专利名称：预应力金属薄板结构体系及其施工方法
技术领域：
本发明涉及一种钢结构结构体系及其施工方法。
背景技术：
到目前为止，各种预应力钢结构体系大多是由线型构件共同组成合理的受力体系，来抵抗荷载作用。这些线型构件包括钢索和各种钢结构杆件。这些结构的共同特点，在主体结构成型后，需要设置独立的屋面围护体系，来达到预期的建筑功能。围护体系包括传统的屋面板、轻钢屋面、金属屋面及其支撑体系。近年来得到广泛应用的，以织物膜材建造的张拉膜结构，采用建筑织物膜材实现了将围护功能与参与结构受力功能合二为一，从这一角度来说，为预应力空间结构技术开辟了新的方向。但是，张拉式膜结构在实际应用中，存在不少问题。首先，由于膜材本身强度较低，尤其是抗撕裂强度差，在大跨度、大体量工程应用中要非常谨慎，尤其是在较强风荷载作用下，膜材容易发生局部破坏从而引起整个结构的坍塌；第二，膜材弹性模量低，属于大变形结构，在荷载作用下往往会产生较大变形，容易导致积水积雪，局部变形，成为结构使用过程中的不利因素。第三，膜材在建造使用过程中极易发生皱褶，影响建筑美观。第四，高强度高性能膜材往往要依赖进口，造价高，使得建筑成本偏高。
发明内容
本发明的目的是提供一种预应力金属薄板结构体系及其施工方法，要解决屋面围护结构与线性结构不能共同受力的技术问题；并克服现有的与线性结构共同的张拉膜容易变形，容易发生破坏的缺点。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种预应力金属薄板结构体系，包括结构框架、下弦拉索和屋面板，还包括张拉辅助装置，所述结构框架由钢柱、边梁和内梁组成，所述边梁架设在钢柱的顶端，其内侧面上预装有承力外伸板，所述内梁平行于边梁，设置在钢柱围合的空间内，所述下弦拉索垂直于内梁设置，其与内梁垂足处设置有屋面撑杆，所述撑杆顶面平行于下弦拉索设置有厚板带， 所述屋面板为预应力金属薄板，设置在两块厚板带之间，并与其铆接，屋面板端部通过张拉辅助装置与边梁连接。所述钢柱排列成圆环形，所述边梁和内梁均为环梁，钢柱围成的区域中心设置有内框架，所述内环框架由上内环梁、下内环梁和内环撑杆组成，所述下弦拉索一端与边梁锚固连接，另一端与下内环梁，其和内梁之间为平面垂直，所述屋面撑杆的底端与下弦拉索连接，所述屋面板为等腰梯形。所述钢柱排列成两列，其外侧拉有斜拉索，所述边梁和内梁均为直梁，所述下弦拉索和内梁之间为空间垂直，所述屋面撑杆设置在下弦拉索和内梁之间，所述屋面板为矩形。所述屋面撑杆两端带有叉耳，下弦拉索与屋面撑杆连接处扣有两块夹板，所述夹板通过直螺栓B连接，与屋面撑杆相对的夹板上焊接有耳板A，所述耳板A插入叉耳内，两者通过销子固定。所述下弦拉索端部带有叉耳，所述钢柱和边梁交接处焊接有耳板B，所述耳板B插入叉耳内，两者通过销子固定。所述内梁和屋面撑杆连接处焊有耳板A，所述耳板A插入叉耳内，两者通过销子固定。所述屋面板为厚度为0. 4 2. Omm的彩钢板、不锈钢或合金板。所述张拉辅助装置包括辅助张拉板，角钢，承力外伸板和U型螺栓，所述角钢的水平肢相对拼在辅助张拉板的两侧，并通过直螺栓连接为一体，所述辅助张拉板与承力外伸板位于同一水平面，且两者之间留有缝隙，所述承力外伸板和角钢的竖肢之间通过U型螺栓连接，所述辅助张拉板与屋面板焊接，所述辅助张拉板比屋面板厚。所述钢柱之间设置有柱间支撑，所述柱间支撑为剪刀撑、人字撑或单向斜撑。所述预应力金属薄板结构体系的施工方法，步骤如下 步骤一，确定结构尺寸及钢柱平面布置方式；
步骤二，按确定好的钢柱平面布置方式浇注钢柱基础，并在基础中安装钢柱柱脚预埋
件；
步骤三，将钢柱底端与预埋件连接，并在钢柱顶面安装边梁；
步骤四，在内梁设计位置搭设脚手架；
步骤五，将内梁放置在脚手架顶面，并进行临时连接；
步骤六，垂直内梁安装下弦拉索；
步骤七，在内梁与下弦拉索的垂足处，安装屋面撑杆；
步骤八，在屋面撑杆顶面平行于下弦拉索安装厚板带；
步骤九，对下弦拉索初步张拉，当测试其索力达到设计预拉力的10%后撤除内梁下部的脚手架；
步骤十，将屋面板搭在其两侧的厚板带上，并与厚板带铆接，其端部通过张拉辅助装置与边梁连接，并通过张拉辅助装置上的调节螺母对屋面板进行预紧；
步骤十一，对下弦拉索继续张拉，直至达到下弦拉索的索力达到设计预拉力； 步骤十二，再次调节张拉辅助装置上的调节螺母，对屋面板内的预应力进行调节。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果
首先，本发明提供了两种不能的结构平面布置形式，可根据工程具体要求灵活选择，具有很强的适应力。其次，本发明通过对下弦索施加预拉力，可间接对金属薄板施加预应力，从而使其与下部结构构件共同受力，共同抵抗外部荷载，改变了传统屋面结构多重传力体系和相对复杂的构造做法，使得整个结构更为轻盈、简洁、现代，同时提高整个结构体系的整体性和承受荷载的效率，是对现有预应力空间结构体系的丰富和拓展。还有，由于金属板材料强度高，性能稳定，经济性好，薄钢板材目前是我国钢材产品的重点发展方向，近年来已建有成熟的生产线和加工工艺，产量大幅度增长，产品规格型号丰富，且能够保证良好的力学性能和产品质量，可定型化生产，同时，本发明通过将受力构件及围护构件合二为一，可实现对材料强度的充分利用，因此，在大跨度公共建筑、工业建筑、仓储及临时建筑中有很好的应用前景。
另外，本发明中设置的辅助张拉装置，可以对屋面板的状态和应力进行微调，确保了屋面板内的预应力的均勻分布。再者，预应力金属薄板在此结构体系中始终处于弹性受拉状态，能够充分利用钢材受拉强度高的特点，体现了节约材料、节约能源、保护环境的技术发展方向。最后，本发明所提供的这种结构体系具有自重轻、使较大跨度的实施成为可能，同时结构合理、施工简便，在大跨度结构中具备明显经济性优势。 本发明可广泛应用于大跨度钢结构。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是本发明实施例一未铺设屋面板的结构示意图。图2是本发明实施例二结构示意图。图3是图1和图2中A处详图。图4是下弦拉索和屋面撑杆连接详图。图5是屋面撑杆与内梁连接详图。图6是下弦拉索与边梁连接详图。附图标记1 一屋面板、2 —斜拉索、3 —屋面撑杆、4 一内梁、5 —边梁、6 —钢柱、 7 —下弦拉索、8 —厚板带、9 一辅助张拉板、10 - U型调节螺栓、11 一柱间斜撑、12 —承力外伸板、13 —加劲肋板、14 一角钢、15 —直螺栓A、16 —夹板、17 一直螺栓B、18 一耳板A、 19 一叉耳、20 —销子、21 —耳板B、22 —上内环梁、23 —下内环梁、24 —内环撑杆。
具体实施例方式实施例一参见图1、图5和图6所示，一种预应力金属薄板结构体系，其钢柱平面布置为两列，包括结构框架、张拉索7和屋面板1，还包括张拉辅助装置，所述结构框架由至少两列钢柱6、边梁5、内梁4和厚板带8组成，所述每列钢柱6外侧拉有斜拉索2，所述边梁5 架设在钢柱列的顶端，其内侧面上预装有承力外伸板12，所述内梁4与钢柱列平行，间隔设置在钢柱列之间，所述厚板带8垂直内梁4间隔设置，内梁4和厚板带8的交点底面连接有屋面撑杆3，屋面撑杆3支撑在与厚板带位于同一竖向面的下弦拉索7上，所述屋面板1为预应力矩形金属薄板，铺设在厚板带8和内梁4形成的网格上，并与厚板带8铆接，与边梁5 之间通过张拉辅助装置连接。所述承力外伸板12底面间隔设置有加劲肋板13。屋面撑杆 3与内梁4连接详图参见图5，所述内梁4和屋面撑杆3连接处焊有耳板A18，所述耳板A18 插入叉耳19内，两者通过销子20固定。下弦拉索7与钢柱和边梁连接详图参见图6，所述张拉索7端部带有叉耳19，所述钢柱和边梁交接处焊接有耳板B21，所述耳板B21插入叉耳 19内，两者通过销子20固定。实施例二参见图2，一种预应力金属薄板结构体系，其钢柱平面布置为圆环形，包括结构框架和屋面板1，还包括张拉辅助装置，所述结构框架由外环框架、内环框架、下弦拉索7、内梁4和屋面撑杆9组成，所述外环框架由环形分布的钢柱6和环向架设在钢柱顶面的边梁5组成，所述内环框架位于外环框架的中心，由上内环梁22、下内环梁23和内环撑杆24组成，所述内环撑杆M支撑在上内环梁22和下内环梁23之间，所述边梁5和下内环梁23之间通过下弦拉索7连接，垂直下弦拉索7，边梁5和下内环梁23之间间隔设置有内梁4，内梁4和下弦拉索7的交点顶面设置有向上的屋面撑杆9，所属屋面撑杆9的高度自外向内依次递增，所述屋面板1铺在上内环梁22、边梁5和屋面撑杆9形成的斜面上，与边梁5通过张拉辅助装置连接。所述上内环梁22环的直径比下内环梁23的环的直径大。所述屋面板1为预应力金属薄板，其形状为等腰梯形。上述两个实施例下弦拉索7和屋面撑杆3连接详图参见图4，所述屋面撑杆3两端带有叉耳19，下弦拉索7与屋面撑杆3连接处扣有两块夹板16，所述夹板16通过直螺栓 B17连接，与撑杆3相对的夹板16上焊接有耳板A18，所述耳板A18插入叉耳19内，两者通过销子20固定。上述两个实施例的张拉辅助装置详图参见图3，包括辅助张拉板9，角钢14，承力外伸板12和U型螺栓10，所述角钢14的水平肢相对拼在辅助张拉板9的两侧，并通过直螺栓A15连接为一体，所述辅助张拉板9与承力外伸板12位于同一水平面，且两者之间留有缝隙，所述承力外伸板12和角钢14的竖肢之间通过U型螺栓10连接，所述辅助张拉板 9与屋面板1焊接。上述两个实施例所述辅助张拉板9比屋面板1厚。上述两个实施例所述钢柱列的相邻钢柱之间设置有柱间支撑6。上述两个实施例所述柱间支撑6为剪刀撑、人字撑或单向斜撑。上述两个实施例所述屋面板为厚度为0. 4 2. Omm的彩钢板、不锈钢或合金板。为充分利用材料强度，张拉完成后，金属薄板内预应力应达到薄板屈服强度的 40% 50%以上。预应力金属薄板结构体系的施工方法，步骤如下 步骤一，确定结构尺寸及钢柱平面布置方式；
步骤二，按确定好的钢柱平面布置方式浇注钢柱基础，并在基础中安装钢柱柱脚预埋
件；
步骤三，将钢柱底端与预埋件连接，并在钢柱顶面安装边梁5 ； 步骤四，在内梁4设计位置搭设脚手架； 步骤五，将内梁4放置在脚手架顶面，并进行临时连接； 步骤六，垂直内梁4安装下弦拉索7 ； 步骤七，在内梁4与下弦拉索7的垂足处，安装屋面撑杆3 ； 步骤八，在屋面撑杆顶面平行于下弦拉索安装厚板带8 ；
步骤九，对下弦拉索7初步张拉，当测试其索力达到设计预拉力的10%后撤除内梁下部的脚手架；
步骤十，将屋面板2搭在其两侧的厚板带8上，并与厚板带铆接，其端部通过张拉辅助装置与边梁5连接，并通过张拉辅助装置上的调节螺母对屋面板1进行预紧；
步骤十一，对下弦拉索7继续张拉，直至达到下弦拉索的索力达到设计预拉力； 步骤十二，再次调节张拉辅助装置上的调节螺母，对屋面板1内的预应力进行调节。所述下弦拉索的索力通过油压传感器、弓矢测力仪、拉压传感器、或穿心力传感器等索力测试仪器测得。所述下弦拉索的张拉方法为索端张拉或调节套筒张拉。
所述屋面板1上粘贴有用于金属薄板内应力监测的应变片。
权利要求
1.一种预应力金属薄板结构体系，包括结构框架、下弦拉索(7)和屋面板(1)，其特征在于还包括张拉辅助装置，所述结构框架由钢柱(6)、边梁(5)和内梁(4)组成，所述边梁 (5)架设在钢柱(6)的顶端，其内侧面上预装有承力外伸板(12)，所述内梁(4)平行于边梁 (5)，设置在钢柱围合的空间内，所述下弦拉索(7)垂直于内梁(4)设置，其与内梁(4)垂足处设置有屋面撑杆(3)，所述撑杆顶面平行于下弦拉索(7)设置有厚板带(8)，所述屋面板 (1)为预应力金属薄板，设置在两块厚板带(8)之间，并与其铆接，屋面板端部通过张拉辅助装置与边梁(5)连接。
2.根据权利要求1所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于所述钢柱(6)排列成圆环形，所述边梁(5)和内梁(4)均为环梁，钢柱围成的区域中心设置有内框架，所述内环框架由上内环梁(22)、下内环梁(23)和内环撑杆(24)组成，所述下弦拉索(7) —端与边梁(5)锚固连接，另一端与下内环梁(23)，其和内梁(4)之间为平面垂直，所述屋面撑杆(3) 的底端与下弦拉索(7)连接，所述屋面板(1)为等腰梯形。
3.根据权利要求1所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于所述钢柱(6)排列成两列，其外侧拉有斜拉索(2)，所述边梁(5)和内梁(4)均为直梁，所述下弦拉索(7)和内梁(4 )之间为空间垂直，所述屋面撑杆(3 )设置在下弦拉索(7 )和内梁(4 )之间，所述屋面板(1)为矩形。
4.根据权利要求3所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述屋面撑杆(3)两端带有叉耳(19)，下弦拉索(7)与屋面撑杆(3)连接处扣有两块夹板(16)，所述夹板(16)通过直螺栓B (17)连接，与屋面撑杆(3)相对的夹板(16)上焊接有耳板A (18)，所述耳板A(18)插入叉耳(19)内，两者通过销子(20)固定。
5.根据权利要求3所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述下弦拉索(7) 端部带有叉耳(19)，所述钢柱和边梁交接处焊接有耳板B (21)，所述耳板B (21)插入叉耳(19)内，两者通过销子(20)固定。
6.根据权利要求2 5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述内梁(4)和屋面撑杆(3)连接处焊有耳板A (18)，所述耳板A (18)插入叉耳(19)内，两者通过销子(20)固定。
7.根据权利要求2 5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述屋面板(1)为厚度为0. 4 2. Omm的彩钢板、不锈钢或合金板。
8.根据权利要求2 5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述张拉辅助装置包括辅助张拉板(9)，角钢(14)，承力外伸板(12)和U型螺栓(10)，所述角钢(14)的水平肢相对拼在辅助张拉板(9)的两侧，并通过直螺栓(15)连接为一体，所述辅助张拉板(9)与承力外伸板(12)位于同一水平面，且两者之间留有缝隙，所述承力外伸板 (12)和角钢(14)的竖肢之间通过U型螺栓(10)连接，所述辅助张拉板(9)与屋面板(1)焊接，所述辅助张拉板(9)比屋面板(1)厚。
9.根据权利要求2 5任意一项所述的预应力金属薄板结构体系，其特征在于，所述钢柱之间设置有柱间支撑(6)，所述柱间支撑(6)为剪刀撑、人字撑或单向斜撑。
10.根据权利要求1 9任意一项所述预应力金属薄板结构体系的施工方法，其特征在于步骤如下步骤一，确定结构尺寸及钢柱平面布置方式；步骤二，按确定好的钢柱平面布置方式浇注钢柱基础，并在基础中安装钢柱柱脚预埋件；步骤三，将钢柱底端与预埋件连接，并在钢柱顶面安装边梁(5)； 步骤四，在内梁(4)设计位置搭设脚手架； 步骤五，将内梁(4 )放置在脚手架顶面，并进行临时连接； 步骤六，垂直内梁(4)安装下弦拉索(7)； 步骤七，在内梁(4)与下弦拉索(7)的垂足处，安装屋面撑杆(3)； 步骤八，在屋面撑杆顶面平行于下弦拉索安装厚板带(8)；步骤九，对下弦拉索(7)初步张拉，当测试其索力达到设计预拉力的10%后撤除内梁下部的脚手架；步骤十，将屋面板(2)搭在其两侧的厚板带(8)上，并与厚板带铆接，其端部通过张拉辅助装置与边梁(5)连接，并通过张拉辅助装置上的调节螺母对屋面板(1)进行预紧； 步骤十一，对下弦拉索(7)继续张拉，直至达到下弦拉索的索力达到设计预拉力； 步骤十二，再次调节张拉辅助装置上的调节螺母，对屋面板(1)内的预应力进行调节。
全文摘要
本发明涉及一种预应力金属薄板结构体系及其施工方法，包括结构框架、下弦拉索和屋面板还包括张拉辅助装置，所述结构框架由钢柱、边梁和内梁组成，所述边梁架设在钢柱的顶端，内梁平行于边梁，设置在钢柱围合的空间内，所述下弦拉索垂直于内梁设置，其与内梁垂足处设置有屋面撑杆，所述撑杆顶面平行于下弦拉索设置有厚板带，所述屋面板为预应力金属薄板，设置在两块厚板带之间，并与其铆接，屋面板端部通过张拉辅助装置与边梁连接。实现了金属薄板的屋面板与线性结构共同受力，并克服了现有的与线性结构共同受力的张拉膜容易变形，容易发生破坏的缺点，可广泛应用于大跨度钢结构的施工。
文档编号E04G21/14GK102251615SQ201110106980
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者侯国华, 吴金志, 徐刚, 徐瑞龙, 沈斌, 王丰, 王泽强, 苏国柱, 袁英战, 钱英欣 申请人:北京市建筑工程研究院有限责任公司