大跨度新型张弦桁架的制作方法 技术领域：
本发明涉及一种大跨度新型张弦桁架的制作方法，属于大跨度张弦屋盖结构技术领域。
背景技术：
目前，现有技术中的大跨度张弦屋盖结构使用得最普遍的是张弦梁结构，“张弦梁结构”最先由日本大学M.Saitoh教授在1984年首先提出，并在日本广泛应用于大、中、小跨度的屋盖结构中；在我国的上海浦东国际机场侯机楼的进厅、办票厅、商场和登机厅等四个大空间其跨度49.3m，82.6m，44.4m和54.3m，均分别采用张弦梁结构；2002年建成的广州国际会议展览中心屋盖，其跨度126m，也采用了″张弦桁架梁″结构体系，填补了国内的空白，并对此类结构体系有所发展，但仍属″张弦梁结构″体系的原理和构造特点。现有技术中″张弦梁结构″的定义为：用腹杆连接上部抗弯受压构件和下部抗拉构件而形成的自平衡体系；基本原理为：上弦杆和下弦杆均为圆弧外形，并用腹杆将上弦杆和下弦杆连接形成张弦桁架，将张弦桁架一端固定，另一端使其可以水平滑移，然后对下索张拉、索的预应力使上弦杆向内滑移使杆受弯，使腹杆受压，形成自平衡体系；自平衡体系形成后，吊至柱顶就位，安放柃条和屋面板等屋面节点荷载后即为使用阶段。现有技术中的这种张弦梁结构虽然具有许多优点，但仍然存在着几个比较大的问题：1、钢材用量大，制作成本高；2、由于其下拉索为柔性结构，在吊装时如果不小心，容易破坏已经形成的自平衡体系的张弦梁平衡结构，因此吊装比较困难；3、对于现代的大跨度建筑，一般均为轻屋面，在风荷载较大地区或台风区域，屋架形成与节点荷载相反地负压，此时现有张弦梁下部索拉力丧失，其自平衡体系亦不存在，安全度丧失，所以张弦梁结构要在屋面备重确保负压力结构不失去稳定和安全度，因此现有的张弦梁结构不适应于异常荷载的作用。由于现有的张弦梁结构存在上述问题，因此其使用效果还是不够理想。
发明内容：
本发明的目的是：提供一种钢材用量较低、吊装容易、结构稳定性能好、并适应于异常荷载的大跨度新型张弦桁架的制作方法，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：它包括上弦杆(1)和腹杆(2)，其特征在于：它先将上弦杆(1)按桁架所需几何尺寸成形，将腹杆(2)与上弦杆(1)通过焊接相贯连接，然后将成形后的上弦杆(1)在松弛处于零应力的状态下安放在工作台上后，并将上弦杆(1)的两端分别固定在工作台上的两个固定支座(6)上，然后在腹杆(2)的下端连接上一个节点套管(3)，并在每两个节点套管(3)之间都预先放置一个下弦钢管(4)，将钢索(5)穿过每个节点套管(3)和每个下弦钢管(4)，然后对钢索(5)进行张拉，并保持钢索(5)的张拉状态，在钢索(5)的张拉状态下，将每个下弦钢管(4)都分别与其两端的节点套管(3)焊接为一体，将钢索(5)的两端固定在上弦杆(1)的两头，使钢索(5)一直保持张拉状态，然后将固定在两个固定支座(6)上的上弦杆(1)的两端分别脱离两个固定支座(6)后即得大跨度新型张弦桁架；在腹杆(2)下端连接的每个节点套管(3)内都装有两个轴承(7)，并且在两个轴承(7)上装有一根用于支撑张拉钢索(5)的滚动轴(8)；节点套管(3)还可为球形结构。
由于采用了上述技术方案，本发明的张弦桁架结构实际是用斜腹杆连接抗拉受压上弦杆和抗压受拉下弦杆形成的自平衡体系。它的工作阶段分如下几步：
1)、零应力状态：在工作平台上按设计的几何尺寸形成管桁架或立体管桁架，其上弦杆(1)与腹杆(2)连接的上弦节点如同一般管桁架，采用相贯节点，其与腹杆(2)的下端连接的下弦节点在穿索同时把下弦钢管(4)套入，但作为下弦杆的下弦钢管(4)的两端暂时不与作为球节点的节点套管(3)焊接连接，即这时作为下弦杆的下弦钢管(4)不参加工作；
2)、预应力I状态：
当将上弦杆(1)的两端分别固定在工作台上的两个固定支座(6)上后，进行对钢索(5)张拉，钢索(5)的长度缩短，对斜腹杆(2)产生压力，导致上弦杆(1)受拉(而非受弯)，下弦钢索(5)受拉；
3)、预应力II状态：
在上弦杆(1)两端的支座(6)的固定点未放松前，将作为下弦杆的未焊接的下弦钢管(4)与作为球节点的套管(3)焊接连接，形成刚性桁架后，放松两端支座(解除约束)，此时索的预拉力通过两端索的锚板传给支座节点，即向桁架下侧作用一个向内的压力，使桁架内力发生变化，此时桁架下弦杆受压，上弦杆大部分受拉，但拉力比预应I阶段要小，两端上弦杆也可能现较小压力，而腹杆出现有压有拉现象，此时下弦钢管均受压，钢索如同退出工作(间接效应)，预应力II阶段状态，实质上就是一般预应力钢桁架的工作状态；
4)、上弦节点荷载工作状态：
如一般钢桁架受力状态一样，比阶段上弦受压，下弦受拉腹杆压、拉相同变化，且从支座第一节间后，其他节间为拉、压变化，恰与预应力II状态相反(压、拉变化)，将预应力I状态，II状态及荷载作用三个状态内力叠加，即使用荷载作用受力如下：
①、上弦杆为两个拉力加一个压力，压力减小显著，无弯曲应力存在；
②、下弦杆一个压力与一个拉力叠加，下弦拉力也显著减小；
③、腹杆也是压力与拉力叠加，最后是压力显著减小，从理论上分析本发明的“张弦桁架结构”在合理的预应力作用下，可作到按构造杆设计，从而使结构用钢量大幅度下降。
根据以上分析，本发明与现有的张弦梁结构相比，本发明具有以下的特点：
1、用钢量的的比较：
现有技术中的张弦梁的两个阶段应力叠加后，上弦形成大偏心受压，用钢量陡增，而本发明的张弦桁架的上弦杆三个阶段拉、压力叠加，杆件截面显著减小，不仅上弦杆用钢量减少，而且下弦杆及腹杆的用钢量亦显著下降，其用钢量下降幅度可达50％左右，从而达到降低造价的目的；
2、节点构造比较：
现有技术中的张弦梁上弦轴铰，其压力传给轴，再以剪力传给上弦，轴铰的制作费用亦高于一般相贯节点，张弦梁下弦索球由铸钢形成，需要特殊加工，而本发明的张弦桁架的轴及轴承可制作成标准件，可由一般轴承厂均可加工，且费用较低，构造简单易行；
3、异常荷载作用下的性能比较：
现代的大跨度建筑，一般均为轻屋面，在风荷载较大地区或台风区域，屋架形成与节点荷载相反的负压，此时现有技术的张弦梁下部的索拉力丧失，其自平衡体系亦不存在，安全度丧失，所以现有技术中的张弦梁结构要在屋面进行备重，以确保负压力结构不失去稳定和安全度；而本发明的张弦桁架的下弦有管，就如同一般管桁架一样，在负压作用既使下弦受压，也可确保结构的稳定和安全度，其支撑体系完全按管桁架支撑体系处理，简单易行；
4、施工安装的难易程度比较：
a、现有技术中的张弦梁下部只有索球，其腹杆(均为压杆)与上弦均为轴铰，张拉时下弦节点应有装置控制索球左右移动，而又要确保索球产生向上的位移，施工辅助设备增多，难度较大，而本发明的张弦桁架下索通过轴传力给轴承，其摩擦力大大减小，使下节点左右摆动本来就小，更何况腹杆组成形成三角形，下弦节点自由度已给予约束，无需每个下弦节点增加辅助装置，从而大大减少施工费用。
b、现有技术中的张弦梁在吊装时，要严格控制使下索拉力丧失的施工荷载，而本发明的张弦桁架成形后即为一般管桁架，吊装方法如同常规的管桁架，自然非常易于安装实施。
5、综合造价比较：
从用钢量节点构造，施工辅助设备和施工方法比较，本发明的张弦桁架与现有技术中的张弦梁造价相比可下降45％～50％的造价。
因此，本发明与现有技术相比，本发明具有钢材用量低、吊装容易、造价低廉、结构稳定性能好、并适应于异常荷载的优点。
附图说明：
附图1为制作本发明的张弦桁架时的结构示意图；
附图2为本发明的腹杆与上弦杆相贯连接时的结构示意图；
附图3为本发明的腹杆与节点套管和下弦钢管连接时所形成的下弦节点结构示意图；
附图4为采用本发明的张弦桁架屋盖的示意图。
具体实施方式：
本发明的实施例：上弦杆(1)和腹杆(2)以及下弦钢管(4)最好采用45号钢管制作，上弦杆(1)可采用双上弦杆的结构，并通过连接杆(9)将两根上弦杆(1)连接为一体，制作时，先将上弦杆(1)按桁架所需的几何尺寸成形，然后将腹杆(2)与上弦杆(1)通过焊接相贯连接，然后将焊接好腹杆(2)的成形后的上弦杆(1)在松弛处于零应力的状态下安放在工作台的平面上后，将上弦杆(1)的两端分别固定在工作台上的两个固定支座(6)上，然后在腹杆(2)的下端按常规桁架的方式连接上一个节点套管(3)，最好将节点套管(3)制作成球形的结构，为了减少张拉时的摩擦力，可在腹杆(2)下端连接的每个节点套管(3)内都装上两个轴承(7)，并且在两个轴承(7)上装一根用于支撑张拉钢索(5)的滚动轴(8)；然后在每两个节点套管(3)之间都预先放置一个下弦钢管(4)，并使下弦钢管(4)的两端与节点套管(3)之间预留出3～7毫米的间隙，将钢索(5)穿过每个节点套管(3)和每个下弦钢管(4)，然后按常规方法以上弦杆(1)的两端为支撑点对钢索(5)进行张拉，并保持钢索(5)的张拉状态，在钢索(5)的张拉状态下，将每个下弦钢管(4)都分别与其两端的节点套管(3)焊接为一体，并使钢索(5)的两端固定在上弦杆(1)的两头，使钢索(5)一直保持张拉状态，然后将固定在两个固定支座(6)上的上弦杆(1)的两端分别脱离两个固定支座(6)后即得大跨度新型张弦桁架。