CN112922340B - 基于张拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法 - Google Patents

基于张拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法 Download PDF

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Abstract

一种基于拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法，属于大跨空间索结构施工领域。针对全张拉交叉索桁结构采用张拉力自调试节点建立一种新型高效的施工成形方法。首先安装竖向支撑构件和环向桁架；然后在地面定位上弦索，在节点位置固定上节点，将竖直拉索连接到上弦索的上节点上，并整体提升锚固到环向桁架上层内环的耳板上；其次在地面上定位下弦拉索，并整体提升锚固到环向桁架下层内环的耳板上；然后由中间到端部逐次顶升下节点，同时在下节点底部向下张拉竖直拉索，使整体结构产生预应力而成形。本发明施工成形方法简便，施加张拉力小，易于调整索力，施工精度高，施工安全度高，施工成本低。

Description

基于张拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法
技术领域
本发明涉及一种基于拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法，属于大跨空间结构施工领域。
背景技术
一种新型空间结构体系——无内环全张拉交叉索桁架结构其结构受力有别于传统的张拉整体结构中“拉索的海洋与撑杆(压杅)的孤岛”的设计理念，全部采用拉索实现整体结构体系的建立，避免了压杆失稳造成的结构失效。对于这种新型的全部采用拉索的结构体系，如何使结构获得合适的预应力实现有效的施工成形是核心问题之一。在专利公开号为CN109629690A的专利中，提出了张拉结构的下弦拉索(下弦稳定索)使结构获得预应力成形的方法，由于下弦拉索较长(比竖直拉索多一个数量级)，每条弦索的节点连接数目较多，对施工下料精度控制要求高，预应力施工精度要求高，张拉的初始应力大(比竖直拉索多一个数量级)。因此，现有的施工成形方法，对构件制作精度和初始预应力精度有极其严格的要求，施工难度大，施工成形效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于张拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法，通过对竖直拉索施加张拉力，减小上、下节点间距，即减小竖直拉索长度的方法间接对长度较长的上、下弦拉索施加预应力。竖直拉索的设计长度短易于控制，施工成形精度易得到保证，初始施加预应力低，仅在下节点张拉应力，施工难度降低。
为达到上述目的，本发明实施例提供的技术方案是：在交叉索桁架结构的下节点位置对竖直拉索张拉预应力筋，所述下节点包括：索槽板、螺杆板、碟形弹簧、锚板、橡胶层A、橡胶层B、垫片、锚固夹具和螺帽，所述索槽板的上表面有长条形的凹槽可嵌入下弦拉索中一个方向的拉索，所述螺杆板的上表面有长条形的凹槽可嵌入下弦拉索中另一个方向的拉索，且每个方向拉索分两束布置；所述螺杆板中心有中空管型的螺杆伸出；索槽板、垫片、橡胶层A、橡胶层B、碟形弹簧、锚板和锚固夹具的中心有圆孔，可使所述螺杆板中心的螺杆穿过；在无水平拉索交叉的下节点上仅固定下弦拉索的单方向拉索，下节点的组成中可去除索槽板和橡胶层B；采用所述下节点形式，针对全张拉交叉索桁结构的施工整体成形步骤如下：
第一步：安装竖向支撑构件，然后在在其上安装定位环向桁架；
第二步：在地面上首先按照全张拉交叉索桁架结构中的上弦拉索布置方式由无应力状态设计的拉索索长定位上弦拉索，然后在上弦拉索的节点位置安装上节点，其次将具有零应力状态索长的竖直拉索一端连接到上节点底部的耳板上；之后，整体提升上弦拉索，并将每个上弦拉索的两端锚固到环向桁架中上层钢桁架内环的耳板A上；
第三步：在地面上首先按照全张拉交叉索桁架结构中的下弦拉索布置方式由无应力状态设计的拉索索长定位下弦拉索，然后在下弦拉索的节点位置安装下节点，其次，整体提升下弦拉索，并将每个下弦拉索的两端锚固到环向桁架中下层钢桁架内环的耳板B上；
第四步：每榀索桁架包含若干根竖直拉索，且由中部向两侧对称分布的竖直拉索索长依次增大，首先将结构中每榀索桁架的中间竖直拉索的下端在对应的下节点位置从螺杆板中螺杆的中空位置穿过，然后再依次从蝶形弹簧、锚板和锚固夹具的中心穿过，其次，在下节点的锚板底部用张拉机具顶升锚板的同时向下张拉竖直拉索，待下节点的锚板底部达到竖直拉索在预应力状态设计的索长位置时，通过锚固夹具将竖直拉索锚固到下节点的锚板上；
第五步：除在第四步已经张拉的中间竖直拉索外，对每榀索桁架中其余的竖直拉索按照第四步的方法由中间向两端依次张拉，直至整个结构施工成形完成。
优选的，所述第一步安装的环向桁架包含上、下两层钢桁架，在上、下两层钢桁架内环的内侧分别与上弦索和下弦拉索的端部对应位置上固定耳板A和耳板B。
优选的，所述下节点的安装步骤为：首先在下弦拉索的节点位置上将一个方向的下弦拉索嵌入螺杆板的凹槽内，将橡胶层A穿过螺杆套在螺杆板的上表面，将索槽板穿过螺杆套在橡胶层A的上表面；然后，旋转索槽板调整凹槽角度使另一个方向的下弦拉索嵌入索槽板的凹槽内，将橡胶层B穿过螺杆套在索槽板的上表面，将垫片穿过螺杆套在橡胶层B的上表面；最后，将螺帽在螺杆顶部拧紧，使橡胶层A和橡胶层B发生挤压变形压紧下弦拉索。
张拉机具的上端顶升所述锚板，下端向下张拉所述竖直拉索；在张拉机具顶升所述锚板时，下节点上移，下节点处的下弦拉索上移拉长而受到逐渐增大的拉力，且所述锚板挤压下节点中的碟形弹簧，使蝶形弹簧压缩变形；同时，在张拉机具向下张拉竖直拉索时，竖直拉索连接的上节点向下移动，上节点处的上弦索下移拉长而受到逐渐增大的拉力；在锚固夹具将竖直拉索锚固到下节点的锚板上之后，蝶形弹簧受到的压力与竖直拉索的拉力大小相等，通过改变碟形弹簧的压缩变形量，实现对竖直拉索索力的自动调节。
所述全张拉交叉索结构在张拉竖直拉索使结构成形时，与竖直拉索相连接的上弦索和下弦拉索获得的预应力计算公式为：
Figure BDA0002922455140000031
式中，li和lj分别为计算的上弦索或下弦拉索两端i，j节点连接的竖直拉索在张拉成形后的索长，Fi为计算的上弦索或下弦拉索其中一端i节点连接的竖直拉索的张拉力值，lk0为计算的上弦索或下弦拉索在张拉成形前的i节点和j节点间的索长，Ak为计算的上弦索或下弦拉索的拉索截面面积，Fk为计算的上弦索或下弦拉索获得拉力值；所述竖直拉索在张拉成形后的索长li和lj均小于lk0，可进一步得到如下关系：
Figure BDA0002922455140000032
这说明对所述竖直拉索施加较小的张拉力值，可以使上弦索和下弦拉索获得较大的预应力，使结构更容易施工成形。
本发明的有益效果：
1)通过仅在在竖直拉索的下节点施加张拉力，使上弦索和下弦拉索获得预应力，可以使整个结构成形；
2)对竖直拉索采用较小的张拉力就可使上弦索和下弦拉索获得较大的预应力，使结构获得合理的成形效果；
3)竖直拉索长度较短且仅有上下两个节点，上节点固定，下节点张拉，相比较张拉上、下弦拉索方案，索力便于调节，施工操作方便，施工精度易于控制。
附图说明
图1为步骤一示意图；
图2为步骤二～步骤五示意图(未画出竖向支撑构件)；
图3为图1中局部A区域详图；
图4为下节点示意图；
图5为ABAQUS模拟单榀索桁架张拉竖直拉索的成形过程；
其中，1-竖向支撑构件、2-环向桁架、3-上弦拉索、4-竖直拉索、401-中间竖直拉索、5-上节点、6-下弦拉索、7-下节点、801-耳板A、802-耳板B、9-锚板、10-碟形弹簧、11-垫片、12-橡胶层B、13-索槽板、14-橡胶层A、15-螺杆板、16-锚固夹具、17-螺栓
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于说明书附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例
在交叉索桁架结构的下节点位置对竖直拉索张拉预应力筋，所述下节点包括：索槽板13、螺杆板15、碟形弹簧10、锚板9、橡胶层A14、橡胶层B12、垫片11、锚固夹具16和螺帽17，所述索槽板13的上表面有长条形的凹槽可嵌入下弦拉索6中一个方向的拉索，所述螺杆板15的上表面有长条形的凹槽可嵌入下弦拉索6中另一个方向的拉索，且每个方向拉索分两束布置；所述螺杆板15中心有中空管型的螺杆伸出；索槽板13、垫片11、橡胶层A14、橡胶层B12、碟形弹簧10、锚板9和锚固夹具16的中心有圆孔，可使所述螺杆板15中心的螺杆穿过；在无下弦拉索6交叉的下节点7上仅固定下弦拉索6的单方向拉索，下节点7的组成中可去除索槽板13和橡胶层B12；采用所述下节点7形式，针对全张拉交叉索桁结构的施工整体成形步骤如下：
第一步：安装竖向支撑构件1，然后在在其上安装定位环向桁架2，如图1所示；
第二步：在地面上首先按照全张拉交叉索桁架结构中的上弦拉索3布置方式由无应力状态设计的拉索索长定位上弦拉索3，然后在上弦拉索3的节点位置安装上节点5，其次将具有零应力状态索长的竖直拉索4一端连接到上节点5底部的耳板上；之后，整体提升上弦拉索3，并将每个上弦拉索3的两端锚固到环向桁架中上层钢桁架内环的耳板A801上，如图2所示；
第三步：在地面上首先按照全张拉交叉索桁架结构中的下弦拉索6布置方式由无应力状态设计的拉索索长定位下弦拉索6，然后在下弦拉索6的节点位置安装下节点7，其次，整体提升下弦拉索6，并将每个下弦拉索6的两端锚固到环向桁架2中下层钢桁架内环的耳板B802上，如图2所示；
第四步：每榀索桁架包含若干根竖直拉索4，且由中部向两侧对称分布的竖直拉索4索长依次增大，首先将结构中每榀索桁架的中间竖直拉索401的下端在对应的下节点7位置从螺杆板15中螺杆的中空位置穿过，然后再依次从蝶形弹簧10、锚板9和锚固夹具16的中心穿过(如图4所示)，然后在下节点7的锚板9底部用张拉机具顶升锚板的同时向下张拉竖直拉索4，待下节点7的锚板9底部达到竖直拉索4在预应力状态设计的索长位置时，通过锚固夹具将竖直拉索4锚固到下节点7的锚板9上，如图2所示；
第五步：除在第四步已经张拉的中间竖直拉索401外，对每榀索桁架中其余的竖直拉索4按照第四步的方法由中间向两端依次张拉，直至整个结构施工成形完成。
优选的，如图3所示，环向桁架包含上、下两层钢桁架，在上、下两层钢桁架内环的内侧分别与上弦拉索3和下弦拉索6的端部对应位置上固定耳板A801和耳板B802。
优选的，所述下节点7的安装步骤为：首先在下弦拉索6的节点位置上将一个方向的下弦拉索6嵌入螺杆板15的凹槽内，将橡胶层A14穿过螺杆套在螺杆板15的上表面，将索槽板13穿过螺杆套在橡胶层A14的上表面；然后，旋转索槽板13调整其凹槽角度使另一个方向的下弦拉索6嵌入索槽板13的凹槽内，将橡胶层B12穿过螺杆套在索槽板13的上表面，将垫片11穿过螺杆套在橡胶层B12的上表面；最后，将螺帽17在螺杆顶部拧紧，使橡胶层A12和橡胶层B14发生挤压变形压紧下弦拉索6。
张拉机具的上端顶升所述锚板9，下端向下张拉所述竖直拉索4；在张拉机具顶升所述锚板9时，下节点7上移，下节点7处的下弦拉索6上移拉长而受到逐渐增大的拉力，且所述锚板9挤压下节点中的碟形弹簧10(如图4所示)，使蝶形弹簧10压缩变形；同时，在张拉机具向下张拉竖直拉索4时，竖直拉索4连接的上节点5向下移动，上节点5处的上弦索3下移拉长而受到逐渐增大的拉力；在锚固夹具将竖直拉索4锚固到下节点7的锚板9上之后，蝶形弹簧10受到的压力与竖直拉索4的拉力大小相等，通过改变碟形弹簧10的压缩变形量，实现对竖直拉索4索力的自动调节。
图5(a)为张拉成形前的零应力状态(未考虑重力)，图5(b)为减小中间竖直拉索4长度，即对中间竖直拉索401在下节点施加张拉力5MPa(3.925kN)，得到的上弦拉索3和下弦拉索6的内力分布在115.5MPa(90.667kN)～118.5MPa(93.022kN)之间；图5(c)为减小次中间竖直拉索4长度，即对次中间竖直拉索4在下节点施加张拉力7.78MPa(6.107kN)，累计得到的上弦拉索3和下弦拉索6的内力分布在345MPa(270.825kN)～354.2MPa(278.047kN)之间；图5(d)为减小端部竖直拉索4长度，即对端部竖直拉索4在下节点施加张拉10.543MPa(8.276kN)，累计得到的上弦拉索3和下弦拉索6的内力分布在574MPa(450.59kN)～589.7MPa(462.915kN)之间；图5的算例表明对竖直拉索4施加较小的张拉力5MPa～10.543MPa，可以使上弦拉索3和下弦拉索6获得的预应力达到张拉力的20倍以上，充分显示了对竖直拉索4施加张拉力使结构施工成形的优势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来设，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法，其特征在于：在交叉索桁架结构的下节点位置对竖直拉索张拉预应力筋，所述下节点包括：索槽板、螺杆板、碟形弹簧、锚板、橡胶层A、橡胶层B、垫片、锚固夹具和螺帽，所述索槽板的上表面有长条形的凹槽可嵌入下弦拉索中一个方向的拉索，所述螺杆板的上表面有长条形的凹槽可嵌入下弦拉索中另一个方向的拉索，且每个方向拉索分两束布置；所述螺杆板中心有中空管型的螺杆伸出；索槽板、垫片、橡胶层A、橡胶层B、碟形弹簧、锚板和锚固夹具的中心有圆孔，使所述螺杆板中心的螺杆穿过；在无水平拉索交叉的下节点上仅固定下弦拉索的单方向拉索，下节点的组成中可去除索槽板和橡胶层B；
采用所述下节点形式，针对全张拉交叉索桁结构的施工整体成形步骤如下：
第一步：安装竖向支撑构件，然后在其上安装定位环向桁架；
第二步：在地面上首先按照全张拉交叉索桁架结构中的上弦拉索布置方式由无应力状态设计的拉索索长定位上弦拉索，然后在上弦拉索的节点位置安装固定上节点，其次将具有零应力状态索长的竖直拉索一端连接到上节点底部的耳板上；之后，整体提升上弦拉索，并将每个上弦拉索的两端锚固到环向桁架中上层钢桁架内环的耳板A上；
第三步：在地面上首先按照全张拉交叉索桁架结构中的下弦拉索布置方式由无应力状态设计的拉索索长定位下弦拉索，然后在下弦拉索的节点位置安装下节点，待所有下节点安装完毕后，整体提升下弦拉索，并将每个下弦拉索的两端锚固到环向桁架中下层钢桁架内环的耳板B上；
第四步：每榀索桁架包含若干根竖直拉索，且由中部向两侧对称分布的竖直拉索索长依次增大，首先将结构中每榀索桁架的中间竖直拉索的下端在对应的下节点位置从螺杆板中螺杆的中空位置穿过，然后再依次从蝶形弹簧、锚板和锚固夹具的中心穿过，其次，在下节点的锚板底部用张拉机具顶升锚板的同时向下张拉竖直拉索，待下节点的锚板底部达到竖直拉索在预应力状态设计的索长位置时，通过锚固夹具将竖直拉索锚固到下节点的锚板上；
第五步：除在第四步已经张拉的中间竖直拉索外，对每榀索桁架中其余的竖直拉索按照第四步的方法由中间向两端依次张拉，直至整个结构施工成形完成。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法，其特征在于：所述第一步安装的环向桁架包含上、下两层钢桁架，在上、下两层钢桁架内环的内侧分别与上弦索和下弦拉索的端部对应位置上固定耳板A和耳板B。
3.根据权利要求1所述的一种基于拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法，其特征在于：所述下节点的安装步骤为：首先在下弦拉索的节点位置上将一个方向的下弦拉索嵌入螺杆板的凹槽内，将橡胶层A穿过螺杆套在螺杆板的上表面，将索槽板穿过螺杆套在橡胶层A的上表面；然后，旋转索槽板调整凹槽角度使另一个方向的下弦拉索嵌入索槽板的凹槽内，将橡胶层B穿过螺杆套在索槽板的上表面，将垫片穿过螺杆套在橡胶层B的上表面；最后，将螺帽在螺杆顶部拧紧，使橡胶层A和橡胶层B发生挤压变形压紧下弦拉索。
4.根据权利要求1所述的一种基于拉力自调式节点的全张拉交叉索结构的施工成形方法，其特征在于：张拉机具的上端顶升所述锚板，下端向下张拉所述竖直拉索；在张拉机具顶升所述锚板时，下节点上移，下节点处的下弦拉索上移拉长而受到逐渐增大的拉力，且所述锚板挤压下节点中的碟形弹簧，使蝶形弹簧压缩变形；同时，在张拉机具向下张拉竖直拉索时，竖直拉索连接的上节点向下移动，上节点处的上弦索下移拉长而受到逐渐增大的拉力；在锚固夹具将竖直拉索锚固到下节点的锚板上之后，蝶形弹簧受到的压力与竖直拉索的拉力大小相等，通过改变碟形弹簧的压缩变形量，实现对竖直拉索索力的自动调节。
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