一种短撑杆式新型张弦桁架及其制作方法.pdf

本发明公开了一种短撑杆式新型张弦桁架及其制作方法，它采用梭形桁架为架体，并在梭形桁架的下弦上连接有一排短撑杆。短撑杆以竖直直撑杆式或以V字形斜撑杆式的形式与梭形桁架的下弦节点刚性连接。在梭形桁架的下弦上固定有短撑杆，在短撑杆的下端固定有轴架，在轴架上装有轴承和轴，钢索压在轴上，钢索在张拉状态下其两端分别固定在梭形桁架的两端支座节点上。在轴的中央开有弧形凹槽，钢索紧贴在凹槽上；在短撑杆与梭形桁架之间及在短撑杆与轴架之间都固定连接有加劲板。短撑杆的长度为0.3m～2.0m。本发明具有钢材用量低、构造简单、制作成本低、性能好、施工容易，并能适应于风吸力荷载等优点。

1.  【文件来源】电子申请

2.  【收文日期】2004-10-27

3.  【申请号】

4.  【权利要求项】
【权利要求1】一种短撑杆式新型张弦桁架的制作方法，其特征在于：它采用梭形桁架为架体，并在梭形桁架的下弦上采用刚性连接的方法连接有一排短撑杆，然后以梭形桁架的两端支座节点和每根短撑杆的顶端节点为钢索的支撑点，并以梭形桁架的两端支座节点为支点对钢索进行张拉，然后将张拉后的钢索的两端分别固定在梭形桁架的两端支座节点上，即制作得短撑杆式新型张弦桁架。
【权利要求2】根据权利要求1所述的短撑杆式新型张弦桁架的制作方法，其特征在于：短撑杆以竖直直撑杆式的形式或以V字形斜撑杆式的形式与梭形桁架的下弦节点刚性连接。
【权利要求3】一种短撑杆式新型张弦桁架，它包括梭形桁架(1)，其特征在于：在梭形桁架(1)的下弦上固定有短撑杆(2)，在短撑杆(2)的下端固定有轴架(4)，在轴架(4)上装有轴承(5)，在轴承(5)上装有轴(6)，钢索(3)压在轴(6)上，并且钢索(3)在张拉状态下其两端分别固定在梭形桁架(1)的两端支座节点上。
【权利要求4】根据权利要求3所述的短撑杆式新型张弦桁架，其特征在于：在轴(6)的中央开有弧形凹槽，钢索(3)紧贴在凹槽上。
【权利要求5】根据权利要求3所述的短撑杆式新型张弦桁架，其特征在于：在短撑杆(2)与梭形桁架(1)之间及在短撑杆(2)与轴架(4)之间都固定连接有加劲板(7)。
【权利要求6】根据权利要求3所述的短撑杆式新型张弦桁架，其特征在于：短撑杆(2)的长度为0.3m～2.0m。

一种短撑杆式新型张弦桁架及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种短撑杆式新型张张弦桁架及其制作方法，属于大跨度张弦桁架技术领域。
背景技术：
近十多年来，我国钢结构为主体的建筑愈来愈多，其中在大型公共建筑中如航展楼，会展中心，工业建筑中的干煤棚等，其建筑平面形式以矩形居多，对于大跨度的矩形平面的屋盖，常采用管桁架结构和张弦梁结构。管桁架结构，一般指“拟梁式”受力体系的平面或空间管桁架结构，如深圳机场航站楼二期工程(135m×174m)采用的管桁结构(柱网18m×54m)，南京国际展览中心(94m×273m)，温州会展中心等也都采用了这类结构，其特点是“网格大、管径大、桁架于桁架间距大”，最适于长宽比大于1.5～2.0的矩形平面，但其用钢量偏大。张弦梁结构简称“BSS”是Beam String Structure的缩写，它是一类由下弦索、上弦梁和竖腹杆组成的索杆、梁结构体系，通过对下弦索的张拉，竖腹杆的轴压力使上弦梁产生与外荷载作用相反的内力和变位，起卸载作用。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、小跨度的屋面结构中，其定义为“用撑杆连接上部抗弯受压的拱式箱形钢梁和下部抗拉钢索而形成的自平衡体系”。其基本原理为：上弦杆和下弦杆均为圆弧外形，并用腹杆与上弦杆和下弦杆铰接形成张弦梁，将张弦梁一端固定，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，使撑杆受压，索受拉，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。我国于20世纪90年代后期建成的上海浦东国际机场航站楼屋盖就是一项有代表性的大跨度张弦梁结构，其售票厅和登机廊的跨度分别达到82.6m和54.3m，它的上弦由三根平行方钢管以短管相连而成，腹杆则为圆钢管，下弦采用高强冷拔镀锌钢丝束。2002年建成的广州国际会议中心屋盖，跨度126.6m，采用一种新的“张弦桁架”结构体系，填补了国内的空白，并对此类结构体系有所发展，其定义为“用撑杆连接上部抗弯受压的拱式平面或立体桁架和下部抗拉钢索而形成的自平衡体系”，简称“TSS”是TrussString Structure的缩写，它的上弦实际上是拱式空间立体桁架式“曲梁”，撑杆与上弦桁架式拱下弦铰接，下弦索穿过索球，在张拉成形阶段，上部桁架受弯，其弯曲应力分布在桁架上，桁架上部两杆受拉，下部单杆受压，撑杆受压，下索受拉，撑杆和下索如同张弦梁，增大压力和拉力，上弦桁架仍然是弯曲应力与压应力叠加，从其构造和形成原理分析仍属“张弦梁结构”，将其定名为“张弦桁架”似有不妥，它并没有离开张弦梁结构的定义。现有技术中的“张弦梁结构”虽然具有许多优点，但仍然存在以下几个问题：1、上部的弧形拱梁或弧形桁架导致截面压应力叠加，为加强张弦梁的承载能力和结构刚度，只有加大上部拱式箱形钢梁和下部钢索的截面面积，使用钢量增加；2、撑杆与上部拱式箱形钢梁轴铰连接，与下部钢索用索球通过高强螺栓夹紧球铰连接，构造复杂，增大了结构的制作加工费用，使成本增加；3、平行设置的长撑杆为6m～12m，其对结构的抗剪刚度几乎无贡献，其抗剪刚度仅仅由箱梁腹板或拱架腹杆来承担，抗剪刚度较低；4、施工复杂，施工工艺费用较高，必须在地面先成形，然后吊装；5、在风荷载较大地区或台风地区，屋架形成与节点荷载相反的负压，风吸力使张弦梁下部的索拉力丧失，其自平衡体系不存在，安全性变差，此时要在屋面配重或拉索，以确保负作用力大而不失去稳定，这样又使得用钢量增加，造价升高。
发明内容：
本发明的目的在于：提供一种钢材用量低、构造简单、制作成本低、性能好、施工容易，并能适应于风吸力荷载的短撑杆式新型张弦桁架及其制作方法，它简称“NTTSS-SSB”(是New Type Truss String Structure of Short Strat Bracing的缩写)，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：
本发明的短撑杆式新型张弦桁架的制作方法为：它采用传统的梭形桁架为架体，并在梭形桁架的下弦上采用刚性连接的方法连接有一排短撑杆，其短撑杆以竖直直撑杆式的形式或以V字形斜撑杆式的形式与梭形桁架的下弦节点刚性连接，然后以梭形桁架的两端支座节点和每根短撑杆的顶端节点为钢索的支撑点，并以梭形桁架的两端支座节点为支点对钢索进行张拉，然后将张拉后的钢索的两端分别固定在梭形桁架的两端支座节点上，即制作得短撑杆式新型张弦桁架。
本发明的短撑杆式新型张弦桁架为：它包括梭形桁架(1)，在梭形桁架(1)的下弦上固定有短撑杆(2)，在短撑杆(2)的下端固定有轴架(4)，在轴架(4)上装有轴承(5)，在轴承(5)上装有轴(6)，钢索(3)压在轴(6)上，并且钢索(3)在张拉状态下其两端分别固定在梭形桁架(1)的两端支座节点上；在轴(6)的中央开有弧形凹槽，钢索(3)紧贴在凹槽上；在短撑杆(2)与梭形桁架(1)之间及在短撑杆(2)与轴架(4)之间都固定连接有加劲板(7)；短撑杆(2)的长度为0.3m～2.0m。
由于采用了上述技术方案，本发明实际上是“用短撑杆连接上部正、反抗弯的梭式桁架梁和下部受拉索而形成的结构自平衡体系”。其工作阶段分为如下两步：
1、结构成形阶段(“成形态”)：由于短撑杆(2)的作用力使梭形桁架(1)的上弦杆轴心受拉，下弦杆受压，腹杆压、拉相间，支座张拉力水平分力由桁架下弦杆承担，下弦杆受压；支座张拉力的垂直分力由两端支座承担，张拉成形时，支座无过大的水平滑移，下部钢索(3)受拉，而形成结构自平衡体系。
2、梭形桁架上弦节点荷载作用状态下(“荷载态”)：上部梭形桁架(1)的上弦杆受压，下弦杆受拉，斜腹杆从两端支座起，压、拉相间，下部钢索(3)拉力增加，将两种工作状态的内力分别叠加后，梭形桁架(1)的上弦杆压应力减小，下弦杆的拉应力减小，下部钢索(3)的拉力加大，而腹杆地拉、压力也相应减小，短撑杆(2)压力增大，从结构强度分析，主要受力杆件即梭形桁架(1)的上弦杆、下弦杆内力减小，下部钢索(3)拉力增加，而钢索的抗拉强度是Q235和Q345钢管抗拉强度的5～7倍，合理的布索和结构选型能达到提高结构承载力和减小形变的能力，从而减少用钢量。
根据以上的分析，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、常规的张弦梁(“BSS”)和张弦桁架梁(“TSS”)的长撑杆上部为拱式钢板箱形截面梁和拱式管桁架，在使用阶段它为压弯构件，受弯、受压和受剪，长撑杆受压，下部索受拉；而本发明的短撑杆的上部为简支承的承受正、反抗弯的梭形空间桁架，其在使用阶段各杆件只是受轴向的拉力和压力，而且内力叠加使其轴力呈减小趋势，结构杆件截面面积大幅减小，使用钢量下降；2、短撑杆与梭形桁架下弦杆采用刚性连接，与下部钢索无需使用索球和高强螺栓球铰连接，而是与钢索滚动摩擦连接，结构简单易行，制作成本低；3、本发明的短撑杆极短，在0.3m～2.0m之间，而常规的张弦梁(“BSS”)和张弦桁架梁(“TSS”)的撑杆长度为6m～12m，短撑杆的长度仅为“BSS”和“TSS”的撑杆长度的8.3％～16.6％之间，结构的抗剪承载力由梭形桁架斜腹杆的拉、压力承担，抗剪刚度显著提高；4、常规的“BSS”和“TSS”在张拉时，支座的一端固定，一端可以自由水平滑动，其未张拉前的跨度为L1＝L0+Δ1(L0为设计跨度)，张拉后，支座一端因受索的拉力向内水平滑移Δ1，从而得到设计跨度L0，其施工设备复杂，施工难度大，而本发明的新型张弦桁架在张拉前后其结构变形小，无过大的水平滑移，跨度不改变，这样使得其施工设备减少，施工简单易行，既可在地面成形，也可在高空拼装成型；5、轻屋面在风的吸力作用下，即使钢索拉力丧失，梭形桁架下弦杆由受拉变为受压，也不会造成结构失稳现象出现，因此无需配重，从而使得用钢量大大减少，降低造价。
附图说明：
图1为本发明的短撑杆以竖直直撑杆式的形式与梭形桁架连接时的结构示意图；
图2为图1的截面示意图；
图3为短撑杆与梭形桁架下弦相贯连接示意图；
图4为图3的左向侧视图；
图5为轴架与轴、轴承、钢索的安装位置示意图；
图6为现有技术中“BSS斣谡爬  凹罢爬  蟮谋湫吻榭鏊得骷蛲迹
图7为本发明张拉前后跨度未发生改变的简图；
图8为本发明的短撑杆以竖直直撑杆式的形式与上部为空间立体梭式桁架式“梁”的梭形桁架连接的结构示意图；
图9为图8的截面示意图；
图10为本发明的短撑杆以V字形斜撑杆式的形式与梭形桁架连接时的结构示意图；
图11为图10的截面示意图；
图12为本发明的短撑杆以V字形斜撑杆式的形式与上部为空间立体梭式桁架式“梁”的梭形桁架连接时的结构示意图；
图13为图12的截面示意图。
具体实施方式：
本发明的实施例1：如图1所示，它采用梭形桁架(1)为架体，并在梭形桁架(1)的下弦上焊接一排长度为0.3m～2.0m的竖直短撑杆(2)，每根短撑杆(2)相互之间的间距控制在梭形桁架(1)的1～2个节间距，在每根竖直短撑杆(2)的下部都焊接一个轴架(4)，在每个轴架(4)和每根竖直短撑杆(2)之间以及每根竖直短撑杆(2)与梭形桁架(1)之间都焊接上加劲板(7)，在每个轴架(4)上装上两个滚动轴承(5)，并在滚动轴承(5)上都装上一根轴(5)，在轴(5)的中央开弧形凹槽，将钢索(3)分别贴在每根轴(5)的凹槽上，然后以梭形桁架(1)的两端支座节点和每根竖直短撑杆(2)的顶端节点为钢索(3)的支撑点在梭形桁架(1)的两端支座节点上对钢索进行张拉，并将张拉后的钢索(3)的两端分别固定在梭形桁架(1)的两端支座节点上后，即为短撑杆式新型张弦桁架。
本发明的实施例2：如图8所示，先按传统方式将梭形桁架(1)的上部做成空间立体梭式桁架式“梁”，其余制作方法同实施例1。
本发明的实施例3：如图10所示，它采用梭形桁架(1)为架体，并在梭形桁架(1)的下弦上焊接一排长度为0.3m～2.0m的V字形斜短撑杆(2)，每个V字形斜短撑杆(2)底端顶点相互之间的间距控制在梭形桁架(1)的1～2个节间，在每根V字形斜短撑杆(2)的下部焊接一个轴架(4)，在每个轴架(4)和每根V字形斜短撑杆(2)之间以及每根V字形斜短撑杆(2)与梭形桁架(1)之间都焊接上加劲板(7)，在每个轴架(4)上装上两个滚动轴承(5)，并在滚动轴承(5)上都装上一根轴(5)，在轴(5)的中央开弧形凹槽，将钢索(3)分别贴在每根轴(5)的凹槽上，然后以梭形桁架(1)的两端支座节点和每根竖直短撑杆(2)的顶端节点为钢索(3)的支撑点在梭形桁架(1)的两端支座节点上对钢索进行张拉，并将张拉后的钢索(3)的两端分别固定在梭形桁架(1)的两端支座节点上后，即为短撑杆式新型张弦桁架。
本发明的实施例4：如图12所示，先按传统方式将梭形桁架(1)的上部做成空间立体梭式桁架式“梁”，其余制作方法同实施例3。