一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构及其施工方法与流程

本发明涉及一种钢桁架结构，尤其涉及一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构及其施工方法，属于钢结构领域。

背景技术：

封闭式煤棚一般采用中间无柱式大跨度空间结构，其中多阶次预应力钢桁架结构就是其中一种，采用该结构的煤棚跨度可达200m，结构高度可达60m以上。多阶次预应力结构在桁架下部设置双预应力张弦索及斜拉索，通过v型撑杆相互连接，张弦索、斜拉索与钢桁架共同作用，形成多阶次预应力结构体系，主桁架中部主张弦双拉索两侧端头生根于主桁架上，结构两边斜拉索靠近支座一段生根于主桁架上，另一端固定于主张弦双拉索节点上，主索在主张弦双拉索节点处断开，见图1。两榀主桁架间通过部分采用拉索和钢桁架相结合的联系桁架形成大跨度稳定空间结构体系，两端山墙结构采用空间钢管相贯桁架结构。由于科学合理地引入了自平衡的预应力构件，该结构力学高效、造型新颖美观，同时降低钢结构内力峰值，调整结构内力合理分布，增加结构刚度。作为一种新型的预应力钢结构形式，跨度大，结构高度高，施工难度大，综合技术要求达到国内一流水平。

预应力结构在施工过程中，而索与竖向撑杆的之间的几何关系以及两者之间的摩擦性质、张拉顺序等必然影响预应力损失，并最终导致预应力施工完成后弦支网格结构的索、撑杆、网壳构件的实际内力大小及分布与设计不符，这将对整个弦支结构的力学性能产生不利影响。此结构相对复杂，而且使用效果不出色。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种结构紧凑，快速、经济、有效的一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构及其施工方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构，包括钢桁架和双索下弦节点紧固装置，所述的钢桁架两端的底部分别设有万向球铰接节点，所述的钢桁架的下方设有若干连续分布的双索下弦节点紧固装置，所述的钢桁架与双索下弦节点紧固装置间通过v型撑杆进行定位，所述的钢桁架下方的两端分别设有多向索交叉固定节点，所述的钢桁架与多向索交叉固定节点通过多弦支撑杆进行定位，所述的双索下弦节点紧固装置、钢桁架和多向索交叉固定节点通过主张弦双拉索定位，所述的多向索交叉固定节点与钢桁架通过斜拉索定位。

作为优选，所述的双索下弦节点紧固装置包括下盖板，所述的下盖板的上部设有上盖板，所述的上盖板与下盖板形成二个相间隔分布的索孔，所述的主张弦双拉索穿过索孔，所述的v型撑杆固定在上盖板的上部。

作为优选，所述的下盖板是整块或二块，所述的上盖板与下盖板通过若干高强螺栓紧固；所述的上盖板与下盖板的折角分别呈磨圆倒角，磨圆倒角的半径比板厚的1/2少4～8毫米，所述的索孔的直径比主张弦双拉索的直径大1～1.5毫米，所述的上盖板与下盖板间的间距为6-8毫米，所述的索孔的内壁设有毛齿，所述的毛齿的高度为1-2mm；

磨圆倒角的半径比板厚的1/2少4～8毫米，这里的板厚是指上盖板或下盖板。

所述的v型撑杆与上盖板间通过加劲板紧固。

作为优选，所述的多向索交叉固定节点包括焊接球，所述的焊接球与多弦支撑杆固定，所述的焊接球中设有向外延伸的多弦支撑杆，所述的焊接球的左侧端与右侧端分别设有若干呈错位分布的拉索耳板组件，二个拉索耳板组件呈匹配对应式分布。

作为优选，所述的拉索耳板组件包括拉索耳板，所述的拉索耳板与焊接球相固定，所述的拉索耳板的外端部设有销轴垫板，所述的销轴垫板中设有拉索孔，所述的拉索耳板呈扇形状，所述的主张弦双拉索穿过拉索孔。

作为优选，所述的焊接球的左侧端设有三个拉索耳板组件，焊接球的右侧端设有二个拉索耳板组件，所述的拉索耳板与焊接球间通过外加劲板固定，所述的外加劲板与拉索耳板呈垂直分布，所述的焊接球中设有与拉索耳板相固定的内加劲板。

作为优选，所述的万向球铰接节点包括凹型构件和凸型构件，所述的凸型构件与钢桁架固定，所述的凸型构件的上部呈球头状，所述的凸型构件沿凹型构件进行转动连接，所述的凸型构件通过扣盖与凹型构件固定，所述的凸型构件的上部与凹型构件间设有聚四氯乙烯层。

作为优选，所述的凹型构件半嵌入至扣盖中，所述的扣盖与凹型构件通过螺栓固定，所述的凸型构件的球头部分沿凹型构件和扣盖转动。

一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构的施工方法，按以下步骤进行：

(一)、超大跨度多阶次预应力钢桁架结构分区提升，分区吊装施工方法：

a、根据结构特点划分施工区域：

根据主索设置位置外扩一个网格对该结构进行施工分区划分，对中间跨主预应力索部分的桁架采取大面积网格结构提升施工，对边跨桁架采取吊装提升施工工艺，待提升分区及吊装分区桁架完成后，后补两个提升分区间的桁架；

b、超大跨度多阶次预应力钢桁架结构索体安装；

提升区桁架分块在拼装胎架上地面拼装完成后，安装带有万向球铰接点v型撑杆，安装主索固定端v型撑杆，对应把万向球铰接点向上嵌入扣盖内的下凹半球构件内，高强螺栓自下往上穿入螺栓不通孔内，拧紧高强螺栓，该v型撑杆的上节点安装完成；

安装主索固定端间中间v型撑通过销轴节点内传入螺栓拧紧即可，然后安装主桁架的预应力主双拉索，主索安装顺序：拉索在主桁架下方展开以后，在主桁架上每个撑杆的位置设置一个倒链，利用卷扬机和倒链进行安装，通过倒链和吊装带同时提升索头和索体，待索体高度和节点高度等高时安装索头和索夹；每根拉索先安装固定端再安装调节端：借助导链牵引索头，安装主张拉索的两端的多向索交叉节点固定索端，拧紧高强螺栓；然后根据拉索上的标记点，将拉索和固定装置相连，紧固所有的高强螺栓；最后按照同样的方法安装主拉索的边索的调节端交叉节点索头，完成整榀桁架的主拉索的安装；

c、超大跨度多阶次预应力钢桁架结构分区提升:

提升区主桁架张弦钢索进行预紧，主桁架地面胎架上预紧时桁架外扩变形控制要求：在2mm范围内，逐步至设计初拉力的20％,完成后复测其桁架的尺寸和变形值，并通过midas有限元分析计算，在初步预应力及主桁架提升点的共同作用，提升过程达到设计要求(外扩变形<6mm)的控制范围内；

该提升单元提升利用边榀已经拼装到位的边榀桁架进行提升，提升单元逐级加载提升至约离地面150mm后，暂停提升；并在静置12小时过程中，将拼装支撑架垂直于主桁架方向稳定联系桁架拆除，保留平行于主桁架方向的稳定连接桁架，确保提升顺畅安全；

之后继续提升桁架单元，直至到达设计位置，然后与边榀桁架焊接，形成整体，卸载提升设备；完成提升桁架单元1区安装，利用同样方法，完成提升分区单元2区安装；

(二)、多阶次预应力钢桁架结构分区分批预应力张拉方法：

各区结构拼装完毕且焊接检验合格以后，对张弦主索、斜拉索和联系索张拉至设计初拉力；

根据设计要求，与斜拉索相对应的张弦腹杆需在张弦主索张拉完成后再安装，张弦主索和斜拉索分区进行张拉，首先张拉张弦主索，再张拉斜拉索；张弦主索在桁架两端均设置调节端，采用两端张拉的方式，双端张拉；张弦斜拉索采用调节端单端张拉的方式，单端张拉；

最后进行分区单向张拉次桁架水平拉索至设计内力，所有张拉均一级张拉到位；

在施工过程中，为保证更高的施工质量，特此对结构进行施工监测；在整个施工过程中，监测以拉索索力控制为主，结构位移控制为辅；其中，位移监控预警值为理论变形的±10％且超过±10mm；撑杆垂直度允许偏差为撑杆长度的1/150，且不大于50mm；索力监控预警值为理论值的±5％；

在张拉过程中将测量数据与计算的理论值进行比较，如果出现较大异常应停止张拉，待找到原因并确定解决方案后再继续张拉。

双索下弦节点紧固装置：v型撑杆连接结构是焊接有v型撑杆加肋板的固定装置上盖板，该盖板根据受力要求开设上下贯通螺栓孔群，并于板面下面在索体放置位置根据索径开设两个下凹半圆索道；固定索机构由高强螺栓群及两块固定装置下盖板组成，该两块固定装置下盖板分别开设与固定装置上盖板对应的贯通螺栓孔群，并在板面上面索体位置开设上凹型半圆索道。为了节点美观，此处上下固定装置盖板外露棱边需做倒角磨圆，磨圆半径比板厚的1/2少4～8毫米。此处上、下半圆凹槽构成穿索孔道，该孔道直接比索体直径稍大1～1.5毫米。为了更加达到紧固预应力索体的要求，组成孔道的两个上下盖板索道开设半圆需上下平推3～4毫米。因此当索体嵌入索道经高强螺栓紧固后，上下盖板间距约6～8毫米，从而达到紧固索体的作用。同时索道面需用电焊拉毛处理，毛齿高度1～2mm，当索穿入固定装置上盖板孔道时，通过从上端穿高强螺栓入上下盖板后，拧紧高强螺栓，达到下弦预应力拉索紧固并和撑杆有效连接的目的。

多向索交叉固定节点：用于连接断开主索，并作为次索与主索的连接节点，其包括焊接球、拉索耳板、耳板加劲板、销轴垫板。

1)、选择合适的尺寸制作焊接球，根据不同球径在拉索耳板对应位置设置不同数量内加劲板以保证球的整体刚度。

2)、根据拉索的数量和方位，加工定位耳板，将耳板按照对应拉索方向焊接于球表面。采用剖口全熔透一级焊缝。

3)、在耳板两侧垂直球面设置加劲板，增加节点强度和侧向稳定性。

万向球铰接节点：所述凸型构件主体结构安装前定位焊接于撑杆上；凹型构件内设置四氟乙烯；凸型构件再安装在凹型构件内部。扣盖通过高强螺栓及螺栓垫片安装在凹型构件上，安装到位之后拧紧。

将v形撑杆与主体结构通过可万向转动钢节点连接一起，起到不传递扭矩力作用；构造简单，万向球铰接点可成批加工，与撑杆焊接后即可连接到主结构上，实现施工现场装配式，安装进度快，经济效益高。保证合理传递轴向力同时实现竖向扭力，满足v型撑杆与主体结构转动连接。

发明的效果和优点：

1、施工精度高。本发明专利由于采用了多阶次预应力结构双索下弦节点紧固装置，可以更加简单、准确、有效的进行下弦节点紧固，使在索受力后该紧固装置仍能加紧连续索，不移位，并能防止拉索的偏心，减少张拉力的损失，不会对拉索产生影响、而且美观、其承载力高，能有效防止在下弦拉索张拉时对紧固件的局部破坏，防止紧固件受力屈曲。因此保证了拉索，竖向撑杆等的预应力精度。

2、主张弦双拉索固定端采用了主张拉多向索交叉固定节点，该节点为主索断开节点，满足了主索、斜拉索力的分配要求，且承载力高，现场装配化施工；主张弦双拉索固定端对应位置v型撑杆与桁架连接节点采用万向球铰接节点，满足三向转动，满足张拉施工要求。

3、大跨度多阶次预应力结构采用分区提升与分区吊装施工的方法施工，施工效率高；分区分批次张拉方法施工速度快，方法简单易行，成效明显。4、施工成本低。采用的预应力施工方法所用的设备简单而施工精度高，可避免反复调整索力的时间、人力物力等资源，且采取分区分批次张拉，避免同时使用大量的张拉设备和人力，因此施工成本大幅度降低。

本发明提供一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构及其施工方法，结构紧凑，施工方法科学合理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中双索下弦节点紧固装置的结构示意图；

图3是本发明中双索下弦节点紧固装置的另一结构示意图；

图4是本发明中多向索交叉固定节点的结构示意图；

图5是图4中的a-a剖视结构示意图；

图6是本发明中万向球铰接节点的结构示意图；

图7是本发明中主张弦双拉索双向张拉方向的结构示意图；

图8是本发明中斜拉索单向张拉方向的结构示意图；

图9是本发明中施工区域的结构示意图；

图10是本发明中提升1区主张弦双拉索双向张拉顺序的结构示意图；

图11是本发明中提升1区斜拉索单向张拉顺序的结构示意图；

图12是本发明中提升2区主张弦双拉索双向张拉顺序的结构示意图；

图13是本发明中提升2区斜拉索单向张拉顺序的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9图10、图11、图12和图13所示，一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构，包括钢桁架1和双索下弦节点紧固装置2，所述的钢桁架1两端的底部分别设有万向球铰接节点3，所述的钢桁架1的下方设有若干连续分布的双索下弦节点紧固装置2，所述的钢桁架1与双索下弦节点紧固装置2间通过v型撑杆4进行定位，所述的钢桁架1下方的两端分别设有多向索交叉固定节点5，所述的钢桁架1与多向索交叉固定节点5通过多弦支撑杆6进行定位，所述的双索下弦节点紧固装置2、钢桁架1和多向索交叉固定节点5通过主张弦双拉索7定位，所述的多向索交叉固定节点5与钢桁架1通过斜拉索8定位。

所述的双索下弦节点紧固装置2包括下盖板9，所述的下盖板9的上部设有上盖板10，所述的上盖板10与下盖板9形成二个相间隔分布的索孔11，所述的主张弦双拉索7穿过索孔11，所述的v型撑杆4固定在上盖板10的上部。

所述的下盖板9是整块或二块，所述的上盖板10与下盖板9通过若干高强螺栓紧固；所述的上盖板10与下盖板9的折角分别呈磨圆倒角，磨圆倒角的半径比板厚的1/2少4～8毫米，所述的索孔11的直径比主张弦双拉索7的直径大1～1.5毫米，所述的上盖板10与下盖板9间的间距为6-8毫米，所述的索孔11的内壁设有毛齿，所述的毛齿的高度为1-2mm；

所述的v型撑杆4与上盖板10间通过加劲板12紧固。

所述的多向索交叉固定节点5包括焊接球13，所述的焊接球13与多弦支撑杆6固定，所述的焊接球13中设有向外延伸的多弦支撑杆6，所述的焊接球13的左侧端与右侧端分别设有若干呈错位分布的拉索耳板组件，二个拉索耳板组件呈匹配对应式分布。

所述的拉索耳板组件包括拉索耳板15，所述的拉索耳板15与焊接球13相固定，所述的拉索耳板15的外端部设有销轴垫板16，所述的销轴垫板16中设有拉索孔17，所述的拉索耳板15呈扇形状，所述的主张弦双拉索7穿过拉索孔17。

所述的焊接球13的左侧端设有三个拉索耳板组件，焊接球13的右侧端设有二个拉索耳板组件，所述的拉索耳板15与焊接球13间通过外加劲板18固定，所述的外加劲板18与拉索耳板15呈垂直分布，所述的焊接球13中设有与拉索耳板15相固定的内加劲板19。

所述的万向球铰接节点3包括凹型构件20和凸型构件21，所述的凸型构件21与钢桁架1固定，所述的凸型构件21的上部呈球头状，所述的凸型构件21沿凹型构件20进行转动连接，所述的凸型构件21通过扣盖22与凹型构件20固定，所述的凸型构件21的上部与凹型构件20间设有聚四氯乙烯层23。

所述的凹型构件20半嵌入至扣盖22中，所述的扣盖22与凹型构件20通过螺栓固定，所述的凸型构件21的球头部分沿凹型构件20和扣盖22转动。

一种超大跨度多阶次预应力钢桁架结构的施工方法，按以下步骤进行：

(一)、超大跨度多阶次预应力钢桁架结构分区提升，分区吊装施工方法：

a、根据结构特点划分施工区域：

根据主索设置位置外扩一个网格对该结构进行施工分区划分，对中间跨主预应力索部分的桁架采取大面积网格结构提升施工，对边跨桁架采取吊装提升施工工艺，待提升分区及吊装分区桁架完成后，后补两个提升分区间的桁架；

b、超大跨度多阶次预应力钢桁架结构索体安装；

提升区桁架分块在拼装胎架上地面拼装完成后，安装带有万向球铰接点v型撑杆，安装主索固定端v型撑杆，对应把万向球铰接点向上嵌入扣盖内的下凹半球构件内，高强螺栓自下往上穿入螺栓不通孔内，拧紧高强螺栓，该v型撑杆的上节点安装完成；

安装主索固定端间中间v型撑通过销轴节点内传入螺栓拧紧即可，然后安装主桁架的预应力主双拉索，主索安装顺序：拉索在主桁架下方展开以后，在主桁架上每个撑杆的位置设置一个倒链，利用卷扬机和倒链进行安装，通过倒链和吊装带同时提升索头和索体，待索体高度和节点高度等高时安装索头和索夹；每根拉索先安装固定端再安装调节端：借助导链牵引索头，安装主张拉索的两端的多向索交叉节点固定索端，拧紧高强螺栓；然后根据拉索上的标记点，将拉索和固定装置相连，紧固所有的高强螺栓；最后按照同样的方法安装主拉索的边索的调节端交叉节点索头，完成整榀桁架的主拉索的安装；

c、超大跨度多阶次预应力钢桁架结构分区提升:

提升区主桁架张弦钢索进行预紧，主桁架地面胎架上预紧时桁架外扩变形控制要求：在2mm范围内，逐步至设计初拉力的20％,完成后复测其桁架的尺寸和变形值，并通过midas有限元分析计算，在初步预应力及主桁架提升点的共同作用，提升过程达到设计要求(外扩变形<6mm)的控制范围内；

该提升单元提升利用边榀已经拼装到位的边榀桁架进行提升，提升单元逐级加载提升至约离地面150mm后，暂停提升；并在静置12小时过程中，将拼装支撑架垂直于主桁架方向稳定联系桁架拆除，保留平行于主桁架方向的稳定连接桁架，确保提升顺畅安全；

之后继续提升桁架单元，直至到达设计位置，然后与边榀桁架焊接，形成整体，卸载提升设备；完成提升桁架单元1区安装，利用同样方法，完成提升分区单元2区安装；

(二)、多阶次预应力钢桁架结构分区分批预应力张拉方法：

各区结构拼装完毕且焊接检验合格以后，对张弦主索、斜拉索和联系索张拉至设计初拉力；

根据设计要求，与斜拉索相对应的张弦腹杆需在张弦主索张拉完成后再安装，张弦主索和斜拉索分区进行张拉，首先张拉张弦主索，再张拉斜拉索；张弦主索在桁架两端均设置调节端，采用两端张拉的方式，双端张拉；张弦斜拉索采用调节端单端张拉的方式，单端张拉；

最后进行分区单向张拉次桁架水平拉索至设计内力，所有张拉均一级张拉到位；

在施工过程中，为保证更高的施工质量，特此对结构进行施工监测；在整个施工过程中，监测以拉索索力控制为主，结构位移控制为辅；其中，位移监控预警值为理论变形的±10％且超过±10mm；撑杆垂直度允许偏差为撑杆长度的1/150，且不大于50mm；索力监控预警值为理论值的±5％；

在张拉过程中将测量数据与计算的理论值进行比较，如果出现较大异常应停止张拉，待找到原因并确定解决方案后再继续张拉。