专利名称：一种轻质钢拱桁形成的大型建筑封闭屋顶的制作方法
技术领域：
本发明涉及建筑层顶，尤其是涉及用轻质钢拱桁构架成的大型建筑封闭屋顶。
背景技术：
目前，在建筑工程中，对于中间无支柱且跨距在100米以内的中小型建筑工程屋顶大都采用钢结构、网架结构、悬索结构等以刚性材料杆件组合来作为封闭的屋顶结构，而对于中间无支柱且跨距在100米以上的大型建筑工程的屋顶(如体育馆、文化娱乐中心、港口码头、大型飞机制造和停放地等)，如果仍采用上述中小型建筑工程屋顶结构，将会带来以下问题一是因为随着跨距的增大承重主构件尺寸和杆件横截面必须增大，杆件自身重量增大，这样才能对巨大恒载整体构架满足抗弯、抗压和挠度等技术要求；二是因为刚性杆件组合传力系统复杂，施工难度大、要求高且结构较多地存在相互依赖性，如果其中一根杆件或杆件节点出现局部破坏或失稳，就会造成诺米骨牌效应，相邻结构失去依靠，甚至导致结构整体垮塌；再是刚性杆件组合结构抗震性较脆弱，由于杆件增重，建筑工程造价也大大增加。因此，现有跨距在100米以上，甚至在200米以上的大型建筑屋顶大都未封闭。
发明内容
针对上述现有技术中跨距在100米以上的大型建筑屋顶的不能封闭的问题，本发明提供了一种承载能力强，构件刚性好、抗震性高，整体结构稳定性高，结构的相互依赖性较少，造价较低的大型建筑封闭屋顶。本发明要解决的技术问题所采取的技术方案是所述轻质钢拱桁形成的大型建筑屋顶包括长方形屋顶和圆形屋顶，所述长方形屋顶包括平行间隔设置的拱桁架，所述圆形屋顶包括径向交错设置的拱桁架，所述拱桁架一端活动设置在砼柱上、另一端固定设置在砼柱上，拱行架由下梁、上梁、吊杆、斜杆和钢索组成，上梁与上梁之间设置有檩梁，所述上梁由若干根短矩形钢用凸凹槽结构和钢铰销连接成圆弧形，下梁由若干根短矩形钢夹板和螺栓连接而成，上梁两端通过企口钢楔固定在下梁上，下梁一端通过钢滚筒可在砼柱上自由伸缩，下梁另一端固定砼柱上，所述吊杆设置在上梁和下梁之间，斜杆两端与上梁和下梁活动相连，所述钢索水平缠绕在下梁上，钢索两端用钢索张紧装置固定在下梁上。对于圆形屋顶，为了解决众多拱桁架径向交汇及直径范围的整体受力问题，在上梁中心交汇处设置有上圆钢盘，上圆钢盘设置有榫头座，榫头座内焊接固定有阳榫头，所述阳榫头通过钢铰销与上梁相连；在下梁中心交汇处设置有下圆钢盘，所述下圆钢盘通过钢卡板与连接钢突体焊接固定相连，再加连接段阳楔头和钢盘阴楔套连接，连接钢突体用螺栓与和钢夹板与下梁固定相连。为了进一步提高圆形屋顶的采光度、室内空气对流和外形美观性，所述圆形屋顶上设置有可采光玻璃罩和通风的天窗，所述天窗高出圆形屋顶面，所述天窗屋面呈三角折面形，在天窗端框内设置有抽风机。本发明采用了拱桁架是将竖直载荷变成水平载荷的结构，从而分解结构抗弯的巨大弯矩力，圆形屋顶上梁由若干根长为6米，横截面为240 X 600_的铝合金矩形钢利用钢铰销相连接，长方形屋顶上梁由若干根长为由若干根长为6米，横截面为220X600_ 的铝合金短形钢利用凸凹槽结构和钢铰销相连接，圆形屋顶下梁由若干根长为6米，横截面为200X600_的铝合金利用钢夹板相连接，每隔一个连接点安装竖向吊杆，承担下梁力；在上梁和下梁之间每隔一个连接点安装有斜杆，水平夹角为30度，使上部集中力由斜杆承担,将大部份竖直力转化为对下梁的水平力，拱桁架从结构整体到结构局部均将竖直力从各个环节分解成水平力的结构，经计算对比，拱桁架比纯拱结构上梁总水平推力减少 19. 5%，下梁总水平拉力减少21%。本发明所述拱桁架通过滚动支座设置在砼柱上，这是因为一当拱桁架承担满负载时，上梁受压水平方向会伸长，二是当拱桁架受气候影响产生热膨胀和冷收缩时，拱桁架会产生温度应力而收缩和伸长，三是发生地震产生的振力时，通过滚动装置将对震动力有化解效应，使拱桁架不会产生受支座约束而破坏结构，从而保持原有的刚性和结构稳定性。本发明所具有的优点是
一、屋顶结构紧凑，质量较轻，因拱桁架受竖向压力较小，从而构件截面相对较小，可减少屋顶自重量，
二、屋顶刚性好，抗震能力较强，结构稳定性较高，能抗大风和地震，
三、可节省建造费用，降低建造成本，施工较方便，可缩短工期，
四、可满足体育场、文化娱乐中心、港口码头和大型飞机屋顶等使用要求，
五、拱桁架为单独的受力体系，结构的相互依赖性较少，局部影响整体结构性小。
图I是本发明呈长方形屋顶的平面布置图，
图2是图I的A-A长方形屋顶用拱桁架剖视结构示意图，
图3是图2的Z-Z剖视结构放大示意图，
图4是图2的C-C剖视结构放大示意图，
图5是图2的N-N剖视结构放大示意图，
图6是图3的S-S剖视结构示意图，
图7是图2的M-M剖视结构放大示意图，
图8是钢索在下梁上的布置放大示意图，
图9是图8的F-F剖视图，
图10是本发明呈圆形屋顶的平面布置图，
图11是图10的B-B圆形屋顶拱桁架剖视结构示意图，
图12是图11的X向局部结构放大示意图，
图13是图12的H-H剖视结构示意图，
图14是图11的Y向局部结构放大示意图，
图15是图14的K-K剖视结构示意图，
图16是本发明带天窗圆形屋顶的局部立体结构示意图，
图17是图16的P-P剖视结构示意图，
图18是图16的U-U剖视图。
在图中，I、砼柱2、上梁 3、屋面板4、斜杆 5、钢索6、下梁 7、螺栓8、 钢夹板9、予埋钢垫板 10、钢滚筒11、连接钢板 12、企口钢楔13、阻移钢突14、 钢铰销15、钢索张紧装置 16、上套管 17、螺母18、手柄 19、调节螺杆 20、下套管 21、上座体22、上圆钢盘23、下圆钢盘24、榫头座25、阳榫头26、连接钢突体 27、抽风机28、三角框29、钢卡板30、玻璃屋顶31、下座体32、钢盘凸体33、檩梁 34、拱桁架35、吊杆36、焊缝37、玻璃采光板 38、斜面板39、环形砼梁40、沟槽 41、普通水平钢桁架42、看台砼圆柱。
具体实施例方式实施例1，在图I-图9中，图I为长方形屋顶的飞机库，大厅长(X方向)为270米， 宽(Y方向)为240米，周边三面分别设砼柱1，中间和右端无砼柱。在X方向设置有两排，每排31只砼柱，共30个开间，砼柱I截面为1000X700，其中滚动支座端柱、端顶截面两侧做成短牛腿，包括牛腿、柱顶截面长为1200毫米，每跨间距为9米，共270米；在Y方向设置有一排，该排上跨内有39只砼柱，共40间距，砼柱截面为500X800，每只间距为6米，共240 米；在Y方向上的两砼柱上均设置有拱桁架34，拱桁架矢高比为O. 05 O. 08，取O. 05，则拱桁架中部矢高为240X0. 05 = 12米，所述拱桁架(图2所示)由上梁2、下梁6、屋面板3、 吊杆35、斜杆4、钢索5和钢索张紧装置15组成，拱桁架横跨Y方向，拱桁架跨距为240米， 所述上梁呈圆弧形，圆弧半径为606米，并由长为6米、横截面为250 X 600mm长矩铝合金钢用凸凹槽结构和钢铰销14连接而成(如图7所示)，所述下梁为6米，横截面为200X600_ 矩形铝合金钢用钢夹板8和螺栓7铆接加焊接而成(如图5所示)，所述斜杆4与水平成30 度角，每隔12米间隔设置在上梁和下梁之间，所述斜杆为刚性结构件并由上套管16、下套管20、调节螺杆19、螺母17、手柄18组成，上套管用螺纹与上梁的上座体21相连，下套管用螺纹与下梁的下座体31相连，调节螺杆上装有手柄，调节螺杆两端通过螺母和下套管活动相连(如图4所示);所述下梁6 —端通过焊接固定在砼柱上的予埋钢垫板9上、另一端活动支撑在钢滚筒10上，钢滚筒按设计间隔设置在予埋钢垫板上，予埋钢垫板预埋在砼柱的开口槽内，开口槽上设置有连接钢板11 (如图6所示)，下梁下端面上设置有阻移钢突13，该阻移钢突能控制拱桁架的在特殊情情况下(如伸缩很大)不会超出柱顶范围，拱桁架上下梁两端交汇处，在楔形空间嵌入企口钢楔12，企口钢楔断面呈为阶梯槽形、其左端设置有阶梯台、右端为直角，上梁两端阶梯槽内，即以企口形式镶入其间以起到固定上下梁的作用。这样使上梁和下梁的夹角能自由转动，不致破坏结构(如图3所示)。钢索5 —端缠绕在下梁端部半圆凹槽内，另一端用钢索张紧装置15拉紧固定(如图8和图9所示)，在上梁与上梁之间每隔6米均设有檩梁33，檩梁与X方向平行，间距为6米，焊接于上梁上。实施例2，在图10-图15中，图10为圆形屋顶一体育馆，屋顶直径为240米，周边设置有砼柱1，中间无砼柱。整个屋顶设置有二十四排拱桁架34 (也可以设计成22或18 排)，下梁一端活动设置在砼柱I上、另一端固定设置在砼柱上，除上梁和下梁在屋顶中心结构与实施例I不同外，其它结构与实施例I相同。上梁和下梁在屋顶中心结构是在屋顶中间设有一个连接钢圆盘，所述连接钢圆盘包括上圆钢盘22和下圆钢盘23，上圆钢盘22周边设置有榫头座24，榫头座与上圆钢盘为一整体，也可与上圆钢盘组合成整体，在榫头座内焊接(周边有焊缝36)固定有阳榫头25 (如图13所示)，阳榫头与上梁之间设置为凹凸槽结构，凹凸槽结构用钢铰销14将阳榫头和上梁连接固定(如图12所示，上梁中心相接处上方设置有玻璃屋顶30。下圆钢盘23周边相应下梁位置上设置有钢盘凸体32，在下圆钢盘与下梁之间设有连接钢突体26，连接钢突体一端通过钢卡板29和钢盘凸体焊接(周边有焊缝 36)相连，连接钢突体一端通过钢卡板29也可直接与下圆钢盘焊接相连，连接钢突体另一端通过螺栓7和钢夹板8与下梁相连(如图14和图15所示)。实施例3，在图16和图18中，实施例3是在实施例2基础上，为提高圆形屋顶的采光度、室内空气流动和外形美观性，所述圆形屋顶上设置有可采光和机械通风的天窗，所述天窗用弧向斜坡高出圆形屋顶面，所述天窗屋顶由玻璃采光板37和三角框28组成，玻璃采光板呈连续倒V形折面形，三角框位于玻璃采光板与圆形屋顶之间，在天窗内设置有抽风机27，所述玻璃采光板一般用双层散光玻璃，(如压花玻璃、毛玻璃)，在圆形屋顶周边设置有环形排水用的沟槽40，排水沟槽支撑在环形砼梁39上，屋顶的边缘部份由斜面板38形成。除上述结构与实施例2不同外，其它结构与实施例2相同。本发明所述屋顶载荷计算；
一、屋面荷载计算(以270mX 240m屋盖为例)
1、120mm厚预制轻质隔热防水屋面板6kN/m3X012m= O. 72kN/m2,
2、屋面板下I63b型钢檩梁131.5kg/m，换算成铝合金钢为131. 5/10 X 2. 7/7. 85，=
4.52 kN/m,4. 52X9/6X9 = O. 75 kN/m2,
吊顶 O. 3 kN/m2,其它支撑 O. I kN/m2,雪载 O. 75 kN/m2,合计 2. 62 kN/m2,
3、计算系数
按永久荷载分项系数I. 2和结构安全重要系数定为I. 2，综合系数为I. 44，
铝合金钢抗拉值和抗压值0. 21 kN/mm2,钢索抗拉设计值1. 13 kN/mm2。三、梁载荷计算
1、上梁自重，2.7X0. 25X0. 6X1. 05X1. 44 = 4. 25X1. 44 = 6. 12 kN/m,
2、下梁自重，27X0.2X0. 6X1. 25X1. 44 = 3. 65X1. 44 = 5. 83 kN/m
3、各接点处集中载荷;2.62X6X9X1. 44 = 203. 72 kN,
4、斜杆对下梁产生的竖直力:203.73XSin30° = 101. 9KN 对上下梁产生的水平力203. 73XCos30° = 176. 43KN。下梁计算
每 12m 长下梁 F=5. 83X12+101. 9=171. 9 kN 弯矩力计算(按斜杆下端位于12m跨梁中点算)
V=171. 9/2=86 kN
M=86 X 6-1/2 X 5 . 83 X 62=411KV · M
下梁下边缘的受拉正应力
d=M/ffnin=411000/1/6 X 200 X 6002=0 . 0 34N/mm2<210N/mm2 (满足)
上梁吊杆接头点集荷P=203. 73+171. 9=375. 63KN
上梁端 Va=375. 63 X 120/12+6. 12X120=4490. 7KN (斜杆支撑点不计)
上梁跨中点
Mmax=44 90 . 7X 120-3 7 5 . 63 X (12+24+36+48+60 +72+84+96+108 )-1/2 X 6. 12X 1202=29 1980KN · M上梁水平推力H=M+ /f (矢高)=291980/12=24332KN (公式来源于结构力学)
各接点斜杆传上梁水平力=176. 43 X 120/12=1764. 3KN 上梁水平推力 Σ=24332+1764· 3=26096· 3KN 上梁所需抗压截面积=26096. 3/0. 21=124268mm2 b=124268/600(h)=207mm
实设240 X 600mm (考虑侧向弯曲因素，故将b加大)
下梁抗拉力计算
因为斜杆为左右半跨对称布置，方向相反，故斜杆对下梁产生的水平力，相互抵消不计，只算上梁由M产生的水平力.下梁设定为bXh=200X600，抗拉力 =0. 21 X 200 X 600 X O. 95 (梁上钻孔截面减少系数)=23940KN
尚不足拉力=上梁水平推力H —下梁抗拉力=23952-23940=12KN 增设2-Φ30抗拉钢索连结拱桁架两端(两侧各I根)
为保险增设2根Φ30钢索抗拉力=1. 13X3. 14X 152X2=1597KN>12KN 斜杆和垂直吊杆因各接点处荷载较小，其截面等问题容易设计解决，故结构计算从略， 但对斜杆的构造和施工步骤应详细阐明因为斜杆为刚性构件，当上梁受力后，斜杆支撑点不会自动下沉，如不下沉，则会影响圆弧拱桁梁的整体拱作用，即各弧段间不会紧密接触， 从而影响整体拱力的形成，为解决此难题，斜杆调节程序为拱桁架组装成形时，斜杆按基本形式固定，当屋面构件安装时，随着荷载不断增加，上梁受压开始下沉，则施工过程中应将斜杆随机调整长短，随时使上梁保持平滑弧线，当屋顶全部永久载荷满布时后，将旋转手柄暂时锁住，以防有人再转动螺杆，对于屋面后期雪载对拱桁架的影响，可在铺好屋面板后，按结构设计规范中全国雪载分布图，按相应地区雪载值，在各拱桁架上梁顶位置按线式布与雪载等效集中载荷将拱桁架逐排进行予压，调节斜杆长度。最后又将旋转手柄锁住。四、保障整体空间刚度和稳定性的技术措施
I、对于候车大厅房屋宽向(进深向)尺寸240M，其中39只柱(柱bXh=500X800)于房屋的长变方向没有约束，柱的高度又较大，其柱顶位移未加控制，显然对房屋的整体空间刚度不利，为了弥补这一缺陷，现于房屋端部开间设普钢水平桁架41，钢桁架宽为5-7米，由型钢斜杆和垂直杆组成，靠柱架框钢焊接于各柱予埋铁上，另一边框因架空而跨度很大，应做成拱桁架形式，矢高6米左右，将桁架嵌固于连结房屋长向诸柱的钢筋混凝土梁内，这样就能使房屋宽向诸柱与房屋长向柱有效连结，控制宽度向柱的位移。2、从房屋的第②轴起，每3排拱桁架为一组用竖向交叉角钢支撑连结(俗称剪刀撑)，有剪刀撑开间，每个开间设三道剪刀撑，其进深向位置为，于跨中部(最高矢点处)设I 道，两边各距跨中点40M处，各设I道，剪刀撑上端与上梁焊接，下端与相邻拱桁架的下梁焊接，下弦梁的剪刀撑下端处，焊水平角钢连结杆，连结杆从房屋一端至另一端，全部开间均设，剪刀撑和水平撑应满足刚度要求。3、房屋两端柱，从檐口标高起往上将截面变小至b X 500 X 560各处柱按拱桁架上梁各相应点标高确定柱顶标高，柱顶间浇如拱桁架上梁一样弧度钢筋混凝土梁，梁内于钢檩梁位置设予埋铁，两端开间檩梁，一端焊于予埋铁上，另一端焊于拱桁架上梁上，全屋盖钢檩梁均焊于上梁上，通过以上措施，可保障房屋的整体空间刚度和拱桁架的稳定性。4、控制上梁受压后，每6m长范围矩钢侧向弯曲的措施每二接点间矩钢长6m、宽O. 24m,比值为6000/240=25 (倍)
查表折减系数为Φ=0. 62，所以应作补强处理，处理办法于上梁接点各距2000处两边， 设置角钢斜杆，另一端焊于檩梁下翼缘上，焊点距上梁2000 (斜45° )，这样弯曲系数为 2000/240=8. 33，按规范比值< 8无纵向弯曲，可以。这里要说明的是，对于拱式结构，现在有较多桥梁工程采用了纯拱结构，其基本形式是一个矢跨比较大的拱，由两端巨大桥墩抵抗水平推力，在拱下设垂直吊杆将桥面的水平梁提拉受力。但用到房屋上情况有较大区别，因为房屋不可能设太巨大的支座，所以只能靠下弦梁和钢索抵抗上梁的水平推力。五、例二直径240m拱桁式圆形屋盖设计
条件某圆形体育馆，周围设观众看台，要求采光，通风良好，要求保温隔热，因是该地区标志性建筑，且为人群密集的公共建筑，要求造型美观，具特色。设计思路概况
I、采用拱桁式架结构作为主受力构件。2、屋顶采用直径96m圆盖双层玻璃，面层用绿色或蓝色玻璃，下层用普通玻璃，可用小的不锈钢方管另起坡造型，为防冰雹砸碎玻璃，可在玻璃上设不锈钢丝网罩。2、可将部份看台轮圆柱42伸上至比拱架上梁相应部位标高低I. 0-1. 5m,这样在周围距外边不远处(15m左右)，用檩梁标高差的条件，形成多块三角形组合屋面造型，使整体屋顶呈花瓣状，正斜面三角块可盖绿或蓝玻璃，增加室内采光，圆心顶可用4. 5m以上直径空腹不锈钢球，大球上再迭D3. 5m左右空腹不锈钢球，大圆球周围做腰线型滴水线，避色雨水沿球流至连接钢盘顶，上设15米高金属旗杆，兼做避雷针。其余部份屋面铺设轻质隔热，防水屋面板。屋顶结构计算
计算综合系数及材料设计强度同例一
一、屋面荷载
屋面板 6KN/mX0. 12m=0. 72KN/m2，吊顶 O. 3KN/m2 雪载O. 75 KN/m2 合计I. 77 KN/m2 (不包括檩梁自重)
铝合金檩梁计算因两拱桁架间呈扇形，圆弧外边缘处弦长为31m，圆心处为0，檩梁长度9m处用I63b型钢梁，每m自重(查钢结构书表)131.5kg (13. 15KN)。(13. 15X9) / (6X9) XI. I (斜撑增重系数)=2. 41 KN/m2 2.41X2.7 (铝比重)/7. 85 (铁)=0. 83 KN/m2
因屋面各段的面积均不同，面积小的块，其檩梁相应较小，面积大的块，檩梁相应较大 (长度12m以上者，采用桁架式檩梁，故可都按O. 83 KN/m2计算，相差不大。)
屋面计算荷载总计
q= (I. 77+0. 83) X I. 44=2. 6KNX I. 44 (综合系数)=3. 74 KN/m2
二、上梁各接点处集中荷载计算通式P=相应处檩梁负荷面积Xq(为省篇幅计算过程从略)
距圆心6m处为①号，各处P如下(各接点位置见图第3页)
权利要求
1.一种轻质钢拱桁形成的大型建筑屋顶，它包括长方形屋顶和圆形屋顶，所述长方形屋顶包括平行间隔设置的拱桁架(34)，所述圆形屋顶包括径向交错设置的拱桁架(34)，其特征是所述拱桁架一端活动设置在砼柱(I)上、另一端固定设置在砼柱上，拱行架由下梁(6)、上梁(2)、吊杆(35)、斜杆(4)和钢索(5)组成，上梁与上梁之间设置有檩梁(33)，所述上梁由若干根短矩形钢用凸凹槽结构和钢铰销(14)连接成圆弧形，下梁由若干根短矩形钢夹板(8 )和螺栓(7 )连接而成，上梁两端通过企口钢楔(12 )固定在下梁上，下梁一端通过钢滚筒(10)可在砼柱上自由伸缩，下梁另一端固定在砼柱上，所述吊杆设置在上梁和下梁之间，斜杆两端与上梁和下梁活动相连，所述钢索水平缠绕在下梁上，钢索两端用钢索张紧装置(15)固定在下梁上。
2.根据权利要求I所述的一种轻质钢拱桁形成的大型建筑屋顶，其特征是在上梁中心交汇处设置有上圆钢盘(22)，上圆钢盘设置有榫头座(24)，榫头座内焊接固定有阳榫头(25)，所述阳榫头通过铰销(14)与上梁相连；在下梁中心交汇处设置有下圆钢盘(23)，所述下圆钢盘通过钢卡板(29)与连接钢突体(26)焊接固定相连，所述连接钢突体用螺栓(7) 与和钢夹板(8)与下梁固定相连。
全文摘要
本发明公开了一种轻质钢拱桁形成的大型建筑屋顶，它包括长方形屋顶和圆形屋顶的拱桁架(34)，所述拱桁架一端活动设置在砼柱(1)上、另一端固定设置在砼柱上，拱行架由下梁(6)、上梁(2)、吊杆(35)、斜杆(4)和钢索(5)组成，所述上梁由若干根短矩形钢用钢铰销(14)连接成圆弧形，下梁由若干根短矩形钢夹板(8)和螺栓(7)连接而成，上梁两端通过企口钢楔(12)固定在下梁上，下梁一端通过钢滚筒(10)可在砼柱上自由伸缩，下梁另一端固定在砼柱上，斜杆两端与上梁和下梁活动相连。本发明所述屋顶结构紧凑，质量较轻，刚性好，抗震能力较强，结构稳定性较高，建造成本低，施工又方便，建造工期短，可满足大跨距中间无支柱的体育场、文化娱乐中心、港口码头和大型飞机屋顶等使用要求。
文档编号E04B1/342GK102605885SQ20121009546
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月2日 优先权日2012年4月2日
发明者张培聪 申请人:张培聪