一种内置斜牵索的张弦桁架的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种内置斜牵索的张弦桁架，包括上弦杆、腹杆、节点套管、下弦索、斜牵索，所述上弦杆与腹杆通过焊接相贯连接，所述腹杆的下端与节点套管连接，所述下弦索穿过每个节点套管后两端分别固定在两端支座节点上，所述斜牵索对称布置，斜牵索的下端固定在支座节点上，斜牵索的上端与上弦固定节点连接，所述上弦固定节点可以为距离相邻支座节点五分之一至三分之一的张弦桁架跨度范围内上弦杆与腹杆的任意一个交点。本发明中由下弦索与斜牵索组成一个可以提供双向抗力的预应力系统，能适应风吸力荷载，本发明还具有钢材用量少、构造简单、制作成本低、性能好、施工容易等优点。
【专利说明】一种内置斜牵索的张弦桁架
【技术领域】
[0001] 本发明属于大跨度张弦屋盖结构【技术领域】的张弦桁架，特别涉及一种体内设置斜 牵索的张弦桁架。
【背景技术】
[0002] 张弦桁架结构最早由日本大学M. Saitoh教授在1986年提出，该结构是一种区别 于传统结构的新型杂交屋盖体系，其主要是由作为压弯部件的上弦桁架杆件、下弦柔性拉 索以及中间受压撑杆组成的自平衡混合结构，也是一种混合结构体系发展中比较成功的大 跨度预应力空间结构体。
[0003] 张弦桁架结构的特点是体系简单、受力明确、结构形式多样，充分发挥了刚柔材料 的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此已经获得了良好的应用。近几年来，以上海浦 东国际机场候机楼、广州国际会展中心、哈尔滨国际会展中心、北京农展馆、国家体育馆为 代表的大跨度张弦桁架屋盖结构已经成为我国标志性建筑。
[0004] 目前，本领域的研究人员普遍认为张弦桁架结构的受力机理是通过对下弦柔性拉 索施加预应力而使上弦桁架杆件产生反挠度，使得结构在荷载作用下的最终挠度得以减 小，而中间受压撑杆构成的上弦桁架采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下 弦柔性拉索承受，以减轻拱对支座产生的水平推力并减少滑动支座的水平位移。张弦桁架 结构可发挥高强索的强抗拉性能，改善整体结构的受力性能，使压弯构件与抗拉构件取长 补短，协同工作，从而达到自平衡。
[0005] 现有技术中的这种张弦桁架结构虽然具有许多优点，但仍然存在着几个比较大的 问题：（1)张弦桁架结构是一种风荷载敏感结构，对于现代的大跨度建筑，一般采用轻屋面 系统的张弦桁架结构，在风荷载较大地区或台风区域，在风吸力作用下可能出现下弦拉索 松弛或者受压而退出工作的情况，其自平衡体系亦不存在，安全度丧失，所以往往需要在屋 面备重确保风吸力作用下结构不失去稳定性和安全度，因此现有的张弦桁架结构不适应于 风吸力的作用；（2)现有技术中张弦桁架下弦索球由铸钢形成，需要特殊加工，难以制作成 标准件；（3)现有技术中的张弦桁架下部只有索球，张拉时下弦节点应有装置控制索球左 右移动，而又要确保索球产生向上的位移，施工辅助设备增多，施工难度较大。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术的不足，提供一种内置斜牵索的张弦桁架，包括上弦杆1、腹 杆2、节点套管3和支座节点6,所述腹杆2首尾顺次相接，其上端与所述上弦杆1通过焊接 相贯连接，其下端与所述节点套管3连接，所述支座节点6分别设置在所述张弦桁架的两端 下方，所述张弦桁架还包含双向抗力预应力系统，所述双向抗力预应力系统包括下弦索4、 上弦固定节点7和斜牵索5,其中，所述下弦索4顺次穿过每个节点套管3,其两端分别固定 在所述支座节点6上；所述上弦杆1靠近两侧端部的位置上各设置一个所述上弦固定节点 7 ;每个所述支座节点6通过所述斜牵索5与两个所述上弦固定节点7相连，组成等腰三角 形。
[0007] 进一步地，所述节点套管3内装有一个用于支撑所述下弦索4的定滑轮8,所述下 弦索4穿过定滑轮8。
[0008] 进一步地，所述节点套管3为球型结构。
[0009] 进一步地，所述下弦索4与斜牵索5的预应力取值准则为：在荷载组合F = F预应为 + - 17]?11--?)/2的作用下，所述张弦祐1架结构的坚向变形接近零。
[0010] 进一步地，所述上弦固定节点7为所述上弦杆1和腹杆2的交点，所述交点与相邻 的支座节点6间的距离为所述张弦桁架五分之一至三分之一的跨度距离。
[0011] 进一步地，所述上弦杆1为倒V字形，所述下弦索4为V字形。
[0012] 进一步地，所述腹杆2关于所述张弦桁架的中心线对称。
[0013] 本发明的有益效果：
[0014] 1.风吸力荷载作用下的性能比较
[0015] 现有技术中的张弦桁架结构需要在屋面进行备重，以确保负风压下结构不失去稳 定和安全度，但采用屋面备重的方法既增大了用钢量，又在结构承受常规坚向活荷载时加 重结构的负担；而本发明的张弦桁架配有斜牵索，斜牵索的主要作用就是在风吸力的作用 下防止结构产生过大的反挠度，从而确保下弦拉索不松弛，另外在结构承受常规坚向活荷 载时，斜牵索也能为张弦桁架提供弹性支撑，其工作机理如下：下弦索与斜牵索在预张拉 后形成一个具有双向抗力的预应力系统，结构在常规坚向活荷载作用下，下弦索的内力增 大，为腹杆提供弹性支承，斜牵索的内力减小，换句话说斜牵索的内力增量指向斜牵索的上 端，此内力增量用于抵抗坚直向下的活荷载，斜牵索等于给张弦桁架提供了弹性支撑，在风 吸力作用下，下弦索内力减小，即原先那部分下弦索对腹杆的上顶力减小，斜牵索的内力增 大，对结构的反向变形有良好的牵制作用。
[0016] 2.节点构造比较
[0017] 现有技术中张弦桁架下弦索球由铸钢形成，需要特殊加工，难以制作成标准件；而 本发明的张弦桁架的定滑轮可以制作成标准件，可由一般机械工厂加工，且费用较低，构造 简单易行。
[0018] 3施工安装难易程度比较：
[0019] 现有技术中的张弦桁架下部只有索球，张拉时下弦节点应有装置控制索球左右移 动，而又要确保索球产生向上的位移，施工辅助设备增多，施工难度较大；而本发明的张弦 桁架下弦索通过定滑轮传力给节点套管，进而将上顶力传给腹杆，其摩擦力大大减小，使下 节点左右摆动本来就小，再加上下弦节点自由度已被四角锥形腹杆约束，张拉下弦索时无 需对下弦节点增加辅助装置，从而大大减小施工费用。
[0020] 因此，本发明与现有技术相比，具有钢材用量低、造价低廉、结构稳定性好、并适用 于风吸力荷载的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的一种体内设置斜牵索的张弦桁架的结构示意图；
[0022] 图2为本发明的一种体内设置斜牵索的张弦桁架的俯视图；
[0023] 图3为本发明的腹杆与上弦杆相贯连接的结构示意图；
[0024] 图4为图1的A-A剖面图；
[0025] 图5为图1的B-B剖面图；
[0026] 图6为图1的C-C剖面图；
[0027] 图7为本发明的腹杆与节点套管连接所形成的下弦节点结构示意图；
[0028] 图8为采用本发明的张弦桁架屋盖的示意图。
[0029] 图中：1_上弦杆；2-腹杆；3-节点套管；4-下弦索；5-斜牵索；6-支座节点；7-上 弦固定节点；8-定滑轮。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附 图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的 一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员 在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 本【技术领域】技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术 术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应 该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的 意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0032] 本发明中所述的"和/或"的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均 包括在内。
[0033] 本发明中所述的"内、外"的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方 向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。
[0034] 本发明中所述的"左、右"的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左， 阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。
[0035] 本发明中所述的"连接"的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过 其它部件的间接连接。
[0036] 图1为本发明的一种体内设置斜牵索的张弦桁架的结构示意图；图2为本发明的 一种体内设置斜牵索的张弦桁架的俯视图；图3为本发明的腹杆与上弦杆相贯连接的结构 示意图；图4为图1的A-A剖面图；图5为图1的B-B剖面图；图6为图1的C-C剖面图； 图7为本发明的腹杆与节点套管连接所形成的下弦节点结构示意图；图8为采用本发明的 张弦桁架屋盖的示意图。
[0037] 如图1所示为本发明一种体内设置斜牵索的张弦桁架的结构示意图。该张弦桁架 包括上弦杆1、腹杆2、节点套管3、下弦索4、斜牵索5,上弦杆1与腹杆2通过焊接相贯连接 (参见图3)，腹杆2的下端与节点套管3连接（参见图7)，下弦索4穿过每个节点套管3后 两端分别固定在两端支座节点6上，斜牵索5对称布置（参见图2)，斜牵索5的下端固定在 支座节点上，斜牵索5的上端与上弦固定节点7连接，上弦固定节点7可以为距离相邻支座 节点6五分之一至三分之一的张弦桁架跨度范围内上弦杆1与腹杆2的任意一个交点。
[0038] 如图7所示，节点套管3为球型结构，每个节点套管3内都装有一个用于支撑下弦 索4的定滑轮8,下弦索4穿过定滑轮8 (参见图5)。
[0039] 本发明一种体内设置斜牵索的张弦桁架的基本工作原理如下：对下弦索4及斜牵 索5以结构在"预应力+恒荷载+(活荷载-风吸荷载）/2"共同作用下，结构坚向变形接近 零为准则施加预应力，使结构在"预应力+恒荷载"共同作用下产生适量的反挠度，此准则 的好处是使得"预应力+恒荷载+活荷载"共同作用下结构向下的总位移与"预应力+恒荷 载+风吸荷载"共同作用下结构向上的总位移大致相等，实现资源的优化配置从而达到节 约钢材的目的；在"预应力+恒荷载"状态下，下弦索4与斜牵索5形成一个能够提供双向 抗力的预应力系统，结构在常规坚向活荷载作用下，下弦索的内力增大，为腹杆提供弹性支 承，斜牵索的内力减小，换句话说斜牵索的内力增量指向斜牵索的上端，此内力增量用于抵 抗坚直向下的活荷载，斜牵索等于给张弦桁架提供了弹性支撑，在风吸力作用下，下弦索内 力减小，即原先那部分下弦索对腹杆的上顶力减小，斜牵索的内力增大，对结构的反向变形 有良好的牵制作用。
[0040] 本发明的一种体内设置斜牵索的张弦桁架可以形成如图8所示的空间屋盖。
[0041] 以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对 本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明 构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种内置斜牵索的张弦桁架，包括上弦杆（1)、腹杆（2)、节点套管（3)和支座节点 (6) ，所述腹杆（2)首尾顺次相接，其上端与所述上弦杆（1)通过焊接相贯连接，其下端与所 述节点套管（3)连接，所述支座节点（6)分别设置在所述张弦桁架的两端下方，其特征在 于，所述张弦桁架还包含双向抗力预应力系统，所述双向抗力预应力系统包括下弦索（4)、 上弦固定节点（7)和斜牵索（5)，其中，所述下弦索（4)顺次穿过每个节点套管（3)，其两端 分别固定在所述支座节点（6)上；所述上弦杆（1)靠近两侧端部的位置上各设置一个所述 上弦固定节点（7);每个所述支座节点（6)通过所述斜牵索（5)与两个所述上弦固定节点 (7) 相连，组成等腰三角形。
2. 根据权利要求1所述一种内置斜牵索的张弦桁架，其特征在于，所述节点套管（3)内 装有一个用于支撑所述下弦索（4)的定滑轮（8)，所述下弦索（4)穿过定滑轮（8)。
3. 根据权利要求2所述一种内置斜牵索的张弦桁架，其特征在于，所述节点套管（3)为 球型结构。
4. 根据权利要求3所述一种内置斜牵索的张弦桁架，其特征在于，所述下弦索（4)与斜 牵索（5)的预应力取值准则为：在荷载组合F = F预应力+F恒荷载+ (F活荷载一F风吸荷载）/2的作用 下，所述张弦桁架结构的坚向变形接近零。
5. 根据权利要求3或4所述一种内置斜牵索的张弦桁架，其特征在于，所述上弦固定节 点（7)为所述上弦杆（1)和腹杆（2)的交点，所述交点与相邻的支座节点（6)间的距离为 所述张弦桁架五分之一至三分之一的跨度距离。
6. 根据权利要求5所述一种内置斜牵索的张弦桁架，其特征在于，所述上弦杆（1)为倒 V字形，所述下弦索（4)为V字形。
7. 根据权利要求6所述一种内置斜牵索的张弦桁架，其特征在于，所述腹杆⑵关于所 述张弦桁架的中心线对称。
【文档编号】E04C3/11GK104060759SQ201410258884
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】顾盛, 郭君渊, 曹洁, 唐柏鉴 申请人:江苏科技大学, 昆山市建设工程质量检测中心