大學;貴州大學;南京水利科學研究院