一种正放四角锥网架与型钢立柱组合结构的制作方法

1.本发明属于大跨度建筑技术领域，具体涉及一种正放四角锥网架与型钢立柱组合结构。


背景技术：

2.大跨度建筑结构包括网架结构、网壳结构、悬索结构、桁架结构、膜结构、薄壳结构等基本空间结构及各类组合空间结构。
3.正放四角锥体系网架倒置的正放四角锥是正放四角锥体系网架的组成单元。上弦网格的形心即是下弦网格的交点。从上弦网格的四个交点向下弦交点用斜腹杆相连，即形成倒置的正放四角锥体单元。各独立正放四角锥体的连接方式可以是正放四角锥体的底边与底边相连，也可以是正放四角锥体底边的角与角相连。
4.现有的正放四角锥体系网架在其两端都采用固定铰支座作为支承，但是固定铰支座所占的空间较大，在一些特殊环境下无法适用，例如需将站台一侧铁路股道封闭于储煤棚内，这时储煤棚的一侧边界支座需要设置在铁路两股道之间，根据铁路限界要求，两股道之间有效空间为0.5m，则由于空间限制的因素，该侧网格无法延伸到基础上，那么网架结构在该侧就无法使用固定铰支座作为支承。


技术实现要素：

5.本发明克服了现有技术的不足，提出一种正放四角锥网架与型钢立柱组合结构；解决目前正放四角锥体系网架在一端的边界支座受到空间限制无法使用固定铰支座支承的问题。
6.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
7.一种正放四角锥网架与型钢立柱组合结构，包括圆拱形的网架结构，所述网架结构的一端采用h型钢立柱支承，所述h型钢立柱的下端与安装基础相固连；所述网架结构为正放四角锥网架，包括上弦杆、下弦杆，四根上弦杆首尾拼接形成一个正方形的上弦杆单元，上弦杆单元相互拼接形成网格结构，下弦杆相互拼接形成网格结构，一个上弦杆单元分别对应一个下弦杆网格结构的节点，所述节点通过四根腹杆与相对应的上弦杆单元的四个角上的交点相连接；靠近h型钢立柱支承一端的上弦杆单元的外端交点通过上空心半球焊接于h型钢立柱的侧翼缘的上端，上空心半球下方对应设置有下空心半球并且焊接于h型钢立柱上，一个上弦杆单元对应两个下空心半球，两个下空心半球分别通过腹杆与上弦杆单元相对应的下弦杆网格结构的节点相连接。
8.进一步的，所述正放四角锥网架由圆拱形的网架单元沿着长度方向依次延伸排列而成，每个网架单元包括上弦杆层、腹杆、下弦杆层，下弦杆层设置于上弦杆层的下部内侧，上弦杆层与下弦杆层之间通过腹杆相连接；所述上弦杆层是由多个上弦杆单元沿着圆拱形的圆弧线依次排列而成的圆拱形结构，所述正放四角锥网架的所有上弦杆层相互拼接构成
一个圆拱形的圆弧面结构，圆弧面的虚拟轴线方向与正放四角锥网架的长度方向相一致。
9.进一步的，所述下弦杆层是由多个横向下弦杆首尾拼接而成的圆拱形弧线结构，在一个网架单元中，下弦杆层内的节点包括每个横向下弦杆之间的交点以及两端的横向下弦杆的外端点，下弦杆层内的节点分别对应一个上弦杆单元，下弦杆层的节点与上弦杆单元的数量相同；下弦杆层内的节点分别位于相对应的上弦杆单元的形心与虚拟轴线的连线上，下弦杆层内的每个节点分别通过四根腹杆与相对应的上弦杆单元的四个角落处的交点相连接。进一步的，所述网架单元沿着长度方向相互拼接时，两个相邻的网架单元的下弦杆层内部的节点分别一一对应，相对应的两个节点分别通过沿着长度方向设置的纵向下弦杆相连接，即所述纵向下弦杆的两端分别与下弦杆层内部的节点相连接；两个相邻网架单元中相对应的两个横向下弦杆以及横向下连杆两端的两个纵向下弦杆共同构成一个正方形结构；正放四角锥网架中的所有横向下弦杆以及纵向下弦杆共同构成一个由正方形结构拼接而成的网格结构。
10.进一步的，所述上弦杆层在其靠近h型钢立柱一端边缘处的两个交点处设置有上空心半球，所述上空心半球分别与相连的上弦杆以及腹杆相焊接，所述上空心半球的平面保持竖直并且朝向h型钢立柱一端，每个上空心半球分别与一根h型钢立柱相焊接。
11.进一步的，每个边缘处的上弦杆单元对应连接有两根h型钢立柱，两根h型钢立柱为一组；h型钢立柱沿着正放四角锥网架的长度方向间隔设置，相邻两组h型钢立柱之间间隔有两个上弦杆单元的宽度，即两组h型钢立柱之间有一个下空心半球没有与h型钢立柱相焊接，没有与h型钢立柱相焊接的下空心半球和其相对应的上空心半球之间设置有一根竖直连接弦杆，竖直连接弦杆的两端分别与上空心半球以及下空心半球相焊接，即沿着正放四角锥网架的长度方向，相邻的两组h型钢立柱之间设置有一根竖直连接弦杆；任意两个相邻的下空心半球之间通过水平连接弦杆相连接。
12.进一步的，在一组h型钢立柱内部，上下设置有两组斜撑杆，每组斜撑杆由两根相互交叉的斜撑杆组成；上端一组斜撑杆内部的两根斜撑杆的上端分别与同一个h型钢立柱内部下端的水平连接弦杆下端的h型钢立柱内侧面相焊接，两根斜撑杆的下端保持水平并且通过空心半球与两根h型钢立柱表面相焊接；下端的一组斜撑杆内部的两根斜撑杆按照相同的结构设置于上端的一组斜撑杆下方；上下两组斜撑杆相交的两个节点之间设置有连接横杆，连接横杆的两端分别与上下两组斜撑杆相交的两个节点相焊接。
13.进一步的，对正放四角锥网架进行抽空处理时，按照每个抽空单元进行抽空，抽空后的抽空单元相互拼接构成完整的抽空后的正放四角锥网架，所述抽空单元包括上弦杆抽空单元以及下弦杆抽空单元，在上弦杆拼接而成的网格结构中，沿着圆拱形弧线排列的四个上弦杆单元再沿着正放四角锥网架的长度方向延伸排列后，组成一个由十六个上弦杆单元拼接而成的上弦杆抽空单元，抽空处理时将上弦杆抽空单元中心的四个上弦杆单元抽空去除，保留四周边缘的十二个上弦杆单元，并将去除的四个上弦杆单元所对应的四个下弦杆节点处的四根下弦杆同步去除，同时将与四个下弦杆节点相连接的腹杆同步去除。
14.进一步的，所述上弦杆相互拼接形成的网格结构以及下弦杆相互拼接形成的网格结构的交点处设置有空心球，上弦杆以及下弦杆与空心球的表面相焊接。
15.更进一步的，所述网架结构的另一端采用固定铰支座支承。
16.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：（1）本发明提供的组合结构，在正放四角锥体系网架的一端由传统的固定铰支座支承改为型钢立柱支承，型钢立柱的上端与正放四角锥网架相连接，下端可以留出足够的空间，解决了部分场地空间狭小的难题，充分发挥了组合结构的优势。
17.（2）本发明提供的组合结构，将型钢柱上端与网架的连接点由传统的单点连接改为上下双点连接，通过设置下空心半球并且下空心半球与下弦杆之间通过腹杆相连接，型钢柱内出现反弯点，腹杆对型钢立柱施加的作用力可以抵消一部分对柱脚的弯矩，柱端弯矩减小，型钢柱与半球的连接布置形式改善了弯矩及受力分布，从而大大减小了地脚受力，从而实现满足各受力构件的构造要求。
18.（3）本发明的结构不仅可以应用于工业建筑中封闭式储煤棚和其他大跨度厂房，用于民用建筑的影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港以及其他大型公共建筑，具有广阔的应用前景。
19.（4）本发明提供的组合结构，将传统的正放四角锥网架结构进行了抽空处理，在保证网架局部稳定和网架整体稳定的条件下，可在部分区域抽掉杆件，形成均匀分布的正放四角锥抽空网格，其耗钢量比传统网架节省12%左右，具有良好的经济效益。
附图说明
20.下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：图1是本发明整体的正视图；图2是本发明中网架结构与h型钢立柱连接处的正向的局部示意图；图3是本发明中网架结构与h型钢立柱连接处的右向的局部示意图；图4是本发明中网架结构与h型钢立柱连接处的俯向的局部示意图；图5是本发明中上弦杆单元的俯视图；图6是本发明中网架结构与h型钢立柱连接处局部的立体示意图一；图7是图6中的局部放大示意图a；图8是本发明中网架结构与h型钢立柱连接处局部的立体示意图二；图9是图8中的局部放大示意图b；图10是本发明整体的结构边界条件及支座反力图；图11是本发明的构件受力对比图；图12是本发明整体在抽空后的立体示意图一；图13是本发明整体在抽空后的立体示意图二；图14是本发明中网架单元的结构示意图；图15是本发明中两个上弦杆单元与相对应的两个下弦杆节点的连接结构示意图；图16是对本发明进行抽空处理后抽空单元的右向的结构示意图；图17是对本发明进行抽空处理后抽空单元的俯向的结构示意图；图18对本发明进行抽空处理后抽空单元的立体局部示意图；其中，1为固定铰支座、2为h型钢立柱、3为上弦杆、4为下弦杆、5为腹杆、6为空心球、7为空心半球、8为火车限界、9为压型钢板、10为斜向上弦杆、11为横向下弦杆、12为纵向下弦杆、13为上空心半球、14为下空心半球、15为水平连接弦杆、16为竖直连接弦杆、17为斜
向连接弦杆、18为斜撑杆、19为连接横杆。
具体实施方式
21.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
22.如图1—18所示，本发明提供了一种正放四角锥网架与型钢立柱组合结构，包括网架结构，所述网架结构为圆拱形结构，一端采用固定铰支座1支承，另一端采用h型钢立柱2支承。
23.所述网架结构为正放四角锥网架，正放四角锥网架的截面为圆拱形，圆拱形沿着长度方向延伸构成了整个正放四角锥网架。
24.所述正放四角锥网架由圆拱形的网架单元沿着长度方向依次延伸排列而成。每个网架单元包括上弦杆层、腹杆5、下弦杆层，下弦杆层设置于上弦杆层的下部内侧，上弦杆层与下弦杆层之间通过腹杆5相连接。
25.所述上弦杆层是由多个上弦杆单元沿着圆拱形的圆弧线依次排列而成的圆拱形结构。所述上弦杆单元是由四根长度相等的上弦杆3相互首尾拼接而成的正方形结构，相邻的两个上弦杆单元共用一根上弦杆3。上弦杆3之间的每个交点处设置有空心球6，上弦杆3与空心球6的表面相焊接。
26.即所述上弦杆层包括两根由上弦杆3首尾拼接而成的圆拱形弧线结构以及两根圆拱形弧线结构之间的多根上弦杆3，中间的上弦杆3两端分别与两根圆拱形弧线结构相连接。
27.所述正放四角锥网架的所有上弦杆层相互拼接构成一个圆拱形的圆弧面结构，相邻两个上弦杆层共用一根圆拱形弧线结构，圆弧面的虚拟轴线方向与正放四角锥网架的长度方向相一致。
28.每个上弦杆单元的内部设置有一根斜向上弦杆10，所述斜向上弦杆10的两端分别焊接于上弦杆单元对角处的两个空心球6上。在一个网架单元中的相邻两个上弦杆单元内，斜向上弦杆10首尾相接，即一个网架单元中的斜向上弦杆10分别首尾相接，构成一个波浪形结构。
29.所述下弦杆层是由多个横向下弦杆11首尾拼接而成的圆拱形弧线结构，横向下弦杆11之间的交点处设置有空心球6，横向下弦杆11与空心球6表面相焊接。所述下弦杆层位于上弦杆层两个圆拱形弧线结构之间的下方，并且与上弦杆层两个圆拱形弧线结构之间的距离相等。
30.在一个网架单元中，下弦杆层内的节点包括每个横向下弦杆11之间的交点以及两端的横向下弦杆11的外端点，下弦杆层内的节点分别对应一个上弦杆单元，下弦杆层的节点与上弦杆单元的数量相同。下弦杆层内的节点分别位于相对应的上弦杆单元的形心与虚拟轴线的连线上。下弦杆层内的每个节点分别通过四根腹杆5与相对应的上弦杆单元的四个角落处的交点相连接，腹杆5的两端分别与上弦杆3交点以及下弦杆层内节点处的空心球6表面相焊接。下弦杆层内节点上的四根腹杆5以及相对应的上弦杆单元共同构成了一个正
放四角锥网架结构。
31.所述网架单元沿着长度方向相互拼接时，两个相邻的网架单元的下弦杆层内部的节点分别一一对应，相对应的两个节点分别通过沿着长度方向设置的纵向下弦杆12相连接，即所述纵向下弦杆12的两端分别与下弦杆层内部的节点相连接。两个相邻网架单元中相对应的两个横向下弦杆11以及横向下连杆11两端的两个纵向下弦杆12共同构成一个正方形结构。正放四角锥网架中的所有横向下弦杆11以及纵向下弦杆12共同构成一个由正方形结构拼接而成的网格结构。
32.所有网架单元的上弦杆层相互拼接构成一个圆拱形的圆弧面结构，上弦杆单元沿着长度方向均匀排列成一排，沿着长度方向相邻的两个上弦杆单元中的斜向上弦杆10首尾拼接，这样沿着长度方向的一排上弦杆单元中的斜向上弦杆10首尾相接，构成一个波浪形结构。
33.所述网架单元沿着长度方向相互拼接构成完整的正放四角锥网架。
34.所述正放四角锥网架的一端设置有所述h型钢立柱2，上弦杆层在其靠近h型钢立柱2一端边缘处的两个交点处设置有上空心半球13，所述上空心半球13分别与相连的上弦杆3以及腹杆5相焊接，所述上空心半球13的平面保持竖直并且朝向h型钢立柱2一端，每个上空心半球13分别与一根h型钢立柱2相焊接。
35.所述h型钢立柱2的下端通过地脚螺栓固定于两个火车股道之间，h型钢立柱2的侧翼缘上端与上空心半球13相焊接。边缘处的一个上弦杆单元的两个上空心半球13分别与两根h型钢立柱2相焊接。h型钢立柱2在其侧翼缘上还焊接有一个下空心半球14，设置于上端的上空心半球13的正下方，两个空心半球7之间的距离等于上弦杆3的长度。
36.边缘处的一个上弦杆单元设置有两个上空心半球13，两个上空心半球13的下方对应设置有两个下空心半球14，即两个下空心半球14与一个上弦杆单元相对应，两个下空心半球14之间焊接有水平连接弦杆15。两个下空心半球14分别通过一根腹杆5与边缘处的横向下弦杆11的外端点相连接，边缘处的横向下弦杆11的外端点与边缘处的上弦杆单元相对应。
37.每个边缘处的上弦杆单元对应连接有两根h型钢立柱2，两根h型钢立柱2为一组。h型钢立柱2沿着正放四角锥网架的长度方向间隔设置，相邻两组h型钢立柱2之间间隔有两个上弦杆单元的宽度。即两组h型钢立柱2之间有一个下空心半球14没有与h型钢立柱2相焊接，没有与h型钢立柱2相焊接的下空心半球14和其相对应的上空心半球13之间设置有一根竖直连接弦杆16，竖直连接弦杆16的两端分别与上空心半球13以及下空心半球14相焊接；没有与h型钢立柱2相焊接的下空心半球14和其两侧的焊接于h型钢立柱2上的下空心半球14之间分别设置一根水平连接弦杆15，水平连接弦杆15的两端分别与两个下空心半球14的表面相焊接。
38.即沿着正放四角锥网架的长度方向，相邻的两组h型钢立柱2之间设置有一根竖直连接弦杆16。
39.在一组h型钢立柱2内部，上下设置有两组斜撑杆18，每组斜撑杆18由两根相互交叉的斜撑杆组成。上端一组斜撑杆18内部的两根斜撑杆18的上端分别与同一个h型钢立柱2内部下端的水平连接弦杆15下端的h型钢立柱2内侧面相焊接，两根斜撑杆18的下端保持水平并且通过直接与两根h型钢立柱2表面相焊接。下端的一组斜撑杆18内部的两根斜撑杆18
按照相同的结构设置于上端的一组斜撑杆18下方。上下两组斜撑杆18相交的两个节点之间设置有连接横杆19，连接横杆19的两端分别与上下两组斜撑杆18相交的两个节点相焊接。相邻两组h型钢立柱2之间的连接横杆19之间也设置有连接横杆19，通过一根较长的连接横杆19将相邻两根较短的连接横杆19连接起来。
40.沿着正放四角锥网架的长度方向，边缘处的上弦杆单元外端的上弦杆3、h型钢立柱2或者竖直连接弦杆16、水平连接弦杆15构成了一个正方形依次拼接的网格结构。在一个正方形中，沿着对角线设置有斜向连接弦杆17，斜向连接弦杆17的两端分别与上空心半球13以及下空心半球14的表面相焊接。在所述依次拼接的网格结构中，斜向连接弦杆17依次首尾相接，构成一个波浪形结构。
41.所述正放四角锥网架与固定铰支座1支承的连接方式为现有技术，采用传统的固定铰支座1支承结构将正放四角锥网架的一端与地面基础相连接。
42.所述正放四角锥网架的上端面设置有单层的压型钢板9。
43.本发明还将正放四角锥网架进行了抽空处理：正放四角锥网架在进行抽空处理时，按照每个抽空单元进行抽空，抽空后的抽空单元相互拼接构成完整的抽空后的正放四角锥网架。所述抽空单元包括上弦杆抽空单元以及下弦杆抽空单元。
44.在上弦杆拼接而成的网格结构中，沿着圆拱形弧线排列的四个上弦杆单元再沿着正放四角锥网架的长度方向延伸排列后，组成一个由十六个上弦杆单元拼接而成的上弦杆抽空单元（如图18所示），抽空处理时将上弦杆抽空单元中心的四个上弦杆单元抽空去除，保留四周边缘的十二个上弦杆单元。
45.这样整个上弦杆拼接而成的网格结构中，每个上弦杆抽空单元分别按上述结构进行抽空处理。同时，任意两个相邻的上弦杆抽空单元，共用一排未抽空的上弦杆单元。
46.上弦杆单元拼接而成的上弦杆抽空单元在未抽空前所对应的下弦杆网格，是由三根横向下弦杆以及三根纵向下弦杆依次拼接而成的九个正方形组成的下弦杆抽空单元，下弦杆抽空单元在抽空处理时，将内部的横向下弦杆以及纵向下弦杆全部去除，保留周圈的横向下弦杆以及纵向下弦杆。这样抽空后的上弦杆抽空单元剩余十二个上弦杆单元，对应六根横向下弦杆以及六根纵向下弦杆组成的十二个节点，即抽空后的下弦杆抽空单元是由六根横向下弦杆以及六根纵向下弦杆组成的正方形结构，任意两个相邻的抽空后的下弦杆单元，共用三根首尾相接的横向下弦杆或者纵向下弦杆。
47.即每个抽空单元中，去除四个中心的上弦杆单元，再将去除的上弦杆单元所对应的下弦杆节点所连接的四根下弦杆全部去除，同时将每个下弦杆节点所对应的四根腹杆也全部去除。
48.本发明的工作原理为：由于网架结构的一端的边界支座需要设置在两个火车股道之间，由于两个火车股道之间需要考虑火车限界8的因素，需要在边界支座的两端给火车限界8留够足够的空间，因此传统的固定铰支座1支承没法满足空间需求，转而采用h型钢立柱2作为支承。
49.整体模型受力分析：在本发明提供的组合结构中，在网架结构的一端采用固定铰支座支承，另一端采用h型钢立柱支承，整体的结构体系（如图10所示）遵循三角拱原理，正放四角锥网架的一侧
边界为固定铰支座，受水平推力f1，竖向反力f2；另一侧的h型钢立柱为固定支座，受水平推力f3，竖向反力f4，及柱脚弯矩m2。支座反力方向如图10所示。
50.受力单工况包括自重、屋面恒载、不上人屋面荷载、雪荷载、风荷载等。
51.在各个组合工况作用下 ，本结构体系内各构件均满足应力比、长细比、整体稳定与局部稳定。
52.局部受力分析：由整体模型受力分析可知，正放四角锥网架与型钢立柱连接时需要考虑柱端弯矩，由图11的构件受力对比图可知，如果直接将网架的支座设置于型钢立柱的柱顶（如图11图右所示），上弦杆3以及腹杆5的作用力直接作用于柱顶的顶点处，形成一个压力，作用力与力臂相乘，会造成柱端的弯矩m3过大，地脚的设计难以满足。
53.而如果将网架的支座如本发明提供的结构一样设置时（如图11图左所示），在h型钢立柱2上端的侧翼缘上焊接两个竖直排列的空心半球7，上弦杆3与h型钢立柱2的侧翼缘通过空心半球7相连接，腹杆5与h型钢立柱2的侧翼缘也通过空心半球相连接，这样网架结构中上弦杆3对h型钢立柱2的作用力发生力变化，腹杆5对h型钢立柱2施加一个压力，上弦杆3对h型钢立柱2的作用力由压力变成拉力，两者的作用方向相反，这样会将柱端弯矩整体上移，h型钢立柱内出现反弯点，柱端弯矩减小。
54.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。