一种具有稳定预应力的结构单元体的制作方法

本实用新型属于建筑工程领域，提供一种具有稳定预应力的结构单元体。

技术背景

现有技术中的桁架式结构单元体，使其具有预应力的很少，而能够做到结构简单、制作方便而预应力效果好的方案更是没有。在实际应用中，随着大空间甚至超大空间建筑的设计越来越多，具有稳定预应力效果的结构单元体以及由其组装桁架、网架或网壳以及门式刚架结构，以实现其预应力效果，而组成大空间及超大空间结构及维护结构的需求需要新的设计来满足。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术的问题，提供一种具有稳定预应力的结构单元体。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种具有稳定预应力的结构单元体，用于运输和组装结构物，其功能的实现是通过本结构单元体节点处“铰”施加预应力，其特征在于：

所述结构单元体包括上弦杆、下弦杆和腹杆，每根所述腹杆的两端分别与所述上弦杆和下弦杆固连，所述节点由所述上弦杆或所述下弦杆和两根所述腹杆构成，在至少部分所述节点处构成的具有预应力的“铰”是：包括节点板、两个单支和加压心块，在具有铰的所述节点处还包括腹杆节点板；

两个所述单支，其中一个所述单支与构成所述节点的所述上弦杆或所述下弦杆通过所述节点板固连，另一个所述单支与一根所述腹杆也通过所述节点板固连，所述腹杆为c系列腹杆，两个所述单支之间留有一开口，该开口的外端较宽，向内逐渐变窄；与所述上弦杆或所述下弦杆固连的；

所述加压心块挤压在两个所述单支之间的所述开口中，使得固连所述单支的所述腹杆和所述上弦杆或所述下弦杆产生预应力；

还包括所述预应力的保持结构，以使得铰的预应力得到保持；

所述腹杆节点板与另一根所述腹杆的端部固连，所述腹杆为d系列腹杆，该腹杆节点板穿过所述加压心块和两个单支上形成的缝隙与所述节点板固连，使得所述d系列腹杆的杆中心线与c系列腹杆和所述上弦杆或所述下弦杆的中心线的交点交汇。

优选地，两个所述单支均由成对的两个半单支组成，成对的两个所述半单支相对地设置在所述节点板的两侧面上，成对的两个所述半单支之间构成所述缝隙；所述加压心块也是由成对的两个半加压心块组成，在所述节点板同侧固定的两个所述半单支之间的开口上挤压设置一个所述半加压心块，两个所述半加压心块之间形成所述缝隙。

优选地，所述预应力的保持结构是所述单支或所述半单支与所述节点板之间的固结结构；也可以替换为，是两个所述单支与加压心块之间或者所述半单支与所述半加压心块之间的固结结构。也可以是同时具有上述两种预应力的保持结构。

优选地，所述单支与所述节点板的固结结构是焊接结构，每个所述单支与所述节点板之间有两个固连焊缝，其中一个焊缝为初始焊缝，在所述单支的端部，以使得单支与节点板初始连接，另一个焊缝为铰固结焊缝，在所述单支的侧边缘上，构成所述预应力的保持结构。

对于由两个半单支组成的单支，优选地，每个所述半单支在所述节点板的相应侧面上有两个固连焊缝，其中一个焊缝在所述半单支的端部，以使得所述半单支与所述节点板的该侧面初始连接，另一个焊缝在所述半单支的侧边缘上，构成所述预应力的保持结构。

所述加压心块的与两个所述单支接触的侧面为向内倾斜的斜面。

对于由两个半加压心块组成的加压心块，优选地，所述半加压心块的与两个所述半单支接触的侧面为向内倾斜的斜面。

本单元结构体还包括边立杆，该边立杆的两端分别与所述上弦杆和所述下弦杆相对的端头固连。

优选地，所述开口的内端宽30mm，外端宽45mm。

优选地，所述加压心块或半加压心块最窄端宽35mm，最宽端宽45mm，倾斜部分的高度为40mm。

进一步地，所述结构单元体侧视可以是呈直线型，或是带有坡度的直线型，或是曲线型。

优选地，所述腹杆节点板可以直接与所述节点板连接，也可以通过一连接板与所述节点板固连。

所述铰可以是刚性铰，或者是半刚性铰，或者是柔性铰。

所述结构单元体的截面可以为工字型。

由所述结构单元体组合起来的组合体的截面为如下之一：正方形、矩形、梯形、三角形。

由所述结构单元体组合起来的组合体可以为x-y二维结构，也可以为x-y-z三维结构。

所述结构单元体可以这样应用：

以所述结构单元体组装具有预应力特征的大跨度的桁架。本结构单元体可以是一种桁架，而将几个桁架组成大跨度的桁架。

以所述结构单元体组装具有预应力特征的网架结构。例如用两个桁架组成网架。

以所述结构单元体组装具有预应力特征的网壳结构。例如用带有坡度的直线型或曲线型的本结构单元体就可以组成网壳结构。

以所述结构单元体组装具有预应力特征的大型构筑物。用二维或三维结构、直线型或曲线型的本结构单元体就可以组成大型构筑物。

以所述结构单元体同样可以组装具有预应力特征的维护结构物。

还可以将可施加预应力的“铰”与门式刚架组合应用。

上述结构单元体可以这样制作：

按照设计要求加工前述的上弦杆、下弦杆、腹杆和腹杆节点板，腹杆包括c系列腹杆和d系列腹杆，另外，还加工构成所述铰的前述的单支、加压心块和节点板，将前述的上弦杆、下弦杆、c系列腹杆以及前述的节点板和两个单支连接起来；所述加压心块置于两个所述单支之间的开口上；

用外力通过对所述加压心块施加压力使得前述的铰产生预紧力，并通过所述预应力的保持结构保持该预应力。

该外力依靠（通过、借助、占有）铰的加压心块对铰施压是本方法的核心。

具体地可以包括如下步骤：

步骤1：按照设计要求加工上弦杆、下弦杆、腹杆、边立杆和腹杆节点板，另外，还加工构成所述铰的单支、加压心块和节点板；

其中，

所述单支为成对的两个半单支，；

所述加压心块为成对的两个半加压心块，两个半加压心块相对的侧面通过钢筋连接而保持构成所述缝隙的间距；

将d系列腹杆的端部固定在腹杆节点板上；

步骤2：加工平台；

在平台上设置上弦杆和下弦杆的外边界卡位支座；

在平台上设置垫块；

在平台上距离所述上弦与下弦杆设定距离处设置千斤顶支座，用于设置千斤顶而实施预张拉；

步骤3：结构单元体的组装

将所述上弦杆和所述下弦杆安放于卡位支座之内的平台垫块上；

再将结构单元体两端的边立杆与上下弦杆焊接定位；

在要施加预应力的各个节点位置上固连节点板，通过节点板固定安装c系列腹杆；

在节点板上安装单支，成对的半单支固定在节点板的两个侧面上，半单支的端部与节点板焊接形成初始焊缝，相对的半单支之间留有外端较宽，向内逐渐变窄的开口；

将连在一起的两个半加压心块分别插设在由四个半单支构成的两个开口中，通过在平台上的千斤顶支座上设置的千斤顶牵拉套设在两个半加压心块上的钢索，让加压心块挤进所述开口对铰施加预应力；

对于四个半单支进行二次焊接，形成预应力的保持结构：铰固结焊缝；和/或，在半加压心块和其两侧的半单支之间进行焊接，形成预应力的保持结构。

切断两个半加压心块之间连接的钢筋，使得相对的两对半单支和两个半加压心块之间的所述缝隙贯通；

将固定有d系列腹杆的腹杆节点板插设在所述缝隙中，该腹杆节点板与所述节点板固连成一体。

优选地，在步骤1中，所述半单支为槽钢制作，所述半单支的构成所述铰的一端，在距离顶端100mm的范围内，用钢板封闭该段槽钢的槽口，形成封闭的矩形截面，在半单支的该顶端加工出与半加压心块倾斜的侧面匹配的切口面，该切口面由钢板封口焊接。

优选地，在步骤2中，所述垫块高出平台面10-20cm。

优选地，在步骤2中，在平台上距离所述上弦与下弦杆200cm-300cm处设置所述千斤顶支座。

在步骤1中，还加工定位工具，其为一模板，该模板上具有三个边缘，其中两个边缘为单支抵靠边缘，与构成所述节点处具有预应力的“铰”中两个半单支的走向相同，另一个边缘为弦杆抵靠边缘；在步骤3中安装所述半单支时，将该模板靠在所述节点板的一个侧面上，该弦杆抵靠边缘与所述上弦杆或所述下弦杆抵靠，然后将两个半单支靠着模板的两个单支边缘贴合在节点板的侧面上，然后实施初始焊缝的焊接。

本实用新型的特点是利用设于节点的“铰”(含刚性铰、半刚性铰、柔性铰)施加预应力，以达到提高结构物的承载能力，并节约钢材的目的，各类铰的支座端必须牢固可靠，绝对不能发生移位。

本实用新型对结构单元体施加预应力(加压)，并对节点处的“铰”固结之后，该结构单元体具有很好的稳定性。便于运输和组装，而组装的结构物具有预应力特征。

本实用新型适应性广泛，可以将结构单元体组装成较大跨度的桁架，亦可将结构单元体组装成网架、网壳结构。结构单元体侧视可呈直线型，带有坡度的直线型，或是曲线型。其截面可呈现工字型，组合起来后可构成截面为方型、矩型、梯型、三角型的组合体，或是组合型的x-y二维空间，或是呈x-y-z三维空间，具有较好的灵活性，变异性。

可施加预应力的“铰”可以与门式刚架组合应用。

本实用新型提供的结构单元体亦可组装具有超大空间的构筑物及维护结构。

大量工程实践表明，当对一个桁架体系施加预应力时，钢索的预张拉力会作用于下弦，并使其产生压应力。这一个外力干预，也会促使整个桁架体系产生相应的调整，即桁架的上弦节点有微升及拉应力的出现；以及腹杆应力应变的调整。——这即为桁架自应力的调整，以保持桁架的整体稳定。这个现象表明我们对桁架体系的适度干预，不会破坏桁架整个体系的稳定性。同时也是提高桁架体系承载能力，并节约原材料的重要手段。

对于上述现象的认识；——我们对结构单元体的合理适度的干预，也必定是提高其承载能力，节约原材料的重要手段。

因此获得一个具有稳定预应力效果的结构单元体，发挥可施加预应力的“铰”在结构物组合中的作用具有重要的实际效益。

下面通过附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型提供的结构单元体的整体结构示意图。

图1a为本实用新型提供的另一种结构单元体的整体结构示意图。

图2为图1和图1a中的a部局部放大图，显示d系列腹杆及节点板与下弦杆及c系列腹杆及其节点板之间的关系以及焊接连接的示意图。

图3为图2中铰的结构示意图，显示本实用新型的可施加预应力的铰构成及其与结构单元体中c系列腹杆以及下弦杆的连接结构。

图4为图2的a-a剖视图，显示腹杆节点板穿过单支及加压心块形成的缝隙再与节点板连接的结构。

图5为加压心块的俯视结构示意图。

图5a为带有张拉钢索卡位的加压心块的俯视结构示意图。

图6为加压心块的侧视结构示意图。

具体实施方式

对本实用新型的初步认识可参见图1至图6，结构单元体包括上弦杆1、下弦杆2和腹杆3，每根腹杆的两端分别与上弦杆1和下弦杆2固连，在一个节点上，有两根腹杆3的端头在上弦杆或下弦杆上汇聚，即由上弦杆1或下弦杆2和两根所腹杆3构成，还包括边立杆0，边立杆0的两端分别与上弦杆1和下弦杆2相对的端头固连。

如图2所示为本实用新型提供的结构单元体中一个具有预应力的下弦节点处的铰的结构，包括节点板4、两个单支和加压心块5，还包括腹杆节点板6。

两个单支，其中一个单支7与构成节点的下弦杆2通过节点板4固连，另一个单支8与一根腹杆31也通过节点板4固连，通过节点板4连接下弦杆2的腹杆为c系列腹杆31。两个单支之间留有一开口，该开口的外端较宽，向内逐渐变窄，具体到本实施例，开口的内端宽30mm，外端宽45mm。

前述的单支7和单支8均由成对的两个半单支组成，如图4所示，成对的两个半单支a相对地设置在节点板4的两侧面上，成对的两个半单支a之间构成缝隙b；缝隙b的宽度应大于腹杆节点板6的厚度。

如图3所示，加压心块5挤压在两个单支之间的开口中，使得固连单支7的c系列腹杆31和下弦杆2产生预应力，加压心块5与两个单支固连。

加压心块5也可以是由成对的两个半加压心块5b组成，如图5所示，在节点板4同侧固定的两个半单支a之间的开口上设置一个半加压心块5b，两个半加压心块5b之间形成缝隙b1。该缝隙b1宽度应大于腹杆节点板6的厚度。

腹杆节点板6与腹杆32的端部固连，与腹杆节点板固连的腹杆为d系列腹杆32，腹杆节点板6穿过两个半加压心块5b之间的缝隙b1和两个半单支a形成的缝隙b与节点板4固连，在如图2所示的实施例中，腹杆节点板6通过一连接板6a与节点板4固连，例如是焊接连接。

半加压心块5b的与两个半单支a接触的侧面为向内倾斜的斜面。

在一个实施例中，构成成对单支的两个半单支5b为槽钢制作，半单支的构成所述铰的一端，在距离顶端100mm的范围内，用钢板封闭该段槽钢的槽口，形成封闭的矩形截面，在半单支的该顶端加工出与半加压心块倾斜的侧面匹配的切口面，该切口面由钢板封口焊接。

半加压心块a压入所述开口，沿着切口面上的封口钢板的板面向下挤压，由此施加预应力。

从图1a中可看出对位于上弦节点处的铰施以预应力，可使上弦产生拉应力；从图1和图1a中可以看出对位于下弦节点处的铰施以预应力，可使下弦产生压应力。因此，由结构单元体组合的结构物(例如网架结构)承受外部荷载后首先会受到结构单元体预应力的抵抗，只有耗尽这个预应力后，组成结构物的材料(钢材)才承受来自外部荷载的作用。结构单元体在承受外部荷载时不只是影响着上弦与下弦力的变化，也同样会促使c系列腹杆和c＇系列腹杆的应力产生正负号之变。

但是也应看到保持d系列腹杆、d＇系列腹杆与上弦节点的b、b＇系列及下弦节点的a、a＇系列“力”的直接通道至关重要，是保证结构单元体正常工作的关键。或者说，d系列腹杆或d’系列的腹杆连接的腹杆节点板穿过单支和加压心块上的缝隙与节点板4连接，是很关键的。

d系列腹杆和和d’系列腹杆就带预应力铰的节点而言是一样的，但由于是从结构单元体的中心向两边对称地设置铰，连接腹杆节点板的腹杆的倾斜方向不同，故而如此加以区别。c系列腹杆和c’系列腹杆有类似的含义。

图1至图6主要表示对结构单元体节点部分的“铰”施加预应力，并固结之后存在预应力效果，以及“铰”的组成和施加预应力的方法。

本结构单元体的制作方法如下：

如图1至6所示，制作结构单元体的总体要求是：

1、采用工厂式标准化生产建立统一的加工平台；

2、加工制作过程严格按工序流程组织实施，防止在制作过程中发生失稳变形。

制作加工：

步骤1、结构单元体的上弦杆1、下弦杆2、腹杆3及边立杆0还有腹杆节点板6各个部件均在加工厂内完成，铰”的加工要求半单支a以5号槽钢制作，在半单支的顶端的100mm范围内应将槽钢封闭焊接成矩形。要求对半单支顶端的切口准确，并以钢板封口焊接。

步骤2、在加工厂的室外建结构单元体加工平台，

应优先选用钢制平台，平台上设有上弦杆，下弦杆的外边界卡位，兼做对“铰”施加预应力时抵抗位移的支座。

在平台上设置垫块，该垫块高出平台面10-20cm；

在上弦与下弦杆之外的200cm-300cm处(为固结“铰”的预应力状态预留操作空间)设置千斤顶实施预张拉的支座，用于设置千斤顶而实施预张拉。

步骤3、结构单元体的杆件组装

应该严格控制“铰”的位置(轴线偏移小于0.5mm)，严格控制“铰”的单支与弦杆、腹杆的夹角。

(1)先将上弦杆1和下弦杆2安放于卡位之内的平台垫块上，高于平台面10cm-20cm，是为了方便对铰的固结，再将结构单元体两端的边立杆0与上弦杆1和下弦杆2做定位，加强焊接之后在各个节点位置上固连节点板4，通过节点板4固定安装c系列腹杆，即安装斜腹杆c1、c2、c3及c＇1、c＇2、c＇3。此时结构单元体呈弱稳定体系。

接着就是制作铰：

在节点板4上安装单支，成对的半单支a固定在节点板4的两个侧面上，半单支a的端部与节点板焊接形成初始焊缝e，在节点板4同侧的两个半单支a之间留有外端较宽，向内逐渐变窄的开口；两个单支组合后，开口的下缘宽30mm，上缘宽45mm。视不同的设计要求而定，为保证铰的夹角与定位准确，应以1:1铰的放大模板作为定位工具（图中未示出），其为一模板，该模板上具有三个边缘，其中的两个边缘与构成节点处具有预应力的“铰”中两个半单支a的走向相同，另一个边缘为弦杆抵靠边缘；在安装半单支a时，将该模板靠在节点板4的一个侧面上，该弦杆抵靠边缘与所述上弦杆或所述下弦杆抵靠，然后将两个半单支a靠着模板的两个单支边缘贴合在节点板4的侧面上，然后实施初始焊缝e的焊接。通过使用定位工具，就可以确保铰中各个半单支a准确定位。之后就应以初始焊缝e将半单支a固定焊牢在节点板4上初始焊缝e应保证对铰施加预应力时不移位，必要时，除了初始焊缝e之外，还可增加螺栓进行定位。

将连在一起的两个半加压心块5b分别插设在由四个半单支a构成的两个开口中，通过在平台上的千斤顶支座上设置的千斤顶牵拉套设在两个半加压心块上的钢索，让加压心块5挤进所述开口对铰施加预应力。为了让钢索能够在加压心块上稳定，如图5a所示，在加压心块5上设置张拉钢索的卡位g。当然，也可以使用其他任何方法对加压心块施加压力。

(2)对节点施加预应力，通常是从结构单元体的中间的节点开始，如图1a所示，对下弦处的a1、a＇1的“铰”施加预应力，并通过在所述单支或半单支的侧边缘上与节点板4固连的铰固结焊缝e1给以固结之后安装d系列斜腹杆d＇1，b1节点与a＇1节点连接，之后对位于上弦节点b1处的“铰”施加预应力并给以固结，之后安装d系列斜腹杆d1，连接a1节点与b1节点处的连接，此时结构单元体的稳定性得以加强可以对a2节点，a＇2节点，b2节点，b＇2节点处的“铰”同时施加预应力并固结，之后再安装d系列腹杆，d2与d＇2的斜腹杆(分别位于a2与b2的连接及a＇2节点与b＇2节点的连接)之后再对b3节点与a3节点；b＇3节点与a＇3节点处的铰施加预应力并加以固结，然后安装d系列腹杆即d3与d＇3斜腹杆，分别位于a3节点与b3节点的连接及a＇3节点与b＇3节点的连接。至此一个稳定的具有预应力特征的结构单元体加工制作完成。

图1中只是在下弦节点上设置预应力铰，其显示的是一工程应用例。而图1a则是对于在结构单元体上施加预应力的一个功能性的表示。

在对“铰”施加预应力与固结时，应该注意的是：

(1)先在铰的两个单支之间放入加压心块，在两个半加压心块之间以φ20钢筋头h做连接，以防止加压心块5移位影响缝隙b，进而影响d系列腹杆连接的腹杆节点板6穿过。在施加压力和构成预应力保持措施之后，即可将钢筋头h割除，使得缝隙通畅，便于随后d系列腹杆上的腹杆节点板穿过缝隙与节点板连接。

在加压心块5的顶部设有防止钢索移动的卡位g（如图5a所示）。张拉钢索通过对加压心块的施压并将压力传递至铰。当铰的变形达到设计要求的变位后或者当对铰施加预张力的力达到设计值后可进行固结焊接，即施加铰固结焊缝f，防止预应力的丢失，同时气割φ20钢筋以利d系列节点板穿过。

(2)完成斜腹杆节点板d1、d2、d3、d＇1、d＇2、d＇3与“铰”的节点板连接(例如焊接)，见图5，至此具有稳定性预应力特征的结构单元体制作完成。