輻射型體內張拉成形空間網格結構的製作方法

2023-07-07 19:31:56 1

專利名稱：輻射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-輻射型體內張拉成形空間網格結構。
本實用新型的結構屬於體內張拉成形空間網格結構體系，具體技術方案為主要包括張拉單元1、格構狀圓柱體2、檁條3，張拉單元1呈半跨平面拱架形狀，內端9截面比外端10截面高，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和下弦管內穿的處於張力狀態的通長鋼索7組成；其中，腹杆6與上弦4、下弦5連接，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8；結構平面中心的格構狀圓柱體2由從上到下布置的多個鋼管圓環11、沿圓環周圈布置的豎管12及各環內徑向水平管13組成；其中，水平管13與豎管12均為鋼管且與圓環11連接；所述的張拉單元1沿結構平面中心的格構狀圓柱體2成輻射狀布置組合，連接方式為各張拉單元內端9側的上弦4與位於上層的圓環11連接，內端9側的下弦5與位於下層的圓環11連接；檁條3沿環向加設於上弦4上，並與上弦4連接。
所述的腹杆6與上弦4、下弦5鉸接。
所述的上弦4與位於上層的圓環11半剛接。
所述的下弦5與下層的圓環11鉸接。
所述的圓環11豎向分布的個數至少為兩個，上下各一個。
輻射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。
本實用新型提出的輻射型體內張拉成形空間網格結構具有如下優點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，輻射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，而且鋼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)輻射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。
輻射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)輻射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、格構狀圓柱體2；圖3、張拉單元1下弦剖面圖(灌漿後)；圖4、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5、輻射型體內張拉成形空間網格結構；圖6是輻射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、格構狀圓柱體2、檁條3進而構成空間網格結構的過程。
圖中，1、張拉單元，2、格構狀圓柱體，3、檁條，4、上弦，5、下弦，6、腹杆，7、鋼索，8、漿，9、內端，10、外端，11、圓環，12、豎管，13、水平管。
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、圖2和圖5，主要包括張拉單元1、格構狀圓柱體2、檁條3；張拉單元1呈半跨平面拱架形狀，內端9截面比外端10截面高，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和下弦管內穿的處於張力狀態的通長鋼索7組成；其中，腹杆6與上弦4、下弦5連接，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，下弦管內壁與鋼索之間灌漿8；結構平面中心的格構狀圓柱體2由從上到下布置的多個鋼管圓環11、沿圓環周圈布置的豎管12及各環內徑向水平管13組成；其中，水平管13與豎管12均為鋼管且與圓環11連接；所述的張拉單元1沿結構平面中心的格構狀圓柱體2成輻射狀布置組合，連接方式為各張拉單元內端9側的上弦4與位於上層的圓環11連接，內端9側的下弦5與位於下層的圓環11連接；檁條3沿環向加設於上弦4上，並與上弦4連接。
所述的腹杆6與上弦4、下弦5鉸接。
所述的上弦4與位於上層的圓環11半剛接。
所述的下弦5與下層的圓環11鉸接。
所述的圓環11豎向分布的個數至少為兩個，上下各一個。
本實用新型中的張拉單元1立面近呈半跨平面拱架形狀，內端9截面比外端10截面高，張拉單元下弦5為節間預留縫隙的鋼管，且該縫隙在張拉單元成形後已閉合，下弦管內穿通長鋼索7，該鋼索7在張拉單元成形及整體結構工作過程中產生預拉力，下弦管內壁與鋼索之間灌漿8，以確保鋼索7和下弦5粘接牢固並在結構承受外荷載時下弦與鋼索共同工作；張拉單元的腹杆6選用鋼管，格構狀圓柱體中的圓環由鋼管加工而成，豎管12及水平管13均為鋼管。
本結構的製造步驟如下1)張拉單元1成形本張拉單元1呈半跨拱架形狀，內端9截面比外端10截面高，張拉單元張拉成形前，參見圖6中的①，單元1上弦4為通長鋼管，下弦5為不連續鋼管(節間預留縫隙)，參見圖4中的①，且下弦管內通長穿鋼索7，索為鬆弛狀態，腹杆6為鋼管，兩端與上下弦杆鉸接，這時張拉單元處於機構狀態，沒有確定型式，外荷載為零。單元1張拉成形時，內端9設固定鉸接支座，外端10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7時，外端10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，參見圖4中的②，當下垂的下弦張拉到水平(節間預留的間隙閉合)時，張拉終止，而後灌漿8固結，一方面保護了鋼索7，另一方面使下弦5與鋼索7粘結在一起整體受力，參見圖6中的②和③，該過程產生大變形，形成輻射型體內張拉成形空間網格的基本構件-張拉單元1。
2)組裝張拉單元1在結構平面中心設置格構狀圓柱體2，圓柱體由從上到下數個圓環11和沿環周圈布置的豎管12及各環內徑向水平管13組成，圓環11個數至少為兩個(上下各一個)，多榀張拉單元1成輻射狀布置于格構狀圓柱體2周圈，內端9向內，外端10向外，各張拉單元1內端9上弦4與上層圓環11半剛接連接，內端9下弦5與下層圓環11鉸接連接，參見圖6中的④、⑤和⑥。
3)裝配檁條3在組裝張拉單元1的同時，可於張拉單元1上弦4處裝配部分檁條3以防止結構在組裝過程中失穩。張拉單元1組裝完成後，可根據空間網格結構穩定性要求、屋面覆蓋材料設置及屋面荷載情況完成全部檁條3的裝配，參見圖6中的⑦。
4)輻射型體內張拉成形空間網格結構整體提升若輻射型體內張拉成形空間網格結構在地面裝配完成，則須整體提升到工作位置，本空間網格結構在預應力作用下，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。若該結構是通過在施工現場搭設腳手架，在空中(結構工作位置)直接組裝的，則無需本步驟。
5)輻射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.輻射型體內張拉成形空間網格結構，其特徵在於主要包括張拉單元(1)、格構狀圓柱體(2)、檁條(3)；張拉單元(1)呈半跨平面拱架形狀，內端(9)截面比外端(10)截面高，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呈弧形的鋼管上弦(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)和下弦管內穿的處於張力狀態的通長鋼索(7)組成；其中，腹杆(6)與上弦(4)、下弦(5)連接，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(8)；結構平面中心的格構狀圓柱體(2)由從上到下布置的多個鋼管圓環(11)、沿圓環周圈布置的豎管(12)及各環內徑向水平管(13)組成；其中，水平管(13)與豎管(12)均為鋼管且與圓環(11)連接；所述的張拉單元(1)沿結構平面中心的格構狀圓柱體(2)成輻射狀布置組合，連接方式為各張拉單元內端(9)側的上弦(4)與位於上層的圓環(11)連接，內端(9)側的下弦(5)與位於下層的圓環(11)連接；檁條(3)沿環向加設於上弦(4)上，並與上弦(4)連接。
2.按照權利要求1所述的輻射型體內張拉成形空間網格結構，其特徵在於所述的腹杆(6)與上弦(4)、下弦(5)鉸接。
3.按照權利要求1所述的輻射型體內張拉成形空間網格結構，其特徵在於所述的上弦(4)與位於上層的圓環(11)半剛接。
4.按照權利要求1所述的輻射型體內張拉成形空間網格結構，其特徵在於所述的下弦(5)與位於下層的圓環(11)鉸接。
5.按照權利要求1所述的輻射型體內張拉成形空間網格結構，其特徵在於所述的圓環(11)豎向分布的個數至少為兩個，上下各一個。
專利摘要輻射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。主要包括張拉單元(1)、格構狀圓柱體(2)、檁條(3)；張拉單元(1)呈半跨平面拱架形狀，內端(9)截面比外端(10)截面高，由上弦(4)、下弦(5)、腹杆(6)和下弦管內穿的鋼索(7)組成；其中，腹杆與上弦、下弦連接，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，下弦管內壁與鋼索之間灌漿(8)；格構狀圓柱體由從上到下布置的鋼管圓環(11)、豎管(12)及水平管(13)組成；張拉單元沿格構狀圓柱體成輻射狀布置組合，並於上弦處加設檁條。本實用新型可以充分利用結構材料的強度，提高結構布索效能併合理髮揮結構塑性。
文檔編號E04B7/00GK2898154SQ20062011327
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