一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系及其施工方法

本发明属于建筑钢结构领域，涉及一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系及其施工方法。

背景技术：

随着现代人们审美的不断发展，建筑理论的发展日新月异，在建筑师的不懈创新下，建筑造型不断推陈出新、突破传统，出现了众多造型各异的建筑，钢结构由于具有强度高、自重轻、整体刚度好、变形能力强、可焊性好、可塑性强等优点，成为建造复杂现代建筑的首选。对于大悬挑结构，结构自重作用下，悬挑端位移大，竖向荷载、竖向地震作用是结构的控制要素。对于大悬挑的建筑类型，为了满足结构的安全性，需要加高结构的高度，增大构件的截面，就会造成结构自重的增加，结构自重加大导致竖向荷载加大，需要进一步增加结构的高度和构件截面，形成恶心循环，难以达到建筑的效果。

某滑雪大跳台建筑，由上部圆环形主题建筑、中部滑道和下部看台区组成，整体形式为中国传统“如意”造型，顶部为偏心圆盘造型，建筑体态轻盈整体呈飞碟状悬浮状态。若采用常规悬挑结构形式势必造成结构自重很大，结构体态臃肿难以达到建筑效果，且建筑内部空间会设置纵横交叉的斜杆，不能实现建筑内部大空间的使用需求。为实现建筑造型及建筑功能，需要发明一种新的结构体系，构建出符合力学原理、节材高效、易于施工的结构方案。

技术实现要素：

解决的技术问题

某滑雪大跳台建筑整体形状为中国传统“如意”形状，顶部为非对称的圆环造型，内部为贯通的建筑大空间。将偏心环状建筑的后部为与下部结构相连的混凝土核心筒并作为竖向电梯和楼梯的交通盒，前部大悬挑且布置有中空内圆环，内外圆环前后不对称，左右对称，由于前部中空内圆环的影响，圆环内部无法布置结构构件，常规的建筑结构体系无法实现建筑造型。

本发明提出一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系，利用建筑外部的立面构造，通过屋盖结构层、楼面结构层、层间连接支撑，预应力拉索、混凝土核心筒等的合理布置和相互作用，解决该钢结构支点少、悬挑大的工程技术难题；利用电梯井、楼梯井布置合理的混凝土核心筒，承担主要的竖向和水平荷载，通过混凝土的合理布置，将上部大悬挑钢结构和下部混凝土共同作用，构成高效的空间结构体系；偏心环状大悬挑空间预应力钢结构体系满足了建筑造型和使用要求，降低了工程造价，并保证结构安全稳定。

技术方案

本发明提出一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系，包括屋盖结构层、楼面结构层、层间连接支撑、预应力拉索、混凝土核心筒、转换桁架、大悬挑加强斜撑、索钢连接节点和楼面支撑板，其特征在于：屋盖结构层、楼面结构层的构件布置与混凝土核心筒轴线一致，均为正交布置；下部混凝土核心筒在结构两侧对称布置，在混凝土核心筒轴线位置，屋盖结构层和楼面结构层的主悬挑构件，预应力钢拉索、主悬挑构件之间的层间连接支撑、转换桁架、大悬挑加强斜撑等连接形成四榀主悬挑巨型桁架，作为主要竖向力的传递结构；屋盖结构层、楼面结构层之间通过层间连接支撑相连，楼面结构层通过转换桁架与混凝土核心筒连接；悬挑端的体外预应力钢索设置在屋盖结构层的上弦，采用空间布索方式，锚固在楼面结构层的上弦，除内环、外环、和混凝土核心筒位置的层间连接支撑外，屋盖结构层和楼面结构层之间不设竖向和斜向构件。

以上各个部件相互作用，构成高效的偏心环状大悬挑预应力钢结构体系，预应力索的引入可有效减少结构在竖向荷载作用下的变形，满足内部建筑大空间的使用需求。

进一步，屋盖结构层为顶部凸起，下部平齐，前端有一个大直径中空圆，整体呈向上凸起的圆环形；在屋盖结构层内沿纵向和横向正交布置结构构件并相互连接，正交的构件与屋盖内环构件和屋盖环状转换构件相连；屋盖环状转换构件外侧放射状布置屋盖端部悬挑构件，并与屋盖外环构件连接；以上构件形成整体偏心环状屋盖结构层。

进一步，楼面结构层为顶部平齐，下部凸起，前端有一个大直径中空圆、整体呈向下凸起的圆环形；在楼面结构层内沿纵向和横向正交布置结构构件并相互连接，正交布置的构件与楼面内环构件和楼面环状转换构件相连；楼面环状转换构件外侧放射状布置楼面端部悬挑构件，并与楼面外环构件连接；形成整体偏心环状楼面结构层。

进一步，屋盖外环构件、楼面外环构件、屋盖结构层内沿纵向和横向正交布置结构构件、楼面结构层内沿纵向和横向正交布置结构构件、屋盖环状转换构件、屋盖环状转换构件、屋盖端部悬挑构件、楼面环状转换构件、楼面端部悬挑构件均采用平面桁架也采用实腹组合梁；进一步，平面桁架由上弦、下弦、腹杆组成，实腹式组合梁由上弦、下弦、腹板组成；上下弦采用圆管、矩形管、h型或工字型钢梁，腹杆采用圆钢管或矩形钢管也可采用h型或工字型钢梁，腹板采用钢板或双层钢板；对于楼层结构层的构件，上弦采用矩形管、h型或工字型钢梁。

进一步，在楼面结构层的上弦设置楼面板作为建筑使用空间的楼板，楼面板采用钢筋混凝土现浇楼板，或者采用装配式轻质楼面结构板。

进一步，外环层间连接支撑布置在圆环的外环，将屋盖结构层的外环构件和楼面结构层的外环构件相互连接，外环支撑呈v字型布置也可采用n型或x型布置；内环层间连接支撑布置在圆环的内环，将屋盖结构层的内环构件的下弦和楼面结构层的外环构件的上弦相互连接，外环支撑呈v字型或n型布置；混凝土核心筒层间连接支撑布置在混凝土核心筒位置，将屋盖结构层楼面结构层的混凝土核心筒构件相互连接。

进一步，在混凝土核心筒横向轴线位置，屋盖结构层的内部设置屋盖主悬挑构件，楼面结构层内部设置楼面主悬挑构件；屋盖悬挑构件和楼面主悬挑构件之间通过层间连接支撑连接；楼面主悬挑构件通转换桁架与混凝土核心筒连接；在屋盖主悬挑构件顶部设置预应力拉索，并采用索钢连接节点将拉索和屋盖主悬挑构件的上弦构件在每个构件节点处牢固连接；以上各构件形成内侧和外侧共四榀主悬巨型挑桁架；主悬挑巨型桁架的支点为混凝土核心筒，为整个结构体系的关键部位。

进一步，内侧主悬挑巨型桁架的和内环构件相切并共用部分杆件，预应力拉索前段半圆型布置在屋盖内环桁架上弦的前端，中段布置在屋盖主悬挑构件的上弦平行，后段斜向下锚固在楼面主悬挑构件主弦上；两榀内主悬挑巨型桁架由内环构件内环连接支撑连成整体。

进一步，外侧主悬挑巨型桁架的预应力拉索前段布置在屋盖主悬挑构件的上弦，后段斜向下锚固在楼面主悬挑构件上。

进一步，索钢连接节点由上盖板、下盖板、连接螺栓、索孔组成；优选的上盖板、下盖板采用机械车床加工方式生产；上盖板、下盖板的方向和弧度与之相连的构件上弦相同；索孔在上下盖板之间各留一半儿，在索孔内侧黏贴聚四氟乙烯；下盖板和构件上弦焊接连接，采用工厂焊接。

本发明提出一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系的施工方法：

施工方案如下：

第一步、施工混凝土核心筒，采用现浇施工，将混凝土核心筒在基础生根。

第二步、安装混凝土核心筒顶部的转换桁架和对应的层间斜撑构件的部分杆件，并延伸一定高度，并在顶部搭设四个后端临时提升胎架。在环状上部钢结构前端圆形中空内圆中心处设置前端临时提升胎架。

第三步，地面平整场地或搭设拼装平台，在地面整体拼装。四个落地混凝土核心筒所对应位置周边钢结构暂不焊接，以使钢结构整体可竖向穿过混凝土核心筒；钢结构拼装完成后，对预应力索进行初张拉，并施工楼面结构层的楼面板，若楼面板采用钢筋混凝土楼板，需预留合理的施工后浇带。

第四步，在四个临时提升胎架的顶部设置提升装置，并固定连接在顶部横梁上，提升装置通过若干根提升吊索与屋盖结构层上弦相连；在前端临时提升胎架的顶部设置临时提升装置，并固定连接在顶部横梁上，提升装置通过若干根提升吊索与下部提升转换梁连接，下部提升转换梁通过若干根临时拉索与屋盖结构层上弦相连，临时拉索在提升过程中长度不变。后端临时胎架利用结构原有的通转换桁架、混凝土核心筒部分的层间连接支撑、屋盖悬挑构件，楼面悬挑构件的部分杆件和新增部分胎架连接而成，施工过程中作为临时提升胎架。

第五步，对结构整体进行提升，提升过程采用计算机控制的压夜伺服提升系统保持提升的同步，提升过程做好监测和应急预案；提升到设计标高后，对混凝土核心筒古今钢结构构件进行补焊。

第六步，待混凝土核心筒位置钢结构补焊完成后，卸载混凝土核心筒位置的提升装置，结构稳定后，张拉预应力拉索，预应力拉索采用端部同步张拉方式，分级张拉。

第七步，对上述初步施工方案进行全过程仿真分析，对结构施工过程的构件进行验算，确定预应力拉索下料长度、确定张拉力、确定分级张拉比例、确定混凝土楼板的后浇带位置及楼板的加强措施、对由于施工造成的超应力构件进行加强。

第八步，根据全过程仿真分析的结果对初步施工方案进行过微调，确定最终施工步骤，根据仿真分析结构制定验收标准。

第九步，按照确定的施工步骤进行整体提升施工安装，提升过程对结构的应力，位移、进行全过程监测，并将监测过程和全过程的分析进行对比分析，结构施工完成。

有益效果

发明提出一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系，其环状的结构体系实现了“如意”的寓意和造型；利用建筑外部的立面构造，通过屋盖结构层、楼面结构层、层间连接支撑，预应力拉索、混凝土核心筒等的合理布置和相互作用，解决该钢结构支点少、悬挑大的工程技术难题；利用电梯井、楼梯井布置合理的混凝土核心筒，承担主要的竖向和水平荷载，通过混凝土的合理布置，将上部大悬挑钢结构和下部混凝土共同作用，构成高效的空间结构体系；通过设置预应力拉索，进一步提高整体钢结构竖向刚度，实现了该结构大悬挑的安全和经济性。

本发明提出的一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系，结构由屋盖结构层、楼面结构层和层间连接支撑组成，通过转换桁架落在混凝土核心筒上，层间连接支撑设置在外环周边和中空内环周边，除此以外，屋盖结构层和楼面结构层之间不设竖向和斜向构件，大大减少竖向立柱的布置，创造出无柱大空间，按满足了建筑使用要求，同时保证了结构安全性、经济性。

本发明提出的一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系，在混凝土核心筒横向轴线位置，设置主悬挑巨型桁架，可将整个结构的主要竖向荷载直接传递给结构的核心筒，结构受力明确；在主悬挑巨型桁架顶部设置预应力拉索，预应力拉索前段半圆型布置在屋盖内环桁架上弦的前端，后段斜向下锚固在楼面主悬挑构件上，通过对拉索施加预应力，将预应力均匀传递给悬挑结构的前端，对悬挑段形成与重力相反的上托力，形成自平衡的结构体系。合理引入自平衡的预应力可有效调整结构的受力、减小结构变形，降低结构高度，减少结构用量。

屋盖结构层和楼面结构层即作为主要结构体系布置空间，同时可作为设备和管线的布置空间。施工方案利用混凝土核心筒、临时提升胎架进行整体提升，可减少脚手架数量，大大减少高空作业，减少施工人员数量，减少工时，加快施工速度，提高施工质量。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性具体实施方式进一步说明：

附图1为整体结构立面图；

附图2为整体结构平面图；

附图3为屋盖结构层平面图；

附图4为屋盖结构层三维图；

附图5为楼面结构层平面图；

附图6为楼面结构层三维图；

附图7为层间连接支撑布置三维图；

附图8为层间连接支撑布置平面图

附图9为外侧主悬挑巨型桁架；

附图10为内侧大悬挑巨型桁架；

附图11为拉索布置平面图；

附图12为拉索布置三维图；

附图13为索钢连接节点图；

附图14为索钢连接剖面图。

附图15为整体提升示意图。

附图中：1-屋盖结构层、2-楼面结构层、3-层间连接支撑、4-转换桁架、5-混凝土核心筒、6-大悬挑加强斜撑、7-预应力拉索、8-索钢连接节点、9-楼面板；10-屋盖结构层中空内圆、20-楼面结构层中空内圆；11-屋盖内环构件、12-屋盖外环构件、13-屋盖纵向构件、14-屋盖横构件、15-屋盖主悬挑构件一，16-屋盖主悬挑构件二、17为屋盖环状转换构件、18-屋盖端部悬挑构件；

附图中：21-楼面内环构件、22-楼面外环构件、23-楼面纵向构件、24-楼面横向构件、25-楼面主悬挑构件一，26-楼面外侧主悬挑构件二、27-楼面环状转换桁架、28-楼面端部悬挑构件；

附图中：31-外环层间连接支撑、32-内环层间连接支撑、33-混凝土核心筒层间连接支撑一、34-混凝土核心筒层间连接支撑二；

附图中：71-预应力拉索一、72-预应力拉索二；

附图中：81-索钢连接节点上盖板、82-索钢连接节点下盖板；83-连接螺栓、7-拉索、84-聚四氟乙烯；

附图中：91前端临时提升胎架、92临时拉索、93提升吊索、94-提升装置、95提升转换梁、96-顶部横梁、97-后端提升胎架。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进一步说明。

如图1-14本发明的一种偏心环状大悬挑预应力钢结构体系包括：屋盖结构层1、楼面结构层2、层间连接支撑3、混凝土核心筒顶的部转换桁架4、混凝土核心筒5、大悬挑加强斜撑6、预应力拉索7、索钢连接节点8、楼面板9。屋盖结构层1、楼面结构层2的构件布置与混凝土核心筒5轴线一致；屋盖结构层1、楼面结构层2之间通过层间连接支撑3相连，楼面结构层2通过混凝土核心筒顶部转换桁架4与混凝土核心筒5连接；悬挑端的预应力拉索7设置在屋盖结构层1的上弦，采用空间布索方式，端部斜向下锚固在楼面结构层2的上弦；以上各个部件相互作用，形成整体结构，预应力索的引入可有效减少结构在竖向荷载作用下的变形，构成高效的环状大悬挑空间预应力钢结构体系。

如图3、4，屋盖结构层1顶部凸起，下部平齐，前端有一个大直径中空圆10，整体呈凸起的圆环形；屋盖结构层1由层纵向布置的。屋盖纵向构件13、横向布置的屋盖横构件14在纵横两个方向正交连接；在对应混凝土核心筒5的横向轴线位置，内外侧分别布置屋盖主悬挑构件一15，和屋盖主悬挑构件二16；纵向和横向交叉连接的构件13、14、15、16与屋盖内环构件11和屋盖环状转换构件17相连；屋盖环状转换构件17外侧放射状布置屋盖端部悬挑构件18，并与屋盖外环构件12连接；内侧的屋盖主悬挑构件一15和屋盖内环构件11部分重合。以上构件相互连接，形成整体环状屋盖结构层1。

如图5、6，楼面结构层2为顶部平齐，下部凸起，前端有一个大直径中空圆20，整体呈向下凸起的圆环形；楼面结构层2由纵向布置的楼面纵向构件23、横向布置的楼面横向构件24在纵横两个方向正交连接，在对应混凝土核心筒5的横向轴线位置，内外侧分别布置楼面主悬挑构件一25，和楼面主悬挑构件二26；纵向和横向交叉连接的构件23、24、25、26与楼面内环构件21和楼面环状转换构件27相连；楼面环状转换构件27外侧放射状布置楼面端部悬挑构件28，并与楼面外环构件22连接；内侧的楼面主悬挑构件一25和楼面内环构件21部分重合；以上构件相互连接，形成整体环状楼面结构层2。

如图1、7、8，层间连接支撑3包括：层间外环连接支撑31、层间内环连接支撑32、混凝土核心筒层间连接支撑一33、混凝土核心筒层间连接支撑二34；外环连接支撑31布置在圆环的外环，将屋盖结构层1的外环构件11和楼面结构层2的外环构件21相互连接；内环层间连接支撑32布置在圆环的内环，将屋盖内环构件12的下部和楼面内环构件的上部22相互连接，使屋盖结构层1和楼面结构层2连成一体。

如图7、8、9、11、12，在混凝土核心筒5内侧横向轴线位置，屋盖结构层1的内部设置屋盖主悬挑构件一15，楼面结构层2内部设置楼面主悬挑构件一25；屋盖主悬挑构件一15和楼面主悬挑构件一25之间通过混凝土核心筒层间连接支撑一33连接；楼面主悬挑构件一25通过混凝土核心筒顶部转换桁架4与混凝土核心筒5连接；屋盖主悬挑构件一15和屋盖内环构件11相切，在屋盖主悬挑构件一15和屋盖内环构件11的主弦顶部设置预应力拉索71，并采用索钢连接节点8将拉索和构件主弦在每个构件节点处牢固连接；预应力拉索71前段半圆型布置在屋盖内环构件11的前端，布置在屋盖悬挑主构件一15的上弦，后段斜向下锚固在楼面挑构件一25的上弦。

如图7、8、10、11、12，在混凝土核心筒5外侧横向轴线位置，屋盖结构层1的内部设置屋盖主悬挑构件二16，楼面结构层2内部设置楼面主悬挑构件二26；屋盖主悬挑构件二16和楼面主悬挑构件二26之间通过混凝土核心筒内层间连接支撑34连接，楼面主悬挑构件二26的下侧与混凝土核心筒顶部转换桁架4与混凝土核心筒5连接；在屋盖主悬挑构件二16主弦顶部设置预应力拉索72，并采用索钢连接节点8将拉索和构件主弦在每个构件节点处牢固连接；预应力拉索72前段布置在屋盖主悬挑构件二15的上弦五，后段斜向下锚固在楼面主悬挑构件二26的上弦。

混凝土核心筒5作为结构主要抗侧力构件和承载竖向力构件，，以保证下部结构具有足够的强度与刚度。以混凝土核心筒5为落地点，通过转换桁架4和楼面结构层2、层间斜撑构件3、屋盖结构层1的结构件相连，通过混凝土核心筒5和外环层间支撑31共同作用，控制主体结构的扭转效应，提高结构整体性。

索钢连接节点8由上盖板81、下盖板82、连接螺栓83、聚四氟乙烯涂层组成；上盖板81、下盖板82采用机械车床加工方式生产；上盖板81、下盖板82的方向和弧度与之相连的构件上弦相同；索孔在上下盖板81和盖板82之间各留一半儿，在索孔内侧黏贴聚四氟乙烯85；下盖板82和构件上弦焊接连接，采用工厂焊接，预应力张拉完成后，拧紧紧固螺栓83。

本发明的环状大悬挑预应力钢结构体系的具体实施步骤为：

首先，制定初步施工方案，初步施工方案如下：

第一步、施工混凝土核心筒5，采用现浇施工，将混凝土核心筒5在基础生根。

第二步、安装混凝土核心筒5顶部的转换桁架4和对应的层间斜撑构件3的部分杆件，并延伸一定高度，形成4个后端提升胎架97；在内圆环的中心设置前端临时提升胎架91。

第三步，在地面平整场地或搭设拼装平台，进行整体拼装。落地混凝土核心筒5所对应位置周边钢结构暂不拼装焊接，以使钢结构整体可竖向穿过混凝土核心筒5；钢结构拼装完成后，对预应力索7进行初张拉，并施工楼面结构层的上弦设置的楼面9，若楼面9采用钢筋混凝土楼板，需预留合理的施工后浇带。

第四步，在后端临时提升胎架97的顶部设置提升装置94，并固定连接在顶部横梁96上，提升装置94通过若干根提升吊索93与屋面结构层1的上弦相连；在前端临时提升胎架91的顶部设置临时提升装置94，并固定连接在顶部横梁96上，提升装置94通过若干根提升吊索93与下部提升转换梁95连接，下部提升转换梁95通过若干根临时拉索92与屋面结构层1的上弦相连，临时拉索92在提升过程中长度不变。后端临时胎架97利用结构原有的转换桁架4、混凝土核心筒层间连接支撑34、33、屋盖悬挑构件15、25，楼面悬挑构件16、26的部分杆件和新增部分胎架连接而成，施工过程中作为临时提升胎架97。

第五步，对结构整体进行提升，提升过程采用计算机控制的压夜伺服提升系统保持提升的同步，提升过程做好监测和应急预案；提升到设计标高后，对混凝土核心筒5周边钢结构构件进行补焊。

第六步，待混凝土核心筒5位置钢结构补焊完成后，卸载混凝土核心筒5位置的提升装置94，结构稳定后，张拉预应力拉索7，预应力拉索7采用端部同步张拉方式，分级张拉。

第七步，对上述初步施工方案进行全过程仿真分析，对结构施工过程的构件进行验算，确定预应力拉索下料长度、确定张拉力、确定分级张拉比例、确定混凝土楼板的后浇带位置及楼板的加强措施、对由于施工造成的超应力构件进行加强。

第八步，根据全过程仿真分析的结果对初步施工方案进行过微调，确定最终施工步骤，根据仿真分析结构制定验收标准。

第九步，按照确定的施工步骤进行整体提升施工安装，提升过程对结构的应力，位移、进行全过程监测，并将监测过程和全过程的分析进行对比分析，结构施工完成。

本方案可减少脚手架数量，大大减少高空作业，减少施工人员数量，减少工时，加快施工速度，提高施工质量。