一种张弦悬臂梁结构及其应用和施工方法.pdf

本发明公开了一种张弦悬臂梁结构及其应用和施工方法，它包括悬臂梁和压杆，悬臂梁上设有上弦索和竖杆，在悬臂梁下部设有稳定索，由此构成单榀张弦悬臂梁结构。悬臂梁的端部设有支座，悬臂梁的端部与支座是铰支座连接。本发明提供的一种张弦悬臂梁结构，可将单榀张弦悬臂梁沿环向阵列，并用环梁相连，构成挑蓬结构。将上述张弦悬臂梁结构应用于体育场挑蓬结构中。本发明所提供的张弦悬臂梁结构具有以下优点：可实现一端约束，这样可用于体育场挑蓬结构中；构件以承受轴力为主，充分发挥材料的强度；结构具有自我调节，自我保护的功能。

1.  一种张弦悬臂梁结构，它包括悬臂梁(5)和压杆(3)其特征在于悬臂梁(5)上设有上弦索(1)和竖杆(2)，在悬臂梁(5)下部设有稳定索(4)，由此构成单榀张弦悬臂梁结构(7)。

2.  根据权利要求1所述的一种张弦悬臂梁结构，其特征在于悬臂梁(5)的端部设有支座(6)，悬臂梁(5)的端部与支座(6)是铰支座连接。

3.  根据权利要求1或2所述的一种张弦悬臂梁结构，其特征在于将单榀张弦悬臂梁(7)沿环向阵列，并用环梁(8)相连，构成挑蓬结构。

4.  一种上述张弦悬臂梁结构的应用，其特征是应用于体育场挑蓬结构中。

5.  根据权利要求3所述的一种张弦悬臂梁结构的施工方法，其特征是首先将悬臂梁(5)、竖杆(2)、压杆(3)及上弦索(1)按照成形后的尺寸制作并安装就位；之后用环向构件环梁(8)将各榀张弦悬臂梁结构(7)连接在一起形成整体；最后，安装稳定索(4)并施加预应力至确定的设计拉力值。

一种张弦悬臂梁结构及其应用和施工方法
技术领域
本发明涉及建筑钢结构领域，特别是一种能用于大型体育场挑蓬结构的张弦悬臂梁结构及其应用和施工方法。
背景技术
钢梁是钢结构工程中最重要的承力构件之一，由于梁的刚度与跨度的三次方成正比，因此有效提高大跨度梁的刚度何承载能力一直是人们研究的重要问题之一。张弦梁结构是由日本大学M.Saitoh教授在二十世纪八十年代初首先提出的，当时的描述为“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”。自从M.Saitoh教授提出张弦梁结构这一新型杂交空间结构形式以来，得到了不少应用。我国的上海浦东国际机场、广州国际会展中心等工程采用了张弦梁结构。
M.Saitoh教授所提出的张弦梁结构是在简支梁的基础上施加预应力和压杆而得到的，必须提供双边支承。对于大型体育场挑蓬结构，两边都是简支边是不行的，因为一侧的支承柱会阻挡观众视线。所以，目前对大型体育场挑蓬结构还没有一种理想的张弦梁结构。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种具有良好的受力性能，能充分发挥材料的强度、特别适用于构建大型体育场挑蓬结构的一种张弦悬臂梁结构及其应用和施工方法。
为了达到上述目的，本发明所设计的一种张弦悬臂梁结构，它包括悬臂梁和压杆，悬臂梁上设有上弦索和竖杆，在悬臂梁下部设有稳定索，由此构成单榀张弦悬臂梁结构。悬臂梁的端部设有支座，悬臂梁的端部与支座是铰支座连接。
本发明提供的一种张弦悬臂梁结构，可将单榀张弦悬臂梁沿环向阵列，并用环梁相连，构成挑蓬结构。
将上述张弦悬臂梁结构应用于体育场挑蓬结构中。当用于建造由多榀张弦悬臂梁组成的挑蓬结构时，所述的一种张弦悬臂梁结构的施工方法，是首先将悬臂梁、竖杆、压杆及上弦索按照成形后的尺寸制作并安装就位；之后用环向构件环梁将各榀张弦悬臂梁结构连接在一起形成整体；最后，安装稳定索并施加预应力至确定的设计拉力值。
当结构承受向下荷载时，拉索承受拉力，压杆承受压力，共同作用抵抗悬臂端弯矩，索中的拉力由连续的索传给基础，传力路径如图5所示。与悬臂梁相比，当悬臂梁上受向下1kN/m的线荷载时，分析可得张弦悬臂梁中悬臂端承受的弯矩仅为悬臂梁的1/10；荷载产生的弯矩约90％转化为拉索拉力与压杆压力，明显改善了结构的受力性能，充分发挥材料的强度。当受到向上的风荷载吸力时，悬臂梁端部的弯矩近80％转化为稳定索的拉力，同样达到了充分发挥不同构件优势的目的，改善了结构的受力性能，其传力路径如图6所示。
悬臂梁的端部与支座是铰支座连接，当结构受到地震、台风、爆炸等偶遇荷载时，结构会在铰支座处转动，可将偶遇荷载的能量传递和转化，大大减轻这些荷载对结构的冲击破坏，实现结构的自我保护。
与背景技术相比，本发明所提出的张弦悬臂梁结构具有以下优点：
(1).可实现一端约束，这样可用于体育场挑蓬结构中。
(2).构件以承受轴力为主，充分发挥材料的强度；
(3).结构具有自我调节，自我保护的功能。
附图说明
图1张弦悬臂梁结构示意图；
图2由张弦悬臂梁结构构成的体育场挑蓬结构示意图；
图3受向下荷载时结构的传力路径示意图；
图4受向上荷载时结构的传力路径示意图；
图5上弦索与竖杆或压杆连接节点图；
图6是图5的侧视图；
图7后索与地锚连接节点图；
图8是图7的侧视图。
其中：上弦索1、竖杆2、压杆3、稳定索4、悬臂梁5、支座6、单榀张弦悬臂梁结构7、环梁8、后索9、双层PE防腐钢丝10、索长调节装置11、预埋连接件12。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种张弦悬臂梁结构，它包括悬臂梁5和压杆3，悬臂梁5上设有上弦索1和竖杆2，在悬臂梁5下部设有稳定索4，由此构成单榀张弦悬臂梁结构7。悬臂梁5的端部设有支座6，悬臂梁5的端部与支座6是铰支座连接。
实施例2
本实施例提供的一种张弦悬臂梁结构是一种预应力结构，需要靠上弦索1和稳定索4的预应力达到最后的成形状态。因此，如图2所示，结合该结构的具体特点可将单榀张弦悬臂梁7沿环向阵列，并用环梁8相连，构成挑蓬结构。将上述张弦悬臂梁结构应用于体育场挑蓬结构中。用于建造由多榀张弦悬臂梁组成的挑蓬结构时，所述的一种张弦悬臂梁结构的施工方法，是首先将悬臂梁5、竖杆2、压杆3及上弦索1按照成形后的尺寸制作并安装就位；之后用环向构件环梁8将各榀张弦悬臂梁结构7连接在一起形成整体；最后，安装稳定索4并施加预应力至确定的设计拉力值。这种施工方法通过对稳定施加预应力使结构获得刚度，故称为张拉稳定索的施工方法。
由张弦悬臂梁构成的体育场挑蓬结构在预应力索的张拉下协同工作，受力更加合理，材料强度得以充分发挥。通过对结构进行几何非线性分析，共计分析了满跨及半跨时向下均载、向上均载时结构的非线性稳定性。表明：结构在承受向下荷载时，在荷载不大的情况下结构呈现出线性的受力特征，当荷载增大到一定程度后，结构的刚度退化，位移增大非常明显，属于延性破坏。
结构在向上荷载作用下，由于稳定索的张力效应，使得结构表现出极佳的承载能力，在荷载增大到10kN/m的情况下，结构仍然保持良好的线性。此时上弦索处于卸载阶段，但是由于初始预应力的存在索并未退出工作。
结构在半跨荷载作用下，其极限荷载与均布情况下没有明显区别，说明结构具有良好的抵抗不对称荷载能力。
实施例3
图5、图6是上弦索1与竖杆2或压杆3连接节点图，如图7所示，本实施例描述的是解决索与杆、索与索连接节点，考虑到施工过程中可使拉索多次张拉调节，本发明采用双层PE防腐钢丝10。节点采用热铸锚与冷铸锚相结合，同时索中设置索长调节装置11，可调节拉索的张拉值，该索长调节装置11是调节索长的钢套筒。其主要节点形式如图5、图6、图7、图8所示。图7、图8是后索9与地锚连接节点图；稳定索4与悬臂梁5或柱连接时，先在梁或柱内预埋连接件12，之后节点连接形式与图8基本相同。
本发明的结构形式容易构建，传力路径明确，用钢量经济，整体力学性能好，在偶遇荷载作用下结构具有自调解和自适应能力，施工方法简单易行，因此该结构是切实可行的优秀结构。