自适应承载式预应力钢桁架系统 【技术领域】
本发明涉及一种预应力钢桁架，特别是一种适合抵抗反复荷载作用的自适应承载式预应力钢桁架系统。
背景技术
当代社会的发展和人类物质文化生活水平的提高不断对建筑物的功能、审美提出新的标准与要求，设计师越来越青睐大而轻巧的建筑造型。例如，在现代设计中，设计师往往希望建筑构件的一个维度尺寸比较大，而另外两个维度的尺寸越小约好，这就产生了结构刚度、承载能力与构件横截面尺寸之间的矛盾。
传统上，对承受单向横向荷载作用的构件，通常可在构件的受拉边缘一侧设置预应力拉索施加预应力，来改善结构内力分布，提高结构刚度，提高结构承载力。而现实工程中，经常出现一些承受反复荷载的构件，例如，既承受风压力又承受风吸力的大跨度墙梁和立柱等构件，当构件承受风压力时，在构件受拉边缘设计预应力拉索可以提高结构刚度，增大结构承载力；而当构件承受风吸力时，则此时的预应力就与风荷载的作用方向一致，变成了不利作用。而现有的技术中，对这种承受反复荷载的大跨度构件，目前还仅仅是依靠增大构件的截面来提高结构的刚度，控制结构在荷载作用下的变形。这样，往往造成结构构件的笨重、粗壮，不够美观，不能符合设计师的设计意图。
为此，需要提供一种自适应承载式预应力钢桁架系统
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种自适应承载式预应力钢桁架系统，其能适应双向横向荷载，且不会造成结构构件的笨重、粗壮和不美观。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种自适应承载式预应力钢桁架系统，其包括内弦杆、外弦杆，在所述内弦杆和所述外弦杆之间连接有腹杆，在所述内弦杆、所述外弦杆中均设置预应力拉索。这样充分利用了钢构件和预应力拉索的特性，从而使得该钢桁架系统的结构刚度好，承载力大，同时由于内、外弦杆内均设置预应力拉索，使得该钢桁架系统能够根据系统的受荷情况自适应地调整各组成构件的受力状态，特别适用于承受双向反复横向荷载。
进一步地，在所述内弦杆和所述外弦杆的连接节点上也设置预应力拉索。
进一步地，所述预应力拉索由限位器固定在所述内弦杆或者所述外弦杆内，并使所述预应力拉索在横截面内处于所述内弦杆或者所述外弦杆的中央，所述内弦杆或者外弦杆与所述腹杆连接的节点位置设置限位器。限位器能够将预应力拉索固定在适当的位置，防止预应力拉索移动，难于控制。
优选地，所述钢桁架可采用平面桁架或空间桁架。
优选地，所述内弦杆和所述外弦杆为闭口截面的钢管。
优选地，所述内弦杆和所述外弦杆为开口截面的钢构件。
优选地，所述限位器包括穿束限位部件和支撑限位部件。所述支撑限位部件连接于所述穿束限位部件与所述内弦杆或所述外弦杆之间。
优选地，所述穿束限位部件为钢管套或者钢环，所述支撑限位部件为圆钢或者钢板。
这样使得，本发明的钢桁架能够有效地提高建筑空间的利用率，较好地满足建筑效果。
优选地，所述预应力拉索的预应力施加与所述钢桁架系统所受的反复荷载相匹配。
优选地，所述预应力拉索为无粘结高强低松弛钢绞线。
优选地，所述预应力拉索为高强、高弹性模量、低松弛的钢绞线。
【附图说明】
图1为现有技术中未设置预应力拉索的钢桁架系统的示意简图；
图2为仅在单边竖杆设置预应力拉索的钢桁架系统的示意简图；
图3为本发明自适应承载式预应力钢桁架系统的第一个实施例的示意简图；
图4为本发明自适应承载式预应力钢桁架系统的第二个实施例的示意简图；
图5为本发明自适应承载式预应力钢桁架系统的第三个实施例的示意简图；
图6为内/外弦杆为闭口截面时的截面示意图；
图7为内/外弦杆为开口截面时的截面示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图详细介绍本发明的具体实施例。
图1为现有技术中未设置预应力拉索的钢桁架系统的示意简图；图2为仅在单边竖杆设置预应力拉索的钢桁架系统的示意简图；图3-图5为本发明自适应承载式预应力钢桁架系统的三个实施例的示意简图。在这5个对比的简图中，标记1表示内弦杆，标记2表示外弦杆，标记3表示腹杆，标记4表示第一预应力拉索，标记5表示第二预应力拉索。
如图3-图5所示，三个实施例仅预应力拉索的设置位置有差异。各个实施例地自适应承载式预应力钢桁架系统均包括内弦杆1、外弦杆2，在内弦杆1和外弦杆2之间连接有腹杆3。其中，在图3所示的实施例中，在内弦杆1、外弦杆2内分别设置有预应力拉索4、5。在图4、图5所示的实施例中，在内弦杆1、外弦杆2以及两者相连的节点中均设置预应力拉索，只是图4、图5的实施例中，预应力拉索的形式有些差异(详见附图4、5)
优选地，上述预应力拉索4、5由限位器固定在内弦杆或者外弦杆内，并使预应力拉索在横截面内处于内弦杆或者外弦杆的中央，内弦杆或者外弦杆与所述腹杆连接的节点位置必须设置限位器。更进一步地，限位器包括穿束限位部件和支撑限位部件，支撑限位部件连接于穿束限位部件与内弦杆或外弦杆之间。
如图6所示，内弦杆1、外弦杆2和腹杆3均可采用圆钢管、矩形钢管等闭口截面的钢管；穿束限位部件为钢管套6，支撑限位部件为圆钢7，此时先将拉索穿入钢套管6，并通过计算，将预定数量的钢管套用细铁丝等固定于拉索长度方向上的预定位置，这样，张拉完成后，圆钢7将预应力拉索(4/5)限定于内弦杆1或外弦杆2截面的中央(如图6的剖视图所示)。
如图7所示，内弦杆1、外弦杆2和腹杆3均可采用H型钢、槽钢等开口截面的钢构件，穿束限位部件为钢环9，支撑限位部件为钢板8。此时，预应力拉索(4/5)穿入钢环9并通过钢板8固定在内弦杆1或外弦杆2截面的中央(如图7的剖视图所示)。
上述第一、二、三个实施例中，预应力拉索(4/5)可采用无粘结高强低松弛钢绞线或其它高强低松弛材料，尤其是高强、高弹性模量、低松弛的材料。预应力拉索的预应力施加与所述钢桁架系统所受的反复荷载相匹配。
上述各实施例的自适应承载式钢桁架系统的施工方法，具体包括如下步骤：
(1)首先用钢材分别制作成桁架构件、限位器。所述的构件包括内弦杆1、外弦杆2和腹杆3，所述的限位器由钢套管6或钢环9等穿束限位部件和圆钢7或钢板8等支撑限位部件组焊而成。
(2)当钢桁架弦杆(1/2)、腹杆3制作采用开口截面时，限位器支撑钢板8与钢桁架弦杆(1/2)、节点在设计位置连接牢固；当钢桁架弦杆(1/2)、腹杆3制作采用闭口截面时，限位器通过圆钢7支撑在钢桁架弦杆(1/2)、节点设计位置的中央，不与弦杆(1/2)、节点连接。
(3)当钢桁架弦杆(1/2)、腹杆3采用开口截面时，可按常规方法直接完成预应力拉索(4/5)的穿束；当钢桁架弦杆(1/2)、腹杆3采用闭口截面时，先将拉索(4/5)穿入钢管套，并通过计算，将预定数量的钢管套用细铁丝等固定于拉索(4/5)长度方向上的预定位置，这样，预应力拉索(4/5)张拉完成后，限位器按预想要求将预应力拉索(4/5)支撑在钢桁架弦杆(1/2)、节点设计位置的中央。
(4)桁架内弦杆1、外弦杆2中的预应力拉索(4/5)应对称平行张拉，或根据计算确定的张拉次数及张拉次序交替平行张拉以完成预应力的施加。
下面以本发明应用于承受风压力与风吸力的幕墙立柱为例，通过计算对比分析进一步证明本发明的效果。
(1)计算说明
本例中构造了承受反复横向均布荷载的普通钢管桁架、单边张拉预应力钢管桁架、双边张拉预应力钢管桁架3种情况。其中，桁架弦杆截面均采用Φ89×6，腹杆截面均采用Φ48×3.5，材质均为Q345B，拉索均采用2束7Φj5高强低松弛预应力钢绞线，预应力拉索的初始张力均为200kN，桁架高20m，宽2m，两端铰接，桁架右侧弦杆节点分别承受±10kN的横向节点荷载，计算分析采用ANSYS 11.0。
(2)计算结果对比分析
3种工况下计算结果
(3)小结
从计算分析结果可以看出，对于承受反复横向荷载的结构，传统的单边设置预应力拉索的钢桁架当预应力的作用与荷载作用方向一致时，施加的预应力会增大结构内力与变形而变为不利作用。而本发明提出的结构体系中，受压弦杆一侧预应力拉索通过与主体结构的变形协调而降低拉索索力，从而削弱对结构的不利影响直至失效；而受拉一侧的预应力拉索通过与主体结构的变形协调而伸长，从而增大索力、增强结构整体刚度、改善结构内力分布以达到对结构有益作用。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。