具有平面拱腹的间接预应力混凝土顶篷.pdf

具有平面拱腹的间接预应力混凝土顶篷结构是一种作为大跨度工厂厂房的预构件。该结构包括宽且薄的混凝土板(1)和横截面呈倒“V”字型的混凝土上梁(2)，两者通过细钢连接杆(3)连接，杆(3)用来稳定上梁(2)的横向弯曲并阻止构件(1)和(2)的相互靠近和离开。拱腹板(1)的预应力使上梁(2)产生压紧力，该压紧力被动地(间接地)推动该结构的两端，使该结构的重心发生偏移导致该结构两端发生偏转，拱腹板也因此向上弯曲。有两种可以对该结构施加预应力的方法。

1.  一种带有平面拱腹的间接预应力混凝土顶篷结构，可作为大跨度工厂厂房的预构件，其特征在于：包括宽且薄的混凝土板(1)和薄壁呈倒“V”字型的上梁(2)，两者通过隔开设置的细钢管杆(3)连接，并在拱腹板中心形成预应力。

2.  根据权利要求1所述的预应力顶篷结构，其特征在于：拱腹板(1)的偏移是通过拱腹板(1)的间接预应力形成的，该预应力使拱腹板(1)的末端偏转并使拱腹板(1)向上弯曲，从而使上梁(2)两端被动地相互靠近。

3.  根据权利要求1和2所述的预应力顶篷结构的稳定原理，其特征在于：上梁(2)通过倾斜隔开设置的钢管杆(3)防止横向弯曲，该管杆(3)与横截面呈倒“V”字形的上梁(2)的斜面相适配，这些薄壁缩短了杆(3)的有效长度。

具有平面拱腹的间接预应力混凝土顶篷
技术领域
本发明涉及一种工厂厂房或其他类似建筑的屋顶，此类建筑为加固预应力混凝土结构，特别是一些钢筋整体结构。
本发明的领域涉及国际IPC分类号的E04B1/00，其中分类号E04B1/00总体涉及建筑物构造，或本发明的领域更具体地涉及小组E04C3/00或3/294。
背景技术
本发明涉及一种具有新颖概念和外形的屋顶结构，该屋顶结构具有特殊的平形顶篷。尽管该结构与桁架和拱顶具有明显的类似处，但是本发明的结构在承载方式上与它们本质上是不同的。首先这些结构同时支撑成型的具有平面拱腹的顶篷和屋顶。而且，这种结构主动地将宽大的平面拱腹作为力承受部件，代替了原来被动地悬挂在桁架或拱形物上的形式。
与传统的屋顶和顶篷结构相比，本发明的结构包括HR-P20000906A所公开的有益效果，其中HR-P20000906A也具有这些结构。
常用的预应力技术是将压紧力施加在设置于混凝土重心之下的筋的几何横截面上；当使用这种技术时，由于没有偏心率这种技术不能起到理想的效果。修正上述偏差的方法是将预应力筋设置在整体结构的重心之下，但这是不能接受的，因为这将破坏平面拱腹的构想。
因此问题在于集中找到充分加强预应力的方法，使该方法能有效地减小大的偏转量并消除或控制混凝土中的裂缝，如果拱腹板中产生内应力就会出现裂缝。本发明提供了一个或多个对具有平面拱腹的结构加预应力的有效方法，本发明的结构还能解决上梁对横向弯曲的稳定性。
发明名称为“大跨度建筑中的具有平面拱腹的双预应力的顶篷复合结构”的HR-P20000906A专利申请是一种最类似的公知结构。上述申请提供了一种在横截面重心之下的倒置结构施加预应力的方法，并公开了下述解决方法：构造该结构之前使宽板中心处承载预应力，将压紧力施加于拱腹板中，从而解决了混凝土中出现裂缝的问题。然后全部完成该结构之后将钢楔插入位于上梁中跨的具体部件中而承载该结构，从而克服了钢板围绕端部偏转的弊端。
本发明与专利HR-P20000906A基本上类似，但结构上有本质的区别，它提供了一种附加预应力的结构。与上述发明专利相比，本发明的结构将具有上述形状横截面的拱腹上梁，其中该结构是硬的并且壁薄，与拱腹钢板相比，减小了连接杆的有效长度。用细长的连接杆代替拱腹钢板削弱了从上梁传递到板的弯曲力矩，反之亦然。该连接杆在拱腹板上均匀布置以提高连接性和设置在上梁上的钢板重量分布均匀性。因此，连接杆和钢板之间的连接变得不再坚固，所以施加于拱腹板中的预应力没有极大地使杆弯曲，从而使大的预应力施加于钢板上而不会使钢板弯曲。但是，如果施加于拱腹板的预应力小，那么预应力就不会影响板的偏转。相反地，如果预应力大，那么高的压紧力将影响板的偏转。本发明的一个重要的目的是提供了一种更有效的提供预应力结构的方式，该结构具有平拱腹并不阻碍双预应力，该方式作为一种有效的方法。
本发明的结构比上述提到的申请更能有效地解决上梁受横向弯曲的稳定性问题。等间距均匀布置在天花板的顶面上的连接杆将上梁的整个有效长度分成一组小长度，从而使上梁的横截面呈倒“V”字形，这种形状缩短了连接杆的有效长度并改变了它们端部的状态，这种方式可减小弯曲的有效长度。
附图说明
图1是本发明结构等比例缩小的视图，表示该结构地构成部件；
图2是表示该结构的构成部件的截面图；
图3表示预应力原理简图；
图4表示连接杆(3)有效长度的减小和上梁(2)承受横向弯曲的稳定方式。
预应力屋顶结构是单向承载预制构件，该构件具有隔开布置的连接杆可用来构造工厂大跨距厂房。这种结构包括宽且薄的混凝土板(1)和具有如图2所示的倒“V”形横截面的混凝土上梁(2)，并且通过细长的钢管杆(3)连接。选择薄且宽的拱腹板是为了整体覆盖建筑物的大部分并在内部提供了平拱腹。
从图2和4可明显看出薄壁上梁(2)都是封闭地向板(1)延伸，以缩短了连接杆(3)的弯曲长度。连接杆(3)以相同倾角固定地锚定在上梁(2)一侧，上梁(2)横截面上的薄斜壁分别锚定在宽拱腹板(1)上以增强上梁(2)抵抗侧面弯曲的稳定性。
隔开设置的细长钢管杆(3)也被用来保持拱腹板(1)和上梁(2)之间的距离，以抑制弯曲力矩朝两侧传递，并减小了上梁(2)和拱腹板(1)之间的导热率。
为了阐述该结构的工作原理，下面介绍一些需要考虑的事项：
如果该结构没有被施加预应力，由于拱腹板(1)自身重量与垂直刚度的高比值，拱腹板(1)和上梁(2)都将向下弯曲。而且拱腹板(1)比上梁(2)的弯曲速度更快，因为连接杆(3)可抑制它们的分离。
如果对该结构施加了预应力且没有承载，连接杆(3)将被压缩，抑制了拱腹板(1)和上梁(2)相互靠近。
如果对该结构施加预应力并且仅仅上梁承载，连接杆上的压紧力将增加，因为在这种情况下，施加给上梁的承载而使上梁向下弯曲，同时拱腹板轻微地向上弯曲，致使连接杆(3)抑制它们相互靠近。
如果该结构被施加预应力并且仅仅拱腹板(1)被承载，连接杆上的压紧力将减小，因为拱腹板(1)比上梁(2)以更快的速度向下弯曲使两者之间的距离增加。
在任何情况下，上梁(2)作为一承载构件，几乎承受整个弯曲力矩，从而构件(3)被构造成以只能传递给拱腹板(1)较小的弯曲力矩，其中拱腹板(1)即使在弯曲力矩十分小时也十分容易偏转。
细长的连接杆作为该结构的一部分，它起着重要的“被动的”连接作用。尽管当构件(1)和(2)之间在不同的承载情况下都倾向于靠近或分开时，连接杆(3)都使它们保持固定距离，连接杆(3)在任何情况下都不明显被压。将预应力与承载结合，可能使连接杆的承载内应力十分小或几乎等于零，这强调了本发明的结构与前述的桁架和拱顶结构的不同。下面将进一步详细的描述，此时考虑了预应力。
根据拱腹板(1)和上梁(2)是否都需要更多或少的压紧力或者拱腹板混凝土中是否允许一定的应力来判断，这种结构施加预应力的方法可有两种。如果选择第一种方法，则是HR-P20000906A所公开的双重预应力方法，它将上梁(2)在中跨处分成两部分。如果选择另外一种，上梁(2)仅仅制成整体一个。
为了更好地解释上述区别，下面将上梁由一个整体形成的情况表示为情况1，将上梁由两个部分形成的情况表示为情况2。(情况2不是本发明的内容，在此仅仅作为一种可能的变化情况)
情况1
这种情况如图1所示。从图中明显看出上梁(2)由一个整体形成。端部(4)是短的支撑件(无论我们将该部件当作拱腹板或上梁的一部分与否)，该短支撑件和拱腹板(1)牢固地连接，并能传递来自上梁(2)的弯曲力矩。上梁(2)用自己的模子浇注成型后放置于拱腹板的模子中。预应力钢筋拉紧后固定在拱腹板模子中然后浇注成拱腹板。混凝土固化后，上梁(2)和拱腹板(1)通过支撑部件上特定的构件连接，然后释放模子中的预应力筋，就会在拱腹板(1)的中心形成预应力。预应力使拱腹板(1)缩短，从而使上梁(2)的两端(4)相互朝对方偏移。上梁(2)的两端和拱腹板(1)连接，从而可以在这些位置处向拱腹板(1)传递弯曲力矩。由于两端位置相互偏移，上梁(2)和拱腹板(1)都有助于产生预应力。上梁(2)的支撑端(4)作为一短的支撑件是拱腹板(1)整体中的一部分，很显然，缩短拱腹板(1)会使上梁(2)的两端相互靠近，从而使上梁(2)向上弯曲，以克服它们在普通情况下产生的不利。作为连锁反应，上梁(2)端部非常有助于产生部分预应力，使处于拱腹板(1)端部的支撑(4)在拱腹板(1)向上弯曲的过程中发生转动和被动的弯曲。拱腹板(1)和上梁(2)之间的连接杆(3)从而被施加压紧力以阻止它们相互靠近。拱腹板(1)被直接地施加了预应力，从而防止高应力使混凝土中形成裂缝。但是，主要的效果是使薄而细长且重的拱腹板向上偏转，这种效果是通过上梁(2)上间接被动的应力作用在支撑部件上达到的。因此，推动两端所产生的效果和上述专利HR-P20000906A提供的方式是一样的。长而细的拱腹板(1)以比上梁(2)更快的速度弯曲，从而使限制两者偏移差别的连接杆(3)中产生压紧力。
情况2
根据申请HR-P20000906A所描述的内容，上梁(2)由两部分构成，并通过双预应力方法施加预应力，其中该方法包括两个步骤：在第一个步骤中，上梁两独立部分在中跨连接之前就对拱腹板(1)施加预应力，因此第一预应力不会在上梁两独立部分中任何一个内部产生预应力。在另一步骤中，在上梁位于中跨处的连接点中插入钢楔，从而使两个部分都推动支撑件偏转致使拱腹板向上弯曲。
这两种方法都是通过结构末端偏转实现被动弯曲达到向上偏移的目的。但是，情况1和情况2之间有比较明显的不同就是：让我们通过多还是少的钢筋在结构中产生大还是小的预应力。
在实际中，在一些情况下两种可能都有自己的优点和不足，也会受到不同因素的制约。
一般情况下为了能将拱腹板(1)缩短并同时使上梁(2)弯曲，比情况2相比，情况1要求施加更大的预应力。此时拱腹板被施加了很大的应力，也加大了支出，就必须考虑和利用楔及很少的钢丝的开支相比较了。如果由于某些原因拱腹板(1)不需要特别大的预应力时，利用较少的钢丝产生适度应力是合理的。这种情况下可以通过多种办法使拱腹板(1)向上弯曲，情况2是一个非常经济的选择。
当然，随着诸多因素的变化还有很多可能的组合方式，例如不同重量和尺度比例的上梁、不同形状、厚度和宽度的拱腹板、利用不同密度材料(例如轻质量混凝土)、以及在(1)和(2)不同预应力的优化组合等。
作为一个特例还可将上述两种方法组合使用，在拱腹板(1)的预应力施加之前在连接处插入楔形成附加预应力，因此在第一步骤中加上刚好使拱腹板向上偏移的预应力后可以使用楔。
优选方案的描述
上梁(2)用自己的模子浇注成型后放置于拱腹板(1)的模子中。预应力钢筋拉紧后固定在拱腹板模子中然后浇注成拱腹板。混凝土固化后，上梁(2)和拱腹板(1)通过支撑部件上特定的构件连接，然后释放模子中的预应力筋，就会在拱腹板(1)的中心形成预应力。压紧力和应力的大小都要预先由工程师计算和决定。