CN216238979U - 多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系 - Google Patents

多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，包括中心拱和设置于中心拱两侧的大跨度弧面屋盖钢结构框架，两翼处的大跨度弧面屋盖钢结构框架，实现了该结构拱下平面的两维度方向的大跨度的同时，除了一端设置支撑边柱之外，盖下空间不再需要立柱来进行支撑，提高了采用该结构的建筑空间内规划布置的自由度，理论上只要主拱架的高度足够高，该结构两翼的大跨度弧面屋盖钢结构框架就能具备足够高的净空高度，来满足不同大跨度建筑的净空高度要求。

Description

多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系
技术领域
本实用新型涉及一种大跨度拱形钢结构，特别涉及一种多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系。
背景技术
大跨度建筑一般指跨越30m以上屋盖空间的建筑。在一些建筑中，由于功能的要求，必须是大空间而且中间不容许立柱，如体育馆、影剧院、展览馆、大会堂、候机、候车、候船大厅等公共建筑和工业建筑的厂房、飞机库和其他大型仓库等，这些建筑都需要大跨度建筑结构支持。
目前，现有的大跨度建筑多采用大跨度空间形效结构建造，既能满足建筑外形及空间要求，又能让结构布置及传力效率与建筑外形协调一致，实现建筑与结构的高度融合。其中，大跨度拱形钢结构作为一种常见的大跨度空间形效结构，无论是在桥梁行业还是建筑行业，都得到了有效地利用。
拱形结构又叫推力结构，其特点是把受到的压力分解为向下的压力和向外的推力，是所有结构中唯一产生外推力的结构。拱形结构在竖向荷载作用下，拱脚所产生的水平推力能减小拱体受到的弯矩，使竖向荷载产生的弯矩向轴压力转化，这样能更充分利用材料的强度，故拱形钢结构的跨越能力比其他结构都要好，可以节省大量钢材和水泥。
但是，大跨度拱形结构不同于梁(受弯构件)、柱(压弯构件)等直构件，其平面内、平面外计算长度难以确定，其失稳机理与设计方法与梁柱等直构件存在较大的不同，平面内、平面外的稳定性是拱形结构设计的重点和难点。也因此造成大跨度拱形钢结构建筑的局限性：即现有大跨度拱形钢结构往往只能实现拱下单个维度方向的大跨度无立柱，无法实现拱下两个维度方向的大跨度无立柱。这是因为在位于拱的平面外方向修建附属建筑，为了实现拱形结构屋盖和附属建筑屋盖的支撑，需要设立足够多的立柱才能满足整体结构稳定性的要求。
以沈阳南站中央站的房屋面钢桁架结构为例，能做到东西向跨度能达到286.5米，但南北向跨度仅能做到66米之内无立柱，而南、北两侧的附属屋面则只能实现21米的跨度。
以哈尔滨西客站的站房及雨棚钢结构为例，其站房的东西向跨度能达到将近300米之下无立柱，但南、北向的站台雨棚却需要大量的立柱支撑。
综上，现有大跨度拱形钢结构研究主要集中对单拱的平面内、平面外稳定性研究和应用，对合理设置结构构件，使拱形钢结构形成一个在平面内、平面外均能自平衡的结构体系鲜有研究及应用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，旨在实现大跨度建筑的拱下平面两个维度方向的大跨度无立柱结构形式。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，包括至少一个钢结构的上弦拱、至少一个下弦桁架和至少二个桩承台组成的拱架，其中，桩承台用于支撑上弦拱的两个拱脚，其特征在于，所述的拱形钢结构体系由一个中心拱和设置于中心拱两侧的大跨度弧面屋盖钢结构框架组成；其中，
所述中心拱包括以一对相互对称的、在平面外相向倾斜的大跨度拱架构成两个主拱架，设置于两主拱架的两个上弦拱之间的、连接两上弦拱拱脚的两个次拱，至少三条用于连接并定位两主拱架上弦拱间距的顶桁架，至少一条垂直并相交于所述顶桁架的、两端连接在两次拱上、且与所述主拱架的弧度相同或相近的顶拱架，其中，所述主拱架的下弦桁架设置于主拱架平面内并位于主拱架上弦拱的腰部，称为腰桁架；所述顶桁架至少有两条用于分别连接在两个主拱架的腰桁架与上弦拱的连接节点上；
所述大跨度弧面屋盖钢结构框架由大跨度弧形纵顶架与直形的横顶架纵横交错构成一投影为矩形的弧面网格屋盖，所述矩形的一个短边端连接所述腰桁架，另一个短边端向中心拱平面外方向延伸，所述大跨度弧面屋盖钢结构框架的另一端设置至少三根支撑边柱。
本实用新型所述的中心拱中两个在平面外相向倾斜的大跨度主拱架是指所述每个主拱架在平面外都向另一主拱架倾斜一定的角度。
本实用新型的工作原理是：
利用大跨度主拱架在平面外向另一主拱架倾斜一定角度，通过在两主拱架之间设置次拱架及顶桁架和顶拱架，使两主拱架相互支承，形成了稳定的结构体系，大大提高了主拱架的平面外稳定性；腰桁架的设置，减小了主拱架平面内的计算长度，大大增强了主拱架平面内稳定性；在中心拱的腰桁架处连接大跨度弧面屋盖钢结构框架，有效地承受了大跨度弧面屋盖钢结构框架所传递的侧向和竖向荷载，结合大跨度弧面屋盖钢结构框架另一端的支撑边柱，在实现中心拱平面外方向所在维度的最大跨度无立柱的同时，保证了整个结构在联合受力情形下的自平衡，从而构成了多拱联合受力自平衡的结构体系，具备极高的稳定性。在实现该结构拱下平面的两维度方向的大跨度的同时，除了一端设置支撑边柱之外，盖下空间不再需要立柱来进行支撑，提高了采用该结构的建筑空间内规划布置的自由度，理论上只要主拱架的高度足够高，该结构两翼的大跨度弧面屋盖钢结构框架就能具备足够高的净空高度，来满足不同大跨度建筑的净空高度要求。
本实用新型所述主拱架的上弦拱可以采用几何对称性拱结构，如椭圆弧、圆弧、抛物线、悬链线拱等；也可以采用几何非对称钢拱结构，研究表明拱体的几何非对称性对钢拱结构稳定性有更好的影响。
本实用新型所述中心拱的主拱架中的上弦拱和腰桁架均推荐采用箱型桁架结构。
对于主拱架腰部的腰桁架，由于大跨度弧面屋盖钢结构框架的竖向荷载作用，承受了较大反力，导致腰桁架的挠度过大，不利于主拱架的结构稳定，因此，本实用新型还可以作如下改进：
在所述主拱架平面内的上弦拱和腰桁架之间设置至少三对吊索，所述吊索的顶端连接主拱架的上弦拱，底端连接腰桁架，每条吊索之间的距离相等。
通过在主拱架下方设置吊索来承担弧面屋盖框架的竖向荷载，显著改善腰桁架的内力变形效果，有效地利用主拱架的平面内刚度提升了腰桁架的竖向刚度，减小其计算跨度，为水平的腰桁架提供了杆件截面优化的空间，同时吊索对主拱架在半跨荷载作用下的稳定性也有一定提高，在满足安全性的前提下，可以减少腰桁架的钢材用量，从而节省了经济成本。
为了加大在中心拱两侧的大跨度弧面屋盖钢结构框架的跨度，使大跨度弧面屋盖钢结构框架具有较大斜率的坡度，本实用新型还可以进一步地作如下改进：
所述多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系体系还包括在所述大跨度弧面屋盖钢结构框架与所述腰桁架的连接处设置一个贯穿并叠合于大跨度弧面屋盖钢结构框架上的卧拱，所述卧拱的两端分别连接在腰桁架的两端。其中，拱矢高在0.2～0.45范围为宜。
通过在靠近所述大跨度弧面屋盖钢结构框架与所述腰桁架连接处设置卧拱，能有效增加侧向刚度，可抵消因弧面屋盖钢结构框架的跨度较大同时具有较大斜率坡度带来的其与中心拱的连接所产生的竖向恒活荷载引起的主拱架较大的面外反力和变形，削弱大屋盖在风及温度作用下对中心拱平面外的水平推力，使结构在同等侧向荷载作用下，水平位移值降低约30％，不仅可以解决因上述受力情况带来的需大幅增大主拱架的杆件横截面，造成钢材用量大幅增加降低经济效益的问题；同时还能使得除卧拱外的其他杆件的轴力大幅减少，使得中心拱不需要为了保证稳定性而增加杆件，可以进一步降低钢材的使用量，变得更为经济。
附图说明
图1为本实用新型实施例一的多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系的立体图；
图2为本实用新型实施例一所述中心拱拱脚的支座条件示意图；
图3为本实用新型实施例一所述中心拱第一阶弹性屈曲变形模态图；
图4为本实用新型实施例一所述中心拱第二阶弹性屈曲变形模态图；
图5为本实用新型实施例一所述中心拱第三阶弹性屈曲变形模态图；
图6为本实用新型实施例二所述多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系的俯视图；
图7为本实用新型实施例二所述多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系模拟承受风荷载Fh时的受力示意图；
图8为本实用新型实施例三中在Fh作用下弧面屋盖端部跨中侧向型变量的示意图；
图9为本实用新型实施例三中在Fh作用下弧面屋盖端部跨中各杆件轴力大小的示意图；
图10为本实用新型实施例二中在Fh作用下弧面屋盖端部跨中侧向型变量的示意图；
图11为本实用新型实施例二中在Fh作用下弧面屋盖端部跨中各杆件轴力大小的示意图；
图12为本实用新型实施例二中弧面屋盖端部跨中侧向位移Dx(mm)相对于界面面积A(m2)关系曲线图；
图13为所述多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系不设置吊索时其在竖向荷载作用下的变形图；
图14为所述多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系在设置吊索时其在竖向荷载作用下的变形图；
图15为无吊索情况下对主拱架进行半跨竖向荷载作用下的变形图；
图16为有吊索情况下对主拱架进行半跨竖向荷载作用下的变形图；
其中：1中心拱；11主拱架中的上弦拱；12次拱；13顶桁架；14顶拱架；15腰桁架；2弧面屋盖；3支撑边柱；4吊索；5卧拱。
具体实施方式
下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本实用新型提出一种多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系(以下简称结构)，该结构包括中心拱1和设置于中心拱1两侧的大跨度弧面屋盖2钢结构框架(以下简称弧面屋盖2)，以下实施例中对多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系的屈曲性能采用Midas Gen软件进行分析。
本实用新型的实施例一至三中，均为采用了该结构的建筑，水平投影尺寸为253m×63.55m＝16079m2，亦即南北向跨度达63.55m，东西向跨度达253m，建筑最高点标高为27.55m，为空间大跨度钢结构，主要竖向受力构件包括有位于中心拱1的建筑入口的两个主拱架11和分别位于两侧屋面屋盖末端的七条支撑边柱3。
在本实用新型实施例一中，如图1所示，中心拱1包括一对相互对称的、朝相对的平面外方向倾斜的大跨度主拱架11，设置于两主拱架11之间的、连接两主拱架11拱脚的次拱12，十五条接近主拱架11矢高处的、用于连接两主拱架11的顶桁架13，三条垂直于顶桁架13的、用于连接两次拱12矢高处、且与主拱架11的弧线相对应的顶拱架14，设置于主拱架11平面内的、位于主拱架11腰部的腰桁架15；大跨度弧面屋盖2钢结构框架一端连接腰桁架15，另一端向主拱架11平面外方向延伸，大跨度弧面屋盖2钢结构框架的另一端通过至少两条支撑边柱3被地面所支撑。
具体地，腰桁架为拉杆腰桁架15，对该中心拱1的进行屈曲模态分析，其拱脚的支座条件如图2所示，经过Midas Gen软件分析后其第一阶弹性屈曲变形模态如图3所示，可见第一阶弹性屈曲为平面外失稳屈曲荷载因子为1119，是相应双主拱架屈曲荷载因子的1.07倍，第二阶弹性屈曲变形模态如图4所示，可见第二阶弹性屈曲为平面外失稳，屈曲荷载因子为1456，为相应双主拱架屈曲荷因子的的1.19倍，第三阶弹性屈曲变形模态如图5所示，可见第三阶弹性屈曲为平面内失稳，屈曲荷载因子为1654，为相应双主拱架屈曲荷因子的的1.16倍。可以看到，次拱12及拉杆腰桁架15的设置使双主拱架11的平面内、平面外稳定性都得到了提高，且平面内稳定性提高程度大于平面外稳定性提高程度。
在本实用新型的实施例二中，在实施例一的基础上，如图6所示，还包括靠近大跨度弧面屋盖2钢结构框架与腰桁架15连接处的、且贯穿大跨度弧面屋盖2钢结构框架的卧拱5，卧拱5的首、末两端分别连接腰桁架15的首、末两端，在主拱架11和腰桁架15之间设置十一对吊索4，吊索4的顶端连接主拱架11，底端连接腰桁架15，每条吊索4之间的距离相等。
当本实用新型中心拱1不设置卧拱5时，多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系如图1所示，为直观反映多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系侧向刚度与卧拱5和腰桁架15构件之间的关系，如图7所示，在侧翼的弧面屋盖2框架末端作用一列Fh＝1000kN的模拟强风作用下的节点荷载，验算在其作用下的结构内力和位移，经过Midas Gen软件分析后，不设置卧拱5的弧面屋盖2框架与拉杆腰桁架15的连接端跨中侧向变形Dx(mm)如图8所示，在Fh(kN)作用下两翼端部跨中杆件轴力(kN)如图9所示。设置卧拱5的弧面屋盖2框架与拉杆腰桁架15的连接端跨中侧向位移Dx(mm)如图10所示，在Fh(kN)作用下两翼端部跨中杆件轴力如图11所示。可见，在设置卧拱5的结构布置下，主拱架水平连系桁架的跨中侧向位移为42.7mm，平行于主拱架11方向，弧面屋盖2框架的次梁轴力比较均匀，轴力约为450kN，卧拱5杆件轴力达到1300kN，表明其有效地参与抵抗侧向荷载。
具体地，卧拱5的轴截面面积为0.0205m2-0.1583m2。对卧拱5的轴截面面积分别为P450x15(A＝0.0205m2)、P500x30(A＝0.044m2)、P800x30(A＝0.0726m2)、P1000x30(A＝0.0914m2)、P1300x40(A＝0.1583m2)、P1500x40(A＝0.1835m2)经过Midas Gen软件分析后，根据所得的验算结果作跨中侧向位移Dx(mm)相对于界面面积A(m2)关系曲线图如图12所示，由图可知，在P500x30截面以下，结构侧向位移随着拱结构刚度增大而降低较快，而在P1000x30截面以上，随着卧拱5结构刚度增大，跨中侧向位移Dx(mm)的减小逐渐趋缓，当A＝0.1583m2时，跨中侧向位移Dx(mm)最小。
在本实用新型的实施例三中，在实施例一的基础上，在主拱架11和腰桁架15之间设置十一条吊索4，吊索4的顶端连接主拱架11，底端连接腰桁架15，每条吊索4之间的距离相等。
具体地，吊索4采用13组2P245x12钢管。以q＝1.35xDL+1.4x0.7xLL，作为竖向荷载代表值作研究，经过Midas Gen软件分析后，在不设置吊索4时结构在竖向荷载作用下的变形形状如图13所示，在设置吊索4时结构在竖向荷载作用下的变形形状如图14所示。可见，在设置吊索4的情况下，拉杆腰桁架15刚度提高，对两翼弧面屋盖2的支座作用更为明显，能更好地改善两翼弧面屋盖2的受力边界条件。
此外，拉索作为联系主拱架与拉杆腰桁架15的重要杆件，除对拉杆腰桁架15的刚度有提高作用外，其对主拱架的面内稳定性也由可观的提高作用。分别按照无吊索4和有吊索4结构对主拱架11进行半跨竖向荷载作用下的受力验算，经过Midas Gen软件分析后，无吊索4的验算结果如图15所示，有吊索4的验算结果如图16所示，可见在半跨荷载作用下，主拱架变形均呈现有荷载的半跨下凹，无荷载的半跨上凸的形态，而设置吊索4时主拱架11的下凹变形量和上凸变形量相比设置吊索4时降低9％和29％，说明在上凸段，吊索4受拉，为主拱架提供了较大的面内刚度。故吊索4对减小拉杆腰桁架15竖向位移，降低拉杆腰桁架15杆件内力有显著作用，同时吊索4对主拱架在半跨荷载作用下的稳定性也有一定提高。
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，包括至少一个钢结构的上弦拱、至少一个下弦桁架和至少二个桩承台组成的拱架，其中，桩承台用于支撑上弦拱的两个拱脚，其特征在于，所述的拱形钢结构体系由一个中心拱和设置于中心拱两侧的大跨度弧面屋盖钢结构框架组成；其中，
所述中心拱包括以一对相互对称的、在平面外相向倾斜的大跨度拱架构成两个主拱架，设置于两主拱架的两个上弦拱之间的、连接两上弦拱拱脚的两个次拱，至少三条用于连接并定位两主拱架上弦拱间距的顶桁架，至少一条垂直并相交于所述顶桁架的、两端连接在两次拱上、且与所述主拱架的弧度相同或相近的顶拱架，其中，所述主拱架的下弦桁架设置于主拱架平面内并位于主拱架上弦拱的腰部，称为腰桁架；所述顶桁架至少有两条用于分别连接在两个主拱架的腰桁架与上弦拱的连接节点上；
所述大跨度弧面屋盖钢结构框架由大跨度弧形纵顶架与直形的横顶架纵横交错构成一投影为矩形的弧面网格屋盖，所述矩形的一个短边端连接所述腰桁架，另一个短边端向中心拱平面外方向延伸，所述大跨度弧面屋盖钢结构框架的另一端设置至少三根支撑边柱。
2.根据权利要求1所述的多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，其特征在于：在所述主拱架平面内的上弦拱和腰桁架之间设置至少三对吊索，所述吊索的顶端连接主拱架的上弦拱，底端连接腰桁架，每条吊索之间的距离相等。
3.根据权利要求2所述的多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，其特征在于：所述多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系还包括在所述大跨度弧面屋盖钢结构框架与所述腰桁架的连接处设置一个贯穿并叠合于大跨度弧面屋盖钢结构框架上的卧拱，所述卧拱的两端分别连接在腰桁架的两端。
4.根据权利要求3所述的多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，其特征在于：所述中心拱的主拱架中的上弦拱和腰桁架均采用箱型桁架结构。
5.根据权利要求1-4任一所述的多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，其特征在于：所述主拱架的上弦拱可以采用几何对称性拱结构或几何非对称钢拱结构。
6.根据权利要求5所述的多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系，其特征在于：所述腰桁架为拉杆腰桁架。
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