正交型體內張拉成形空間網格結構的製作方法

2023-07-07 19:32:36

專利名稱：正交型體內張拉成形空間網格結構的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種張拉成形體內預應力空間網格結構，屬於大跨空間網格結構體系。
背景技術：
傳統網格結構雖有許多優點，但也存在無法迴避的缺點單層網殼結構存在穩定問題，通常杆件應力值僅為設計值的五分之一左右，雙層網架(殼)一定程度上克服了上述缺點，但杆件稠密、隨著跨度增大其用鋼指標迅速增高，傳統網格結構遠沒有發揮材料的強度。
目前技術較為成熟的預應力空間網格結構均採用結構先成形後，通過體外附加的索施加預應力。空間網格結構成形後平面內剛度非常好，這時通過體外布索施加預應力則效能是有限的。同時體外布索雖然方便，但畢竟有一個年久換索的問題。
二十世紀八十年代，澳大利亞的科研人員研發出一種新型大跨空間結構體系-STRARCH(STRessed ARCH)。根據其結構構型和施工特點，我們稱這種體系為張拉預應力拱架。該結構體系受力性能合理、無需使用腳手架，所有施工項目都在接近地面的較低位置上進行。但該結構由於起拱較高，上弦全面進入塑性，一旦出現塑性鉸結構成形將失敗，因此對材料要求較高；成形後拱架中索的預張力與荷載作用是相同的，使杆件受壓，又須加大下弦杆，而且荷載作用下索處於鬆弛的趨勢。

發明內容
本實用新型針對大跨空間結構發展需要，以充分利用結構材料的強度，提高結構布索效能及索的耐久性，合理髮揮上弦塑性並改善結構受荷狀態為目的，提出一種自平衡結構體系-正交型體內張拉成形空間網格結構。
本實用新型所採用的具體技術方案為由張拉單元1沿結構平面縱橫向正向交叉布置而成，張拉單元1呈平面拱架形狀，由通長平直鋼管梁受彎壓作用產生塑性變形而形成的沿跨度成弧形的鋼管上弦4、平直不連續且預留縫隙閉合的鋼管下弦5、端頭兩兩相連的鋼管腹杆6、下弦5管內穿的處於張力狀態的通長鋼索2組成，其中，腹杆6為鋼管，兩端與上下弦杆鉸接，下弦5由呈弧形間斷分布的鋼管段受壓預留縫隙閉合後形成的的平直鋼管段構成，下弦管內壁與鋼索之間灌漿3；縱橫向的張拉單元1的上弦4於節點處相交，且相互半剛結連接。
正交型體內張拉成形空間網格結構的屋頂覆蓋材料可根據荷載及功能要求靈活選用。
本實用新型提出的正交型體內張拉成形空間網格結構具有如下特點1)結構布置方案合理髮揮結構構件(索與杆)各自的優勢性能，充分利用結構材料的強度。
高強鋼索是承載拉力效率極高的構件，鋼管則是承壓和抗彎較好的構件，正交型體內張拉成形空間網格結構將鋼索布置於下弦承受拉力，將鋼管布置於上弦處承受壓彎，充分發揮各自的優勢性能，而且下弦索外加設預留縫隙的鋼管，一方面在張拉前使張拉單元腹杆與下弦的連接變得非常容易，另一方面在張拉鋼索且下弦鋼管預留縫隙閉合後，灌漿固結使下弦與鋼索粘結在一起整體受力，承受下弦可能受到的壓力作用，防止索松馳導致結構失效。
2)正交型體內張拉成形空間網格結構提高了結構布索效能及索的耐久性。
正交型體內張拉成形空間網格結構，通過施加預應力使張拉單元由機構狀態變為靜定狀態，進而形成空間網格結構，提供結構剛度並維持結構的預定形態；同時，由於預加應力，優化了結構拓撲構型，極大改善結構的內力和剛度分布，進而提高結構承載力；另外，通過主動張拉，張拉單元成形形成結構構件，張拉結構單元及附件組成空間網格結構體系後在外荷載作用下被動張拉，進一步優化結構內力分布；再有，結構體內布索可對索起到保護作用，使索免受外部環境影響，延長索的使用壽命。
3)正交型體內張拉成形空間網格結構嚴格控制張拉尺度，合理髮揮上弦塑性，避免起拱較高導致上弦全面進入塑性，並改善了結構受荷狀態。
張拉單元上弦一旦出現塑性鉸，結構成形將失敗，本實用新型在其下弦內的鋼索被張拉到水平(節間預留的間隙閉合)時，張拉即告終止，可減少上弦塑性發展，降低對材料的苛刻要求；同時成形後張拉單元中索的預張力與外荷載對下弦的作用是相反的，使下弦杆件受壓合理，而且荷載作用下下弦內穿的鋼索仍處於張力狀態，達到減少結構重量的目的，有利於將網格結構的跨度做得更大。


圖1、張拉單元1成形後；圖2、張拉單元1下弦剖面圖(灌漿後)；圖3、張拉單元1下弦節間預留縫示意圖；①縫隙閉合前(張拉單元1成形前)，②縫隙閉合後(張拉單元1成形後)；圖4、正交型體內張拉成形空間網格結構；圖5是正交型體內張拉成形空間網格結構具體實施方式
示意圖；①是張拉單元1張拉成形前，②是張拉單元1張拉成形階段，③是張拉單元1張拉成形後，④至⑦是組裝張拉單元1進而構成空間網格結構過程。
圖中，1、張拉單元，2、鋼索，3、漿，4、上弦，5、下弦，6、腹杆。
具體實施方式
以下結合附圖具體說明本實用新型的實施方式結構參見圖1和圖4，主要由數榀張拉單元1沿結構平面縱橫向正向交叉布置而成，張拉單元1呈平面拱架形狀，由通長平直鋼管梁受彎壓作用產生塑性變形而形成的沿跨度成弧形的鋼管上弦4、平直不連續且預留縫隙閉合的鋼管下弦5、端頭兩兩相連且與上下弦連接的鋼管腹杆6、下弦5管內穿的處於張力狀態的通長鋼索2組成，其中，腹杆6為鋼管，兩端與上下弦杆鉸接，下弦5由呈弧形間斷分布的鋼管段受壓預留縫隙閉合後形成的的平直鋼管段構成，下弦管內壁與鋼索之間灌漿3；縱橫張拉單元1的上弦4於節點處相交，且相互半剛結連接。
本結構的製造步驟如下1)組構張拉單元1張拉單元1立面呈平面拱架形狀，由上弦4、下弦5、腹杆6和下弦鋼管內穿的鋼索2組成，張拉單元1張拉成形前，上弦4為通長鋼管梁，下弦5由呈弧形分布的節間預留縫隙的鋼管段組成，參見圖3中的①，下弦5管內穿通長鋼索2，鋼索2為鬆弛狀態，腹杆6為鋼管，兩端與上下弦杆鉸接，參見圖5中的①。
2)張拉單元1成形張拉單元1張拉成形時，單元一端設固定鉸接支座，另一端設定向滑移鉸接支座，可沿張拉單元1跨度方向向跨內滑動，張拉鋼索2時，一端的滑動支座向內滑動，並使上弦4彎起，下弦5的預留縫隙逐漸閉合，當下垂的下弦被張拉到水平時即節間預留的間隙閉合時，參見圖3中的②，張拉終止，而後灌漿3固結，參見圖2，一方面保護了索2，另一方面使下弦5與鋼索2粘結在一起整體受力，該過程產生大變形，形成正交型體內張拉成形空間網格的基本構件-張拉單元1，參見圖5中的②和③。
3)組裝張拉單元1，參見圖5中的④、⑤、⑥和⑦在地面組裝數榀張拉單元1沿結構平面縱橫向正向交叉布置，縱橫張拉單元1上弦4於節點處相交，且相互半剛結連接。
在空中(工作位置)組裝在施工現場搭設腳手架，而後在空中(工作位置)沿結構平面縱橫向正向交叉布置組裝張拉單元14)正交型體內張拉成形空間網格結構整體提升若正交型體內張拉成形空間網格結構在地面組裝張拉成形的，則應將該結構整體提升到工作位置。在預應力作用下，正交型體內張拉成形空間網格結構屬自平衡體系，對支座不產生水平推力，可整體提升，提升可在結構上安裝提升設備提升網格結構，也可在進行柱子滑模的施工的同時提升網格結構，此時的網格結構可作為操作平臺。若正交型體內張拉成形空間網格直接在結構工作位置(空中)吊裝組合，則無須提升工作。
5)正交型體內張拉成形空間網格結構最終成形網格結構整體就位，而後在外荷載作用下被動張拉，調整結構力流分布，網格結構最終成形並進入工作狀態。
權利要求1.正交型體內張拉成形空間網格結構，其特徵在於由張拉單元(1)沿結構平面縱橫向正向交叉布置而成；張拉單元(1)的立面呈平面拱架形狀，由通長平直鋼管梁受彎壓作用產生塑性變形而形成的沿跨度成弧形的鋼管上弦(4)、平直不連續且預留縫隙閉合的鋼管下弦(5)、端頭兩兩相連的腹杆(6)、下弦(5)管內穿的處於張力狀態的通長鋼索(2)組成，其中，腹杆(6)為鋼管，兩端與上下弦杆鉸接，下弦(5)由呈弧形間斷分布的鋼管段受壓預留縫隙閉合後形成的平直鋼管段構成，下弦管內壁與鋼索之間灌漿(3)；縱橫向的張拉單元(1)的上弦(4)於節點處相交，且相互半剛結連接。
專利摘要正交型體內張拉成形空間網格結構，屬於大跨空間網格結構體系。由張拉單元(1)沿結構平面縱橫向正向交叉布置而成；張拉單元的立面呈平面拱架形狀，由上弦(4)、下弦(5)、腹杆(6)、下弦管內穿的處於張力狀態的通長鋼索(2)組成，其中，上弦由通長平直鋼管梁受彎壓作用產生塑性變形而形成的沿跨度成弧形的鋼管構成，下弦由呈弧形間斷分布的鋼管段受壓預留縫隙閉合後形成的平直鋼管段構成，腹杆端頭兩兩相連且與上下弦杆鉸接連接，下弦管內壁與鋼索之間灌漿(3)；縱橫向的張拉單元的上弦(4)於節點處相交，且相互半剛結連接。本實用新型可以充分利用結構材料的強度，提高結構布索效能及索的耐久性，並能合理髮揮結構塑性。
文檔編號E04B7/00GK2898155SQ200620113278
公開日2007年5月9日 申請日期2006年4月29日 優先權日2006年4月29日
發明者張毅剛, 王成 申請人:北京工業大學