專利名稱：超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型鋼扭網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)，特別是一種超大跨度(120m ^L^ 180m) 周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼屋蓋，屬于建筑鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
上世紀90年代中期相繼出現(xiàn)了多座預(yù)應(yīng)力組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的屋蓋，如廣東省清遠市體育館，它的平面為六邊形，由六塊雙層扭網(wǎng)殼分別支承在六根柱頂上，此處亦為扭網(wǎng)殼的最低點，其柱邊到柱邊的跨度為68. 418m,最大懸挑12. 615m,六邊形屋蓋對角線跨度為93. 645m,整個屋蓋形成負高斯曲率，即沿相鄰兩柱邊切開，網(wǎng)殼向上拱起與鋼索形成拉桿拱，收緊鋼索建立預(yù)應(yīng)力時，將使網(wǎng)殼向上拱起。結(jié)構(gòu)在“成形態(tài)”(預(yù)應(yīng)力階段)使網(wǎng)殼產(chǎn)生與荷載作用相反的變形和相反的內(nèi)力，而屋蓋建成后使用階段的變形與內(nèi)力是兩個階段的變形和內(nèi)力的疊加，使網(wǎng)殼大部分桿件內(nèi)力減小(“減力桿”)，小部分桿件內(nèi)力增加 (“增力桿”)；組合網(wǎng)殼采用預(yù)應(yīng)力可減小網(wǎng)殼撓度和降低網(wǎng)殼桿件內(nèi)力，從而降低用鋼量。 雙曲扭網(wǎng)殼另一優(yōu)點是它的交叉桁架均為直線式平行弦桁架平移形成雙曲面，無需彎桿就形成雙曲面。矩形平面的預(yù)應(yīng)力雙層組合扭網(wǎng)殼屋蓋，如廣東省高要市體育館屋蓋。它由四塊雙層扭網(wǎng)殼分別支承在南北兩柱跨度為60m，東西兩柱跨度為72m的四根鋼筋混凝土柱頂上。其預(yù)應(yīng)力鋼索設(shè)在網(wǎng)殼四個支座上，是網(wǎng)殼的最低點。根據(jù)組合扭網(wǎng)殼的內(nèi)力大小分布規(guī)律，也可以將每塊扭網(wǎng)殼單、雙層組合布置，如1997年建成的廣東新興縣體育館矩形平面屋蓋，南北兩立柱間距為60m，東西兩立柱間距為68m。廣西桂平市體育館，屋蓋平面亦為矩形，扭網(wǎng)殼也是單雙層組合，南北方向跨度為66m，東西方向跨度為72m。這些已建成的預(yù)應(yīng)力組合扭網(wǎng)殼有如下特點其一，支承扭網(wǎng)殼屋蓋的柱很少，其支承柱的數(shù)量亦是扭網(wǎng)殼的數(shù)量，形成多點支承；其二，由于支承柱少，每塊扭網(wǎng)殼角部有一個很大的懸挑跨度(廣東省清遠市體育館的懸挑跨度為12. 615m，廣東高要市體育館的懸挑跨度為22. 67m, 廣東新興縣體育館的懸挑跨度為24. 42m ；其三，屋蓋的跨度在60 75m之間，若作超大跨度時，存在難度，從它的三個特點分析，當(dāng)跨度為120 180m (達到前者的2 3倍)時，如 150mX 150m兩向跨度達到150m，如果由四塊扭網(wǎng)殼組合而成，四邊的中點設(shè)四根立柱(如圖2所示)，將會產(chǎn)生如下不利影響其一，屋蓋覆蓋面積大(27225 m 2 )，支承柱少，導(dǎo)致每根柱承受的豎向壓力巨大(1500t以上)，這樣的大型建筑，只有四柱支承，其抗側(cè)剛度極差； 其二、跨度超限(超過120m)的同時，屋蓋四角的懸挑跨度也超限(超過40m)，其屋蓋四角的懸挑跨度為63. 6m，形成雙重超限結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)的合理性受到置疑的同時，其整體剛度和穩(wěn)定性也受到影響。這是結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該盡量避免的；其三，由于跨度超大(150 m X 150 m),網(wǎng)殼厚度大，一般h=8000 9000mm，網(wǎng)殼中斜腹桿長度達8835 9750mm，而其承受的拉、壓力都很小，大部分桿件由“長細比”構(gòu)造控制，當(dāng)跨度為60m 90m左右時，腹桿直徑僅
為誘60x3.5 ~ #70x4.0 ,當(dāng)腹桿長達9m IOm時，腹桿直徑為_80χ5.0 ~ i^COx6.,是普通跨度網(wǎng)殼腹桿單位重量的五倍，而超大跨度扭網(wǎng)殼腹桿總長度往往大于普通跨度扭網(wǎng)殼上、 下弦桿總長度1. 5倍以上，所以，常規(guī)的超大跨度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)一般做成三層，目的是減小腹桿長度、使腹桿用鋼量下降。但由雙層均改為三層后，整個網(wǎng)殼的節(jié)點數(shù)量增加1/3，網(wǎng)殼腹桿長度雖然減小，但桿件(包括中弦桿)數(shù)量增加十分顯著。同時也增加了施工難度，常規(guī)的三層扭網(wǎng)殼并沒有達到降低用鋼量的目的。隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，超大跨度的體育、展覽、實驗等公共建筑愈來愈多，如何在確保結(jié)構(gòu)安全、可靠、適用的前提下，能降低用鋼量、 減少工程造價，至今仍是一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。該扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)適用于跨度在120m 180m的超大跨度扭網(wǎng)殼屋蓋，能在確保結(jié)構(gòu)安全、可靠、適用的前提下，達到降低用鋼量、減少工程造價的目的，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。包括扭網(wǎng)殼，在所述扭網(wǎng)殼的周邊按柱網(wǎng)間距要求設(shè)置有高度不相等的框架柱，在扭網(wǎng)殼的每邊中央設(shè)置有中央框架柱；扭網(wǎng)殼的懸挑部位均簡支于框架柱的頂部；在扭網(wǎng)殼的每邊中央框架柱上支座裝有預(yù)應(yīng)力鋼索。上述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述扭網(wǎng)殼每邊的框架柱高度從中央框架柱沿兩端按線性升高；中央框架柱柱的高度最低，扭網(wǎng)殼角部的框架柱高度最高。前述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述的預(yù)應(yīng)力鋼索是固定在扭網(wǎng)殼每邊中央框架柱的頂部支座節(jié)點上。前述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述扭網(wǎng)殼受力大的部位為三層網(wǎng)殼，受力較小部位為雙層網(wǎng)殼。前述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述扭網(wǎng)殼中間的“十字形”部位及周邊框架柱內(nèi)邊范圍為三層網(wǎng)殼，其他部位均為雙層網(wǎng)殼。前述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述的三層網(wǎng)殼占扭網(wǎng)殼總面積的20 30%，雙層網(wǎng)殼占扭網(wǎng)殼總面積的70 80%。前述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述扭網(wǎng)殼的懸挑長度僅為屋蓋檐口長度。前述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述的扭網(wǎng)殼為矩形或方形平面，其跨度為120 180m的超大跨度。本發(fā)明的有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的“超大跨度周邊簡支承預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)”是一種新型的屋蓋結(jié)構(gòu)形式，尤其適用于跨度為120 180m 的超大跨度扭網(wǎng)殼屋蓋，是一種安全、合理、先進、經(jīng)濟的新型結(jié)構(gòu)體系。本發(fā)明采用周邊按柱網(wǎng)間距要求，沿扭網(wǎng)殼周邊設(shè)置高度不相等的框架柱，使扭網(wǎng)殼周邊部位均簡支于周邊的框架梁頂部，其懸挑長度僅為屋蓋檐口長度(7. 5 m 15 m)，這樣處理網(wǎng)殼不存在超大懸挑問題，從而使此類超大跨度結(jié)構(gòu)不會成為“雙重超限”的不合理結(jié)構(gòu)形式。并在每塊扭網(wǎng)殼的最低點(每邊中點)支座用預(yù)應(yīng)力鋼索取代鋼系桿建立預(yù)應(yīng)力，由于預(yù)應(yīng)力作用將使扭網(wǎng)殼產(chǎn)生與荷載作用相反的變形，從而使網(wǎng)殼各桿件產(chǎn)生與荷載作用相反的內(nèi)力，使網(wǎng)殼各桿件內(nèi)力減小，達到降低用鋼量的目的。本發(fā)明根據(jù)扭網(wǎng)殼內(nèi)力分布規(guī)律，在超大跨度時，將受力大的部位設(shè)計為三層，受力較小部位設(shè)計為雙層。形成“超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)”，本結(jié)構(gòu)體系不僅具有良好的結(jié)構(gòu)整體性，大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，消除了超大懸挑帶來的隱患，而且進一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)用鋼，使用鋼量大幅度下降，達到“節(jié)能增效”的要求，在確保結(jié)構(gòu)安全、可靠、適用的前提下，達到降低用鋼量，減少工程造價的目的。本發(fā)明與常規(guī)預(yù)應(yīng)力組合扭網(wǎng)殼比較具有三大創(chuàng)新點其一，周邊按柱網(wǎng)要求設(shè)置周邊框架柱，既防止扭網(wǎng)殼大懸挑“超限”的出現(xiàn)，又提高了整個屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性和抗側(cè)剛度，同時，也改善了組合扭網(wǎng)殼受力特性，在確保結(jié)構(gòu)剛度要求的同時，由于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)使網(wǎng)殼內(nèi)力減小，降低用鋼量。其二，將常規(guī)的三層網(wǎng)殼根據(jù)超大跨度預(yù)應(yīng)力組合扭網(wǎng)殼的受力特點和內(nèi)力分布規(guī)律改變?yōu)槭芰Υ蟮牟糠譃槿龑?占總面積20%)，受力較小部位仍為雙層(約占總面積的80%)，這種結(jié)構(gòu)形式可大幅度降低用鋼量，既減少了三層組合扭網(wǎng)殼的節(jié)點和桿件數(shù)量，又優(yōu)化了結(jié)構(gòu)用鋼、降低了用鋼量，達到“節(jié)能減排”功效。其三，當(dāng)預(yù)應(yīng)力組合扭網(wǎng)殼跨度為120 180m的超限條件下，不再出現(xiàn)超大懸挑，從而防止“雙重超限”的不合理的結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)。由周邊按柱網(wǎng)形成邊框架結(jié)構(gòu)，避免了扭網(wǎng)殼對角部形成的大懸挑或超限(超過40m)的大懸挑；使扭網(wǎng)殼沿周邊簡支，邊界條件的改善導(dǎo)致組合扭網(wǎng)殼受力特性改善；同時，也使整個超大跨度結(jié)構(gòu)整體性和抗側(cè)剛度大幅度提高。


圖1是本發(fā)明的軸測圖2是現(xiàn)有的四柱支承預(yù)應(yīng)力雙層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)軸測圖； 圖3是本發(fā)明的平面布置圖； 圖4是圖3的A-A剖視圖； 圖5是本發(fā)明的正立面結(jié)構(gòu)布置簡圖； 圖6是本發(fā)明1/4單塊扭網(wǎng)殼的雙層與三層網(wǎng)格布置圖； 圖7是圖6的I - I剖面圖； 圖8是圖6的II - II剖面圖； 圖9是圖6的III-III剖面圖。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。
具體實施例方式實施例1。如圖1所示，本實施例為某超大型實驗大廳，扭網(wǎng)殼1的平面尺寸為 150mX 150m，正方形，柱網(wǎng)的柱距每邊均為7. 5 m，每邊長20X7. 5m=150m，在扭網(wǎng)殼1每邊設(shè)置有20個高度不等的邊框架柱2和1個中央框架柱3，共21個框架柱，其高度從中央框架柱3 (標(biāo)高最低+10. 0 m)，沿兩端按線性升高到角部柱(標(biāo)高最高+23. 2 m)，中央框架柱 3的高度最低，扭網(wǎng)殼1角部的框架柱2高度最高，并從中間向兩端升高形成10°的夾角。 扭網(wǎng)殼1的懸挑部位均簡支于框架柱2的頂部。預(yù)應(yīng)力鋼索4布置在扭網(wǎng)殼1每邊中央框架柱3的頂部支座節(jié)點上，此處亦是整個扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最低點。預(yù)應(yīng)力鋼索4兩端節(jié)點既是張拉端，也是錨固端，當(dāng)張拉預(yù)應(yīng)力鋼索建立預(yù)應(yīng)力時，有使鋼網(wǎng)殼向上變形的拱起作用， 形成與屋面豎向荷載相反的變形和內(nèi)力，預(yù)應(yīng)力作用時結(jié)構(gòu)的“成形態(tài)”的變形及內(nèi)力與荷
5載作用下的結(jié)構(gòu)“荷載態(tài)”的變形與內(nèi)力正好相反，則屋蓋結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)的變形與內(nèi)力為前兩狀態(tài)的疊加，從而達到減小結(jié)構(gòu)變形，提高結(jié)構(gòu)剛度和減小扭網(wǎng)殼桿件內(nèi)力，降低結(jié)構(gòu)用鋼量的作用。本發(fā)明采用雙層與三層網(wǎng)殼組合布置的方法，在整個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力大的部位，如圖3中間十字形部位和周邊支座內(nèi)邊部位為三層網(wǎng)殼5，其他受力小的部位均為雙層網(wǎng)殼6，其中三層網(wǎng)殼5占扭網(wǎng)殼1總面積的20%，80%為雙層網(wǎng)殼6，導(dǎo)致桿件數(shù)量、節(jié)點數(shù)量大幅度下降，它既保證結(jié)構(gòu)的承載力和剛度要求，又大幅度降低結(jié)構(gòu)用鋼量，從而顯示了此類新型預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的新穎性和先進性。整個扭網(wǎng)殼1的雙層網(wǎng)殼6與三層網(wǎng)殼5的布置見圖6的1/4網(wǎng)格布置圖，它的I - I、II - II、III-III剖面分別見圖7，圖8，圖 9。圖3為整個網(wǎng)殼及雙層與三層網(wǎng)殼的布置圖，其對角線剖面如圖4所示，其對角線懸挑跨度由原來的63. 6m減小為10. 6m，避免原結(jié)構(gòu)形式的懸挑超限所造成的“雙重超限”不合理結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。 本發(fā)明的實施方式不限于上述實施例，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種變化均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，包括扭網(wǎng)殼(1)，其特征在于在所述扭網(wǎng)殼(1)的周邊按柱網(wǎng)間距要求設(shè)置有高度不相等的框架柱(2)，在扭網(wǎng)殼(1)的每邊中央設(shè)置有中央框架柱(3);扭網(wǎng)殼(1)的懸挑部位均簡支于框架柱(2)的頂部；在扭網(wǎng)殼(1)的每邊中央框架柱(3)上裝有預(yù)應(yīng)力鋼索(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于所述扭網(wǎng)殼(1)每邊的框架柱(2)高度從中央框架柱(3)沿兩端按線性升高；中央框架柱(3)的高度最低，扭網(wǎng)殼(1)角部的框架柱(2)高度最高。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的預(yù)應(yīng)力鋼索(4)固定在扭網(wǎng)殼(1)每邊中央框架柱(3)的頂部支座節(jié)點上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于所述扭網(wǎng)殼(1)受力大的部位為三層網(wǎng)殼，受力較小部位為雙層網(wǎng)殼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于所述扭網(wǎng)殼(1)中間的“十字形”部位及周邊框架柱(2)內(nèi)邊范圍為三層網(wǎng)殼(5)， 其他部位均為雙層網(wǎng)殼(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的三層網(wǎng)殼(5)占扭網(wǎng)殼(1)總面積的20 30%，雙層網(wǎng)殼(6)占扭網(wǎng)殼(1) 總面積的70 80%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于所述扭網(wǎng)殼(1)的懸挑長度僅為屋蓋檐口長度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項所述的超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的扭網(wǎng)殼(1)為矩形或方形平面，其跨度為120 180m的超大跨度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超大跨度周邊簡支預(yù)應(yīng)力雙層與三層組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，包括扭網(wǎng)殼(1)，在所述扭網(wǎng)殼(1)的周邊按柱網(wǎng)間距要求設(shè)置有高度不相等的框架柱(2)，在扭網(wǎng)殼(1)的每邊中央設(shè)置有中央框架柱(3)；扭網(wǎng)殼(1)的懸挑部位均簡支于框架柱(2)的頂部；在扭網(wǎng)殼(1)的每邊中央框架柱(3)上裝有預(yù)應(yīng)力鋼索(4)。本發(fā)明不僅具有良好的結(jié)構(gòu)整體性，大幅度提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，消除了超大懸挑帶來的隱患，而且進一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)用鋼，使用鋼量大幅度下降，達到“節(jié)能增效”的要求，尤其適用于跨度為120～180m的超大跨度扭網(wǎng)殼屋蓋,是一種安全、合理、先進、經(jīng)濟的新型結(jié)構(gòu)體系。
文檔編號E04B1/342GK102235032SQ20101015539
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月26日
發(fā)明者馮更帥, 盧亞琴, 周白, 周緒紅, 張華剛, 戴立先, 王宏, 申波, 賀振科, 馬克儉 申請人:中建鋼構(gòu)有限公司, 蘭州大學(xué), 貴州大學(xué)