应用在大跨度刚性屋面索穹顶结构中的斗屏安装设计方法与流程

本发明涉及体育场等建筑领域大型斗屏的安装设计方法，具体涉及一种应用在大跨度刚性屋面索穹顶结构中斗屏安装设计方法。

背景技术：

led显示屏作为现代社会信息发布的重要媒介，近年来迅速发展。目前在国内外大型体育场馆中，led屏作为新型显示装置已成为主流。大型体育场馆中led屏的安放位置一般位于斜看台位置或场馆的中央位置，场馆中央位置分为地面放置和空中悬挂，由于悬挂的中央led屏因其形状类似漏斗故称之为“斗屏”。led显示系统在比赛中可以完成精彩瞬间捕捉、奇特镜头回放、实时直播同步、赛况信息播报、计时记分统计、广告播出等多项任务，因此在越来越多的比赛场馆中得到广泛应用。纵观调查目前国内外的体育场馆中应用斗屏的工程实例可以看出，目前应用悬挂斗屏的体育场馆中大部分体育场馆的结构体系都为刚性钢屋盖构件体系，诸如网架结构、网壳结构、桁架结构、弦支穹顶结构等，很少见到斗屏应用到索穹顶结构这类柔性张拉结构体系中，相关斗屏在柔性结构中的安装设计方法则更为少见。实际索穹顶结构施工安装过程中首先进行索构件的张拉，张拉产生预应力形成结构刚度，然后进行金属屋面的施工和装修吊顶施工，斗屏结构的安装一般位于上述施工完毕之后。由于索穹顶结构体系受其结构特性的限制，对于作用在其上的荷载要求较高，对于索构件内力较为敏感，而斗屏结构重量较大，斗屏自身重量可达几十吨，斗屏安装过程中索构件内力会产生变化，同时在索穹顶结构上采用不同的吊挂点位置悬挂斗屏对索构件内力分布影响较大，都有可能引起部分拉索的松弛，进而会导致索系内部预应力建立起来的几何应力刚度降低，将严重威胁整个索穹顶结构的安全，因而需采取措施保证实际安装过程中索构件内力保持不变。

常见的斗屏悬挂的吊挂点设置在刚性钢屋盖构件上，对应用在柔性张拉索穹顶结构斗屏悬挂的吊挂点位置设计研究较为不足，同时通常解决斗屏安装过程索力变化问题的措施为在屋面安装过程中会采取水桶或沙袋等附加配重来等效斗屏重量，在最后安装斗屏的过程中通过逐步拆除水桶或沙袋等取消附加配重的方式来保证索构件内力的不变，但这类传统取消附加配重的措施往往费时费人力，施工效率低下，不能很好保证整个斗屏安装过程的安全性和精确性，因此发明一种对索穹顶结构种索构件受力影响较小的斗屏安装设计方法十分必要。

技术实现要素：

本发明提供了一种应用在大跨度刚性屋面索穹顶结构中的斗屏安装设计方法，该方法能够为相关含斗屏的柔性张拉索结构体系设计提供参考依据。

为实现上述目的，本发明采用以下方案：

一种应用在大跨度刚性屋面索穹顶结构中斗屏安装设计方法，包括以下步骤，

s1：根据建筑功能需求确定斗屏的屏幕尺寸及重量，利用索穹顶结构设计预留的承力点，初步定出适合悬挂斗屏的所有吊挂点位置方案，将斗屏自重等效为节点荷载，平均分配给每个吊挂点位置方案中的所有吊挂点，对应用不同吊挂点位置方案的索穹顶结构模型进行有限元分析，基于有限元分析结果，提取应用不同吊挂点位置方案的索穹顶结构中关键节点位移及构件内力的信息；

s2：根据各种吊挂点位置方案的关键节点位移及关键构件内力信息，对比分析选择合适的斗屏吊挂点位置方案；

s3：为确保斗屏安装过程中索构件的内力不变，在斗屏安装前预先设置预应力拉索体系，使预应力拉索张紧后的拉力等效斗屏自重；

s4：斗屏安装过程中，控制单位时间内斗屏自重加载量与单位时间内预应力拉索拉力减小量一致直至斗屏完全吊起；

s5：斗屏吊升至指定位置，将已卸载的预应力拉索断开连接，收回预应力拉索。

本发明通过预应力拉索体系平衡斗屏的荷载，斗屏安装过程中精准控制预应力拉索的拉力，确保索穹顶上索构件的内力不变。

本发明还具有以下优选设计：

本发明的所述预应力拉索体系包括连接吊挂点的预应力拉索和锚固结构，所述预应力拉索的下端连接预埋于斗屏下方场地的所述锚固结构，在斗屏安装时通过后装配的卸载装置控制逐步减小预应力拉索的拉力。

本发明的其中一种所述卸载装置包括固定板、上垫板、千斤顶和索夹板，所述固定板与所述锚固结构固定连接，所述固定板与所述上垫板通过螺杆连接，所述索夹板位于所述固定板和所述上垫板之间，所述上垫板与所述索夹板之间设置用于调节所述索夹板与所述上垫板距离的所述千斤顶。

本发明的另一种所述卸载装置包括固定板、索夹板和螺杆，所述固定板与所述锚固结构固定连接，所述固定板与所述索夹板通过所述螺杆连接，所述索夹板的上表面顶接所述螺杆上的活动螺母，通过所述活动螺母调节所述索夹板与所述固定板之间的距离。

本发明的所述预应力拉索体系中与所述锚固结构连接的一条预应力拉索通过锚索扩散盘分散出多条拉索与上方相应吊挂点连接。

本发明的所述步骤s4和s5采用可遥控的卷扬机或电动葫芦作所述斗屏的吊装设备。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明为少见的大跨度柔性张拉索穹顶结构体系提供了一种斗屏的安装设计方法，可通过后装配的卸载装置精准控制取消预应力拉索中的拉力来确保斗屏安装过程中索构件的内力不变，减小施工误差，提高施工质量，解决了传统取消附加配重措施安全性与精确性较低的问题。

(2)斗屏安装过程可以主要依靠可遥控的吊装设备和地面卸载装置，不需要依靠太多人力进行高空作业，降低了工程安全管理的难度，提高了施工效率和可操作性，经济效益显著，易于在实际工程中推广使用。

(3)本发明的方法可通过有限元分析对斗屏悬挂的吊挂点位置方案进行优化设计，有力确保了安装斗屏后的结构安全可靠。

(4)本发明的方法不仅可以应用在大跨度柔性张拉索穹顶结构体系中的斗屏安装设计，也可以为其他大跨度屋盖结构体系中的斗屏安装设计和应用提供参考。

附图说明

图1是一种索穹顶结构的简化模型；

图2是一种悬吊斗屏的结构图；

图3是实施例一、二中索穹顶结构上斗屏吊挂点位置方案示意图；

图4是实施例一、二中索穹顶结构关键节点位置的立体示意图；

图5是实施例一、二中索穹顶结构关键节点位置的俯视图；

图6是实施例一、二中索穹顶结构关键索构件的立面示意图；

图7是实施例一、二中索穹顶结构的吊挂点与预应力拉索的连接示意图；

图8是实施例一中斗屏吊装时的安装示意图。

图9是实施例一中卸载装置示意图。

图10是实施例二中斗屏吊装时的安装示意图。

图11是实施例二中卸载装置示意图。

附图标记说明：

1-斗屏；2-内拉环；3-内环索；4-中环索；5-外环索；6-第一节点；7-第二节点；8-内脊索；9-中脊索；10-外脊索；11-支撑杆；12-锚固结构；13-固定索头；14-预应力拉索；15-锚索扩散盘；16-卸载装置；17-吊装设备；18-固定板；19-索夹板；20-螺杆；21-上垫板；22-千斤顶；23-活动螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细说明本发明的技术方案，以便本领域普通技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案。

实施例一

本实施例一仅以下述工况施加为例，即恒荷载为索穹顶结构各构件自重+屋面荷载(含马道)，索构件施加预应力，按预应力+恒荷载的工况进行模型计算，最后按照本发明的方法进行斗屏安装，步骤如下：

s1：有限元分析模型的建立

运用midas软件建立不考虑斗屏自重影响即无悬挂斗屏的索穹顶结构的有限元分析模型，根据建筑功能需求确定斗屏的屏幕尺寸及重量，利用索穹顶结构设计预留的承力点，初步定出适合悬挂斗屏的所有吊挂点位置方案，将斗屏自重等效为节点荷载，平均分配给每个吊挂点位置方案中的所有吊挂点，对应用不同吊挂点位置方案的索穹顶结构模型进行有限元分析，基于有限元分析结果，提取应用不同吊挂点位置方案的索穹顶结构中关键节点位移及构件内力的信息，如图1所示，对其进行找形受力分析，受力分析包含预应力态和荷载态的受力计算，确认该索穹顶结构满足受力性能要求，同时获得索穹顶结构的初始状态及响应。

s2：斗屏吊挂点位置方案的确定

根据各种吊挂点位置方案的关键节点位移及关键构件内力信息，按照建筑设计需求评估，对比分析选择合适的斗屏吊挂点位置方案。

本实施例中的斗屏1结构如图2所示，重量为50吨，根据屋面索杆体系布局并利用索穹顶结构设计预留的承力点，初步确定适合悬挂斗屏的所有吊挂点位置方案如图3所示，考虑在内拉环2、内环索3、中环索4和外环索5分别设置8个吊挂点，制定四种吊挂点位置方案悬吊斗屏，将斗屏自重等效为节点荷载，平均分配给8个吊挂点，对应用不同吊挂点位置方案的索穹顶结构模型进行有限元分析，基于有限元分析结果，提取应用不同吊挂点位置方案的索穹顶结构中关键节点位移及构件内力的信息；由于本实施中内圈节点位移和脊索内力变化较大，故取图4和图5所示的第一节点6和第二节点7作为关键节点，取图6所示的内脊索8、中脊索9和外脊索10为关键索构件，分析结果如表1和表2所示，

表1关键节点位移(单位mm)

注：取如图5所示内脊索8与内拉环2上支撑杆11的交点为第一节点6，中脊索9与内环索3上支撑杆11的交点为第二节点7。

表2关键索构件内力

根据表1和表2的信息可以分析得出，吊挂点设置在内拉环2时，关键节点位移、内脊索8内力和中脊索9内力受到的影响最大，关键节点位移增大了165％，索构件索力下降了21％，吊挂点设置在外环索5时，关键节点位移和索构件内力受到的影响最小。

综上分析结果表明，即使吊挂点设置在内拉环时不利影响最大，但是并未造成索构件的松弛，可按设计需求采用任意一种吊挂点方案，本实施例经综合考虑，采用吊挂点设置在内拉环上的方案。

s3：预应力索的设置

确定斗屏的吊挂点位置方案后，如图7所示，在斗屏安装前预先设置预应力拉索体系，使预应力拉索张紧后的拉力等效斗屏自重；

通过以下方式实现：

如图7至图9所示，所述预应力拉索体系包括连接吊挂点的预应力拉索14和锚固结构12，预应力拉索14的下端通过固定索头13连接预埋于斗屏1下方场地的锚固结构12，在斗屏1安装时通过后装配的卸载装置16控制逐步减小预应力拉索的拉力。

预应力拉索14的张拉施工阶段与索穹顶结构的索构件张拉施工阶段同步进行，预应力拉索14上端通过锚索扩散盘15分散出8条拉索与上方8个吊挂点相连，利用预应力拉索14张紧后的拉力来等效斗屏1自重，即上部8条预应力拉索的竖向分力总各等于斗屏自重，确保斗屏安装过程中索构件的内力不变；

s4：斗屏安装施工

斗屏安装过程中，如图8所示，首先在地面装配好卸载装置16，如图9所示，卸载装置16包括固定板18、索夹板19、上垫板21和千斤顶22，固定板18用于与锚固结构12固定连接，固定板18与上垫板21通过螺杆20连接，索夹板19位于固定板18和上垫板21之间，上垫板21与索夹板19之间设置用于调节索夹板19与上垫板21距离的千斤顶22，其中索夹板19用于夹紧预应力拉索14，千斤顶22作用头伸出足够缩短拉索伸长量的距离顶住索夹板19，然后在地面组装好斗屏1的结构，并使得预应力拉索14和卸载装置16能够穿过斗屏1的结构中心，再利用已固定在上方吊点位置的可遥控吊装设备17，将吊装设备17的钢丝绳与斗屏1的吊点连接，在逐步吊起斗屏1的过程中，先将固定索头13拆卸，接着通过缩回千斤顶22作用头使得索夹板19由预应力拉索14带动顺着螺杆20长度方向向上移动来控制缩短预应力拉索14长度，从而控制单位时间内斗屏1自重加载量与单位时间内预应力拉索中等效拉索长度缩短量的拉力减小量一致直至斗屏1完全吊起；

s5：斗屏1吊升至指定位置，将已卸载的预应力拉索与锚固结构断开连接，通过上方吊装设备牵引收回预应力拉索。

本实施例中的吊装设备17可采用可遥控的卷扬机或电动葫芦。

实施例二

本实施例的前三个步骤即有限元分析模型的建立、斗屏吊挂点位置方案的确定，预应力索的设置均与实施例一相同。

本实施例二与实施例一的不同之处在于斗屏安装施工阶段采用了不同的卸载装置16控制取消预应力拉索的拉力。

本实施例的斗屏安装过程如图10所示，首先同样在地面先装配好卸载装置16，卸载装置16如图11所示，包括固定板18、索夹板19和螺杆20，固定板18用于与锚固结构12固定连接，固定板18与索夹板19通过螺杆20连接，索夹板19的上表面顶接螺杆20上的活动螺母23，通过活动螺母23调节索夹板19与固定板18之间的距离。

其中索夹板20夹紧预应力拉索14，活动螺母23顶住索夹板19，螺杆20上端应留有足够缩短拉索伸长量的长度以供活动螺母23沿螺杆20向上移动，然后在地面组装好斗屏1，并使得预应力拉索14和卸载装置16能够穿过斗屏结构中心，再利用已固定在上方吊点位置的可遥控吊装设备17，将吊装设备17的钢丝绳与斗屏1的吊点连接，在逐步吊起斗屏1的过程中，先将固定索头13拆卸，接着通过液压扭矩扳手控制活动螺母23沿螺杆20向上移动，使得索夹板19由预应力拉索14带动顺着螺杆20长度方向向上移动来控制缩短预应力拉索14长度，从而控制单位时间内斗屏1自重加载量与单位时间内预应力拉索中等效拉索长度缩短量的拉力减小量一致直至斗屏1完全吊起；同样斗屏1吊升至指定位置，将已卸载的预应力拉索14与锚固结构12断开连接，通过上方吊装设备17牵引收回预应力拉索14。

综上所述，可以看出实施例二实现方法较为简单，但在超大重量的斗屏吊装中，实施例一的实际操作较为可靠。

上述实施例仅是本发明较优实施例，但并不能作为对发明的限制，任何基于本发明构思基础上作出的变型和改进，均应落入到本发明保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载为准。