一种大跨度机库边桁架预应力结构体系及其施工方法与流程

本发明涉及一种钢桁架的预应力结构体系及其施工方法，特别是一种大跨度机库边桁架的预应力体系及其施工方法。

背景技术：

现有的大型宽体双机位维修机库的跨度一般为140m～160m，进深一般为80m～100m，高度则视屋盖悬挂设备的情况一般为24.5m～29.5m。机库大门一般均面向滑行道或停机坪，附属用房根据人流、物流关系可在机库其他三面环绕布置。双机位机库跨度均超过120m，而且机库屋盖三边支承，一边开敞，因此大跨度的机库屋盖设计一直是机库设计的重点及其难点。

以往的设计中，大跨度机库屋盖一般均采用三层平板型钢网架结构，平面上三边设有钢筋混凝土柱支承，沿结构跨度方向的一边开敞无落地支承，开敞边采用由两榀大跨度钢桁架组成的空间箱型梁作为边缘构件支承屋盖网架。现有的结构体系布置参见图1，大门桁架与屋盖钢结构通过腹杆和节点连接，桁架单元杆件内力主要为轴力，所以其截面选型采用各方向拉、压承载力均相同的钢管，材料利用率最高，技术经济指标最佳。但大跨度机库大门桁架杆件内力巨大，最大可达5000吨之巨，超出了圆钢管的承载力极限，所以传统的机库设计中，大门桁架截面选型一般均采用承载力更高的H型或箱型截面。

大门桁架的传统设计存在以下不足之处：

1.相比圆钢管截面，H型或箱型截面加工、制作及拼装难度大、周期长；

2.截面内会产生较大的约束内力，造成截面很大的一部分用来承受约束内力，材料利用率低；

3.截面板件厚度一般会超过60mm，厚钢板由于轧制原因，强度衰减很大，若采用强度衰减小的高性能厚钢板，除了价格昂贵外，采购周期很长；

4.大门桁架支承柱在大门桁架的巨大反力作用下，会产生巨大的约束内力，降低了大门桁架支承柱有效承载外荷载的能力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大跨度机库边桁架预应力结构体系及其施工方法，要解决现有大门桁架存在非圆截面制作困难、材料利用率低、价比不理想以及降低大门桁架支承柱的有效承载外荷载的能力的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大跨度机库边桁架预应力结构体系，包括沿机库三边间隔设置的屋盖支承柱、固定在屋盖支承柱顶部的平板型的屋盖钢结构、位于屋盖支承柱开敞边一侧并且沿机库进深方向间隔设置的大门桁架支承柱以及固定在大门桁架支承柱顶部的大门桁架，所述大门桁架为不规则截面空间桁架，大门桁架的上弦杆个数多于下弦杆个数，所述大门桁架包括屋盖钢结构的最外榀桁架，所述大门桁架的下弦杆内设置有体内预应力钢绞线索，所述体内预应力钢绞线索分别通过位于下弦杆两端的锚固端节点和张拉端节点完成预张拉，所述下弦杆的两端内部、预应力钢绞线索的两个端部外侧粘结段灌注有混凝土。

所述大门桁架是由三榀平面桁架通过腹杆和相应的节点连接组成的不规则截面空间桁架，所述三榀平面桁架分别为两榀预应力双层桁架和一榀连接桁架，三榀平面桁架的上弦杆标高相同，预应力双层桁架的预应力双层桁架下弦杆分别坐至相应两排大门桁架支承柱的顶部，所述预应力双层桁架下弦杆内设有体内预应力钢绞线索。

所述大门桁架与屋盖钢结构的标高相同，所述连接桁架包括屋盖钢结构的最外榀桁架，最外榀桁架上弦杆与预应力双层桁架上弦杆标高相同，最外榀桁架下弦杆与预应力双层桁架中弦杆标高相同。

所述大门桁架的标高高于屋盖钢结构的标高，所述连接桁架包括屋盖钢结构的最外榀桁架和该最外榀桁架上弦杆上侧增设的受压分流上弦杆，所述受压分流上弦杆与预应力双层桁架上弦杆的标高相等，该受压分流上弦杆通过竖腹杆与最外榀桁架上弦杆连接，该受压分流上弦杆通过水平腹杆与预应力双层桁架上弦杆连接。

一种大跨度机库边桁架预应力结构体系的施工方法，施工步骤如下：

步骤一，根据大跨度机库的设计要求在工厂加工屋盖钢结构的杆件和节点，加工大门桁架并分段运送至现场；

步骤二，拼装屋盖钢结构和大门桁架将两者连接为一体；

步骤三，对拼装好的屋盖钢结构和大门桁架一同提升到设计标高后，将两者吊装在已经浇筑好的屋盖支承柱和大门桁架支承柱上；

步骤四，按设计要求在大门桁架的下弦杆内穿体内预应力钢绞线索；

步骤五，在下弦杆的两端部分别设置锚固端节点和张拉端节点，

步骤六，在锚具安装完毕后，对体内预应力钢绞线进行多次张拉，直至张拉至设计预拉力；

步骤七，为弥补预应力损失，对步骤六之后的体内预应力钢绞线进行超张拉；

步骤八，超张拉完毕后，在大门桁架的下弦杆的两端设置的粘结段内灌注微膨胀混凝土。

所述步骤四中，体内预应力钢绞线索外穿过大门桁架的下弦杆的过程中外套有内衬管，该内衬管的直径根据体内预应力钢绞线索的直径确定，所述体内预应力钢绞线索的两端超出内衬管，超出部分的外侧为粘结段在步骤七中灌注微膨胀混凝土。

所述步骤五中，所述张拉端节点包括预应力双层桁架下弦杆、内衬管、位于节点钢球的外侧并固定在预应力双层桁架下弦杆端面的张拉端头板、位于张拉端头板外侧的锚具以及套在锚具外侧的保护罩，位于张拉端头板与节点钢球之间的预应力双层桁架下弦杆上开有灌浆孔。

所述步骤五中，所述锚固端节点包括预应力双层桁架下弦杆、内衬管、位于节点钢球的外侧并固定在预应力双层桁架下弦杆端面的锚固端头板，位于锚固端头板与节点钢球之间的预应力双层桁架下弦杆上开有灌浆孔。

所述粘结段的预应力双层桁架下弦杆上开有透气孔。

所述预应力双层桁架下弦杆通过中间节点的节点钢球时，位于预应力双层桁架下弦杆的内壁、节点钢球范围内的内衬管的外壁之间套有至少两道环形隔板。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明中的大跨度机库边桁架预应力结构体系，大门桁架和屋盖钢结构不再通过腹杆和相应的节点连接，而是将机库屋盖开敞边大门桁架设计成不规则的箱形截面，大门桁架包括屋盖钢结构最外榀桁架，此时上弦设置的受压弦杆个数大于受拉弦杆的个数，此时上弦受压内力被分散，其截面选型采用圆钢管也可以满足受力需要。下弦两排受拉弦杆中则设置通长的高强体内预应力钢绞线，并在大门桁架两端设置锚固端及张拉端，通过对预应力钢绞线进行有效的预张拉，除在大门桁架中建立预应力状态改善其受力性能外，体内预应力钢绞线与下弦圆钢管还可以组成组合截面共同受力，利用高强钢绞线的抗拉能力弥补圆钢管承载力的不足，使机库大门桁架上下弦杆均可以采用圆钢管截面。

本发明与传统做法相比首先提高了大门桁架的竖向支承刚度，改善其支承的屋盖钢结构的受力性能；其次有效减小屋盖大门开敞边的挠度，满足屋盖设置的悬挂设备运行的需求；再次可有效减少大门开口边桁架支承柱的约束内力，有效改善其抵御外荷载的能力；同时由于体内预应力技术的采用，采用球、管桁架即可成功跨越140m跨度以上的单跨机库，极大地提高了结构的技术经济指标。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是背景技术中现有结构体系布置图。

图2是实施例一的侧视结构示意图。

图3是实施例二的侧视结构示意图。

图4是实施例二的平面结构示意图。

图5是图2中A-A剖面结构示意图。

图6是图2中B-B剖面结构示意图。

图7是张拉端节点的结构示意图。

图8是锚固端节点的结构示意图。

图9是中间节点的结构示意图。

图10是预应力双层桁架下弦杆的横截面示意图。

图11是传统机库大门桁架计算简图。

图12是传统机库大门桁架弯矩图。

图13是传统机库大门桁架挠度图。

图14是传统机库大门桁架支承柱在重力荷载工况下的弯矩图。

图15是本发明结构计算简图。

图16是本发明大门桁架弯矩图。

图17是本发明机库结构挠度图。

图18是本发明大门桁架支承柱在重力荷载工况下的弯矩图。

附图标记：1－屋盖支承柱、2－屋盖钢结构、3－大门桁架支承柱、4－大门桁架、5－预应力双层桁架、5.1－预应力双层桁架上弦杆、5.2－预应力双层桁架中弦杆、5.3－预应力双层桁架下弦杆、6－环形隔板、7－最外榀桁架、7.1－最外榀桁架上弦杆、7.2－最外榀桁架下弦杆、8－受压分流上弦杆、9－竖腹杆、10－水平腹杆、11－体内预应力钢绞线索、12－内衬管、13－张拉端头板、14－锚具、15－灌浆孔、16－节点钢球、17－锚固端头板、18－透气孔、19－保护罩。

具体实施方式

实施例一参见图2所示，屋盖钢结构2设计为网架结构，这种大跨度机库边桁架预应力结构体系，包括沿机库三边间隔设置的屋盖支承柱1、固定在屋盖支承柱1顶部的平板型的网架结构、位于屋盖支承柱1开敞边一侧并且沿机库进深方向间隔设置的大门桁架支承柱3以及固定在大门桁架支承柱3顶部的大门桁架4，所述大门桁架4为不规则截面空间桁架，大门桁架4的上弦杆个数多于下弦杆个数，所述大门桁架4包括网架结构的最外榀桁架7，即最外榀桁架7做为大门桁架的其中一榀桁架受力，所述大门桁架的下弦杆内设置有体内预应力钢绞线索11，所述体内预应力钢绞线索分别通过位于下弦杆两端的锚固端节点和张拉端节点完成预张拉，所述下弦杆的两端内部、预应力钢绞线索11的两个端部外侧粘结段灌注有混凝土。

所述大门桁架4是由三榀平面桁架通过腹杆和相应的节点连接组成的不规则截面空间桁架，所述三榀平面桁架分别为两榀预应力双层桁架5和一榀连接桁架，三榀平面桁架的上弦杆标高相同，预应力双层桁架的预应力双层桁架下弦杆5.3分别坐至相应两排大门桁架支承柱3的顶部，所述预应力双层桁架下弦杆5.3内设有体内预应力钢绞线索11。

所述大门桁架4与屋盖网架的标高相同，所述连接桁架包括屋盖网架的最外榀桁架7，最外榀桁架7的最外榀桁架上弦杆7.1与预应力双层桁架的预应力双层桁架上弦杆5.1标高相同，最外榀桁架的最外榀桁架下弦杆7.2与预应力双层桁架的预应力双层桁架中弦杆5.2标高相同。

实施例二参见图3所示，与实施例一不同的是，所述大门桁架4的标高高于屋盖网架的标高，所述连接桁架包括屋盖网架的最外榀桁架7和该最外榀桁架7的最外榀桁架上弦杆7.1上侧增设的受压分流上弦杆8，所述受压分流上弦杆8与预应力双层桁架的预应力双层桁架上弦杆5.1的标高相等，该受压分流上弦杆8通过竖腹杆9与最外榀桁架上弦杆7.1连接，该受压分流上弦杆8通过水平腹杆10与预应力双层桁架上弦杆5.1连接。

参见图4-6所示，机库的宽度为s，屋盖网架的进深为D1，高度为H2，大门桁架4的进深为D2，高度为H1。

这种大跨度机库边桁架预应力结构体系的施工方法，施工步骤如下：

步骤一，根据大跨度机库的设计要求在工厂加工屋盖网架的杆件和节点，加工大门桁架4并分段运送至现场。

步骤二，拼装屋盖网架和大门桁架4将两者连接为一体。

步骤三，对拼装好的屋盖网架和大门桁架4一同提升到设计标高后，将两者吊装在已经浇筑好的屋盖支承柱1和大门桁架支承柱4上。

步骤四，按设计要求在大门桁架的下弦杆内穿体内预应力钢绞线索；

其中步骤四中，按设计要求在大门桁架的下弦杆内穿体内预应力钢绞线索可以在拼装大门桁架的同时，也可以提升到设计标高后在高空作业。体内预应力钢绞线索11外穿过大门桁架的下弦杆的过程中外套有内衬管12，该内衬管的直径根据体内预应力钢绞线索的直径确定，所述体内预应力钢绞线索11的两端超出内衬管12，超出部分的外侧为粘结段在步骤七中灌注微膨胀混凝土。参见图7和图8所示，所述粘结段的长度为L。

步骤五，在下弦杆的两端部分别设置锚固端节点和张拉端节点。

参见图7所示，所述张拉端节点包括预应力双层桁架下弦杆5.3、内衬管12、位于节点钢球16的外侧并固定在预应力双层桁架下弦杆5.3端面的张拉端头板13、位于张拉端头板13外侧的锚具14以及套在锚具外侧的保护罩19，位于张拉端头板13与节点钢球16之间的预应力双层桁架下弦杆5.3上开有灌浆孔15。

参见图8所示，锚固端节点包括预应力双层桁架下弦杆5.3、内衬管12、位于节点钢球16的外侧并固定在预应力双层桁架下弦杆5.3端面的锚固端头板17，位于锚固端头板17与节点钢球16之间的预应力双层桁架下弦杆5.3上开有灌浆孔15，所述粘结段的预应力双层桁架下弦杆5.3上开有透气孔18。

参见图9-10所示，所述预应力双层桁架下弦杆5.3通过中间节点的节点钢球16时，位于预应力双层桁架下弦杆5.3的内壁、节点钢球16范围内的内衬管12的外壁之间套有至少两道环形隔板6，环形隔板对内衬管12在预应力双层桁架下弦杆5.3内部起到限位的作用。

步骤六，在锚具安装完毕后，对体内预应力钢绞线进行多次张拉，直至张拉至设计预拉力。

步骤七，为弥补预应力损失，对步骤五之后的体内预应力钢绞线进行超张拉。

步骤八，超张拉完毕后，在大门桁架的下弦杆的两端设置的粘结段内灌注微膨胀混凝土。

参见图1，传统单跨机库结构大门开敞边设置的边缘构件即大跨度钢桁架沿跨度方向整体上表现为单跨简支梁，其计算简图如图11所示，按结构力学的计算方法可以得到其弯矩及挠度图，最大值均发生在跨中，分别为ql²/8及5ql⁴/（384EI），如图12-13。

由于变形协调，大门桁架在重力荷载工况下产生的水平推力，会在大门桁架支承柱柱底产生的约束弯矩M_t，计算简图及弯矩图如图14。本发明大门桁架体内预应力钢绞线索布置图如图15所示，弯矩及挠度布置图见图16-17，大门柱弯矩图见图18。图11-18中，各个字母分别为q—大门桁架等效均布荷载；T—预拉力；l—机库跨度；h—柱高；EI—大门桁架截面抗弯刚度；M_t—大门桁架支承柱在重力荷载工况下的约束弯矩；M_pr—预应力削减的大门桁架弯矩；M_i—预应力张拉削减的弯矩；f_pr—大门桁架预应力反拱值。

上述结构分析表明：

第一、对于大跨度机库结构，通常大门桁架占整个屋盖结构自重的40%以上。本发明通过对大门桁架下弦施加预压力，可以有效减小下弦杆件截面，减轻结构自重；

第二，大门桁架下弦进行预张拉产生的反拱值f_pr，可有效减小大门桁架挠度30%以上，极大地改善了屋盖的变形性能；

第三，大门桁架下弦进行预张拉还能有效地削减大门桁架在重力荷载作用下产生的巨大的水平推力，从而削减80%以上大门支承柱在重力荷载工况下的约束弯矩，极大地提高了大门桁架抵御外荷载的能力；

第四，大门桁架下弦进行预张拉可部分地削减大门桁架的内力峰值；

总之，通过设置大门下弦预应力钢绞线，并对其进行有效地预张拉，采用球管桁架即可成功地跨越140m以上的跨度，除减少了屋盖用钢量，而且缩短了加工、制作周期。