CN114411951B - 一种局部弦支组合网架结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种局部弦支组合网架结构，包括网架，还包括平面桁架；所述网架的跨中部位的网格替换为平面桁架，平面桁架的上弦杆与两侧的网架的网架上弦杆连接，平面桁架的下弦杆与两侧的网架的网架下弦杆连接；所述下弦杆采用可张拉弦杆。本发明提供的局部弦支组合网架结构，具有屋面造型适应性强、室内空间侵占少、同时对支承柱推力较小等优点。

Description

一种局部弦支组合网架结构
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及一种局部弦支组合网架结构。
背景技术
空间网架结构是在20世纪中叶蓬勃发展起来的新结构，它是一种由多跟杆件在空间上按照一定规律排布并通过节点相连的结构形式。1964年建成的上海师范学院球类房屋盖是一幢网架结构，随后由于其空间受力特性，自重轻、跨越能力强、杆件节点标准化利于安装等特点，广泛运用于体育场馆、影剧院、交通建筑、工业车间和仓库等领域。
近年来随着建筑行业发展和建筑审美进步，出现了越来越多屋面造型自由且起伏巨大的屋盖结构，其中拱形类屋面会对屋盖支承柱造成较大的水平推力，水平推力引起的柱底弯矩往往造成支承柱难以设计，只能通过增加支承柱减小跨度或者调整结构方案采用自平衡张弦整体结构，如张弦桁架，张弦梁。张弦整体结构虽然可通过自平衡减少对支承柱推力，但因其贯通的垂索对室内空间侵占较多，适用场景有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：拱形类屋面会对屋盖支承柱造成较大的水平推力，而常规的自平衡张弦整体结构对室内空间侵占较多，适用场景有限，本发明提供了解决上述问题的一种局部弦支组合网架结构，具有屋面造型适应性强、室内空间侵占少、同时对支承柱推力较小等优点。
本发明通过下述技术方案实现：
一种局部弦支组合网架结构，包括网架，还包括平面桁架；所述网架的跨中部位的网格替换为平面桁架，平面桁架的上弦杆与两侧的网架的网架上弦杆连接，平面桁架的下弦杆与两侧的网架的网架下弦杆连接；所述下弦杆采用可张拉弦杆。
近年来随着建筑行业发展和建筑审美进步，出现了越来越多屋面造型自由且起伏巨大的屋盖结构，其中拱形类屋面会对屋盖支承柱造成较大的水平推力，水平推力引起的柱底弯矩往往造成支承柱难以设计，只能通过增加支承柱减小跨度或者调整结构方案采用自平衡张弦整体结构，如张弦桁架，张弦梁。张弦整体结构虽然可通过自平衡减少对支承柱推力，但因其贯通的垂索对室内空间侵占较多，适用场景有限。基于该技术背景，本发明提供了一种普通网架结构和张弦结构杂交的新型结构形式，将网架跨中部位局部网格变换为平面桁架结构，平面桁架的下弦杆采用可张拉杆，杂交后新的网架结构具有屋面造型适应性强、室内空间侵占少、同时对支承柱推力较小等优点。
本发明提供的局部弦支组合网架结构充分利用结构跨中下部仅受拉的力学特点，结合下弦杆优越的受拉性能和可预张拉的特点，通过在施工过程中对下弦杆进行张拉，部分平衡拱形屋面推力，减少支承柱承受的水平推力，在不额外侵占室内空间的前提下利于支承柱设计、使结构整体得以成立。网架跨中区域采用平面桁架布置，使下弦杆沿跨度方向单向布置，利于施工张拉。
进一步优选，所述下弦杆采用钢拉杆或钢索，并采用双拉杆或拉索布置。
进一步优选，所述网架的非跨中部位采用正交正放四角锥网架。
进一步优选，所述下弦杆与两侧网架的网架下弦杆铰接连接。
进一步优选，所述下弦杆与网架下弦杆通过连接节点II铰接连接；所述连接节点II包括销轴耳板II，通过销轴II穿孔将下弦杆与销轴耳板II组装相连并传递沿下弦杆轴向拉力。
进一步优选，所述连接节点II还包括空心球冠和耳板连接圆管；所述耳板连接圆管的轴向两端均由内向外依次设置销轴耳板II和空心球冠，两侧网架的网架下弦杆与耳板连接圆管和空心球冠连接，两侧网架的网架腹杆与空心球冠连接。
进一步优选，所述空心球冠、销轴耳板II和耳板连接圆管依次焊接连接，所述网架下弦杆与耳板连接圆管和空心球冠焊接连接，网架腹杆与空心球冠焊接连接。
进一步优选，还包括连接节点I；所述平面桁架包括上弦杆、撑杆和下弦杆；所述上弦杆和两根撑杆组成倒置等腰三角形结构，撑杆下端通过连接节点I与下弦杆连接并传递张拉下弦杆引起的竖向分力；所述下弦杆的一端与连接节点I铰接连接、另一端用于与网架下弦杆铰接连接。连接节点I两侧的下弦杆呈V字型布置，由此使下弦杆具备一定垂度，张拉时通过撑杆对上弦杆形成反拱。
进一步优选，所述连接节点I包括销轴耳板I、撑杆连接板和销轴I；两个销轴耳板I通过撑杆连接板连接；每个销轴耳板I的两端均设置孔，通过销轴I穿孔将下弦杆与销轴耳板I组装相连并传递沿拉杆轴向拉力。
进一步优选，所述连接节点I还包括协调劲板，所述协调劲板设置在两个销轴耳板I之间；协调劲板起到协调两侧销轴耳板I变形、使连接节点I整体受力的作用。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提供了一种普通网架结构和张弦结构杂交的新型结构形式，具有屋面造型适应性强，室内空间侵占少，同时对支承柱推力较小等优点。
本发明提供的局部弦支组合网架结构采用杂交网格形式，非跨中区域采用正交正放四角锥网架，跨中区域变换为平面桁架；局部弦支组合网架结构部分跨中下弦杆采用可张拉的钢拉杆(或钢索)，在施工过程中进行预张拉，部分平衡拱形屋面推力，减少支承柱承受的水平推力，在不额外侵占室内空间的前提下利于支承柱设计、使结构整体得以成立。
由于钢拉杆或拉索存在松弛或断索风险，基于防连续倒塌设计理念和结构冗余度的考虑，采用双拉杆或拉索布置，其中一根断裂或松弛时不影响结构安全并具备更换维修条件，在此基础上设计了相应的连接节点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的局部弦支组合网架结构轴测示意图。
图2为本发明的局部弦支组合网架结构剖面组成示意图。
图3为本发明连接节点I结构示意图；其中，图3(a)表示立体结构示意图；图3(b)表示***图。
图4为本发明连接节点II结构示意图；其中，图4(a)表示立体结构示意图；图4(b)表示***图。
图5为本发明的局部弦支组合网架结构仅荷载态工况图。
图6为本发明的局部弦支组合网架结构在预张拉工况下的受力图；其中，图6(a)表示剖面图，图6(b)表示跨中下弦平面图。
图7为本发明的局部弦支组合网架结构实际工作状况受力图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-正交正放四角锥网架，1a-网架下弦杆，1b-网架腹杆；
2-平面桁架，2a-下弦杆，2b-撑杆，2c-上弦杆；
3-支承柱；
4-连接节点I，4a-销轴耳板I，4b-撑杆连接板，4c-协调劲板，4d-销轴I；
5-连接节点II，5a-销轴耳板II，5b-空心球冠，5c-耳板连接圆管，5d-销轴II。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于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保护范围的限制。
实施例1
本实施例提供了一种局部弦支组合网架结构，包括网架，还包括平面桁架2；网架的跨中部位的网格替换为平面桁架2，网架的非跨中部位采用正交正放四角锥网架1。平面桁架2的上弦杆2c与两侧的网架的网架上弦杆连接，平面桁架2的下弦杆2a与两侧的网架的网架下弦杆1a连接；所述下弦杆2a采用可张拉弦杆，下弦杆2a采用钢拉杆或钢索。区别于现有的张弦结构布置方式，本实施例将张弦结构“平面桁架2”替换网架本身部分结构，实现嵌入式组装，获得一种杂交新型网架结构，既可以实现减少支承柱承受的水平推力的效果，同时不会额外侵占室内空间，屋面造型适应性强。
实施例2
在实施例1的基础上进一步改进，所述下弦杆2a采用双杆布置，所述下弦杆2a与网架下弦杆1a通过连接节点II5铰接连接；连接节点II5包括两个销轴耳板II5a、两个空心球冠5b和一个耳板连接圆管5c。
耳板连接圆管5c的轴向两端均由内向外依次设置销轴耳板II5a和空心球冠5b，即按照空心球冠5b、销轴耳板II5a、耳板连接圆管5c、销轴耳板II5a和空心球冠5b的顺序依次焊接连接为一体结构，两个销轴耳板II5a以耳板连接圆管5c为基点对称布置，两个空心球冠5b以耳板连接圆管5c为基点对称布置。通过销轴II5d穿孔将两根下弦杆2a与两个销轴耳板II5a组装相连并传递沿下弦杆2a轴向拉力。
两侧网架的网架下弦杆1a与耳板连接圆管5c和空心球冠5b连接，两侧网架的网架腹杆1b与空心球冠5b连接。网架下弦杆1a与耳板连接圆管5c和空心球冠5b焊接连接，网架腹杆1b与空心球冠5b焊接连接。
实施例3
在实施例2的基础上进一步改进，还包括连接节点I4；平面桁架2包括一根上弦杆2c、两根撑杆2b和四根下弦杆2a；上弦杆2c的轴向两端分别与两根撑杆2b的端部连接，两根撑杆2b的下端连接至连接节点I4，上弦杆2c和撑杆2b组成倒置等腰三角形结构；下弦杆2a的一端与连接节点I4铰接连接、另一端与连接节点II5的销轴耳板II5a铰接连接。
连接节点I4包括销轴耳板I4a、撑杆连接板4b、协调劲板4c和销轴I4d。两个销轴耳板I4a通过撑杆连接板4b连接，且两个销轴耳板I4a结构相同、板面相互平行对称布置；每个销轴耳板I4a的轴向两端均设置孔，通过销轴I4d穿孔将下弦杆2a与销轴耳板I4a组装相连并传递沿拉杆轴向拉力。撑杆连接板4b上端面与撑杆2b的自由端焊接连接。连接节点I4轴向(与销轴耳板I4a轴向同轴)一端的两个下弦杆2a为一组张弦，连接节点I4轴向(与销轴耳板I4a轴向同轴)另一端的两个下弦杆2a为一组张弦，两组张弦呈竖向V字型布置。
两个协调劲板4设置在两个销轴耳板I4a之间；协调劲板4起到协调两侧销轴耳板I4a变形、使连接节点I4整体受力的作用。销轴耳板I4a与撑杆连接板4b、轴耳板I4a与协调劲板4均通过焊接连接。
如图5～图7为局部弦支组合网架结构在使用过程中的支承柱受力分析图。
图5为局部弦支组合网架结构在荷载态下结构受力情况，拱形屋盖对支承柱3形成外推力P和竖向压力F，此图也反应了常规网架结构的受力状态。
图6(a)和图6(b)为局部弦支组合网架结构在钢拉杆预张拉工况下的受力情况，施工过程中对平面桁架2的钢拉杆施加P1的主动预张力，网格变换区域布置平面呈V型的连续下弦杆，一是用于将正放四角锥网架的下弦杆转换到上弦所在竖向平面内形成平面桁架，二是有效传递桁架下弦杆的轴向内力。通过网格变换区域的V型下弦杆平衡张力并将力流经网架下弦杆1a传递至两侧支承柱3，经结构平衡及内力重分布后，对支承柱3形成P2的拉力。
图7为局部弦支组合网架结构实际工作时的受力状况，为荷载态及预张拉工况的叠加，屋盖对支承柱3的实际推力为P’，P’<P。应指出，由于结构存在轻微非线性，P’≠P-P2，该局部弦支组合网架结构分析时应考虑几何非线性影响，计算时应分别计算各工况组合下的结构效应，不宜采用单工况计算后组合效应的计算方式。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种局部弦支组合网架结构，包括网架，其特征在于，还包括平面桁架（2）；所述网架的跨中部位的网格替换为平面桁架（2），平面桁架（2）的上弦杆（2c）与两侧的网架的网架上弦杆连接，平面桁架（2）的下弦杆（2a）与两侧的网架的网架下弦杆（1a）连接；所述 下弦杆（2a）采用可张拉弦杆。
2.根据权利要求 1 所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述下弦杆（2a）采用钢拉杆或钢索，并采用双拉杆或拉索布置。
3.根据权利要求 1 所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述网架的非跨中 部位采用正交正放四角锥网架（1）。
4.根据权利要求 1 至 3 任一项所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述下 弦杆（2a）与两侧的网架的网架下弦杆（1a）铰接连接。
5.根据权利要求 4 所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述下弦杆（2a）与网架下弦杆（1a）通过连接节点 II（5）铰接连接；所述连接节点 II（5）包括销轴耳板 II（5a），通过销轴 II（5d）穿孔将下弦杆（2a）与销轴耳板 II（5a）组装相连并传递沿下弦杆（2a）轴向拉力。
6.根据权利要求 5 所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述连接节点II（5） 还包括空心球冠（5b）和耳板连接圆管（5c）；
所述耳板连接圆管（5c）的轴向两端均由内向外依次设置销轴耳板 II（5a）和空心球冠（5b），两侧网架的网架下弦杆（1a）与耳板连接圆管（5c）和空心球冠（5b）连接，两侧网 架的网架腹杆（1b）与空心球冠（5b）连接。
7.根据权利要求 6所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述空心球冠（5b）、 销轴耳板 II（5a）和耳板连接圆管（5c）依次焊接连接，所述网架下弦杆（1a）与耳板连接 圆管（5c）和空心球冠（5b）焊接连接，网架腹杆（1b）与空心球冠（5b）焊接连接。
8.根据权利要求 1 至 3 任一项所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，还包括 连接节点 I（4）；所述平面桁架（2）包括上弦杆（2c）、撑杆（2b）和下弦杆（2a）；所述上弦杆和两根撑杆（2b）组成倒置等腰三角形结构，撑杆（2b）下端通过连接节点 I（4）与下 弦杆（2a）连接并传递张拉下弦杆（2a）引起的竖向分力；所述下弦杆（2a）的一端与连接 节点I（4）铰接连接、另一端用于与网架下弦杆（1a）铰接连接。
9.根据权利要求 8 所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述连接节点 I（4） 包括销轴耳板 I（4a）、撑杆连接板（4b）和销轴 I（4d）；
两个销轴耳板 I（4a）通过撑杆连接板（4b）连接；每个销轴耳板 I（4a）的两端均设置孔，通过销轴 I（4d）穿孔将下弦杆（2a）与销轴耳板 I（4a）组装相连并传递沿拉杆轴向拉力。
10.根据权利要求 9 所述的一种局部弦支组合网架结构，其特征在于，所述连接节点I（4）还包括协调劲板（4c），所述协调劲板（4）设置在两个销轴耳板 I（4a）之间；协调劲板（4） 起到协调两侧销轴耳板 I（4a）变形、使连接节点 I（4）整体受力的作用。
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