多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系制造技术

本发明专利技术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。的净空高度要求。的净空高度要求。

【技术实现步骤摘要】
多拱联合受力自平衡的大跨度拱形钢结构体系


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。

技术实现思路

[0009]本专利技术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。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]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，
[0012]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；
[0013]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。
[0014]本专利技术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。
[0015]本专利技术的工作原理是：
[0016]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。
[0017]本专利技术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。
[0018]本专利技术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。
[0019]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，本专利技术还可以作如下改进：
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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，本专利技术还可以进一步地作如下改进：
[0023]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。
[0024]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，使结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄佳，苏恒强，叶苑青，何军，梁超群，刘金松，陈银波，艾尼，
申请(专利权)人：广东省建筑设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：