无环索弦支穹顶结构及张拉施工方法

技术领域

本发明属于建筑钢结构技术领域，具体涉及无环索弦支穹顶结构及张拉施工方法。

背景技术

随着我国建筑钢结构不断发展，各类空间钢结构建筑在跨度、空间等方面的要求也不断提高。弦支穹顶结构因其造型美观、节省材料、质量轻、刚度大、施工过程简化等优点而广泛应用于体育馆、会展中心、速滑馆等大型建筑屋盖结构中。

针对弦支穹顶结构环索预应力索支体系不利于结构抗连续性倒塌和环索拉力较大导致增加了钢索用量、张拉施工和节点设计的难度，通过引进无环索弦支穹顶结构新体系的一种环向桁架中心区弦之穹顶组合结构，其包括单层网壳、毂节点和拉索，单层网壳和毂节点固定连接，单层网壳连接环桁架，拉索连接于单层网壳中间位置和环桁架之间，拉索作为径向拉索。

单层网壳中间位置和环桁架之间之间如何合理地传递拉索张拉预应力，使结构的刚度和承载力到达设计值，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，提供无环索弦支穹顶结构及张拉施工方法，使得拉索在支撑结构的耳板一上形成光滑的折点，避免在节点内部及节点端部造成拉索张拉预应力的损失，实现张拉预应力的有效传递，使整体结构的刚度和承载力到达设计值。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

无环索弦支穹顶结构，包括环桁架、单层网壳、毂节点和拉索，拉索连接于单层网壳和环桁架之间；其特征在于，单层网壳和环桁架之间设有固定节点，固定节点固定有索耳板一，单层网壳的中间位置设有铸钢件，铸钢件的底部设有索耳板二，拉索固定在索耳板一和索耳板二之间。毂节点的底部固定连接有支撑结构，支撑结构的底部固定有连接耳板一，连接耳板一作用在拉索上，使得拉索形成折点。避免在节点内部及节点端部造成拉索张拉预应力的损失，实现张拉预应力的有效传递，使整体结构的刚度和承载力到达设计值。

进一步，环桁架包括杆件一、杆件二和杆件三，杆件一首尾固定，形成圆环形状，杆件二首尾固定，形成圆环形状，杆件一和杆件二上下分布，单层网壳包括杆件四，杆件四固定在毂节点上，杆件一焊接有连接板，处于外侧的杆件四焊接在连接板上，杆件三焊接在连接板和杆件二之间。

进一步，固定节点包括加强杆一和加强杆二，加强杆一和杆件一焊接固定，加强杆一的直径大于杆件一的直径，加强杆二焊接在加强杆一和杆件二之间，杆件三焊接在加强杆一和杆件二之间，加强杆二的直径大于杆件三的之间，索耳板一焊接在加强杆一、加强杆二和杆件四之间。

进一步，毂节点采用圆柱形状，毂节点的内部设有空腔，空腔中焊接有加劲肋，加劲肋设置数量为5块，其中一块加劲肋作为中间板，其沿着毂节点的直径设置，其余加劲肋作为侧板，其焊接在中间板的两侧，能减小毂节点的用钢量，同时能保证毂节点的强度，使得毂节点满足单层网壳连接的要求。

进一步，支撑结构包括上支撑板、撑杆和下支撑板，撑杆固定在上支撑板和下支撑板之间，毂节点的底部固定有连接耳板二，连接耳板二和上支撑板固定连接，连接耳板一和下支撑板固定连接，实现了毂节点和拉索之间保持设定距离，使得连接耳板一作用在拉索上，使得拉索形成光滑的折点。

进一步，上支撑板包括板体一和板体二，采用两块板体一焊接在板体二上，两块板体一之间形成槽口一，连接耳板二固定在槽口一中，板体一的内侧焊接有贴板一，贴板一和连接耳板二焊接固定，使得上支撑板对连接耳板二夹紧固定，增加上支撑板和连接耳板二的连接强度，保证上支撑板和连接耳板二之间力的传递。下支撑板包括板体三和板体四，采用两块板体三焊接在板体四上，两块板体三之间形成槽口二，连接耳板一固定在槽口二中，板体三的内侧焊接有贴板二，贴板二和连接耳板一焊接固定，撑杆焊接在板体二和板体四之间，使得下支撑板对耳板一夹紧固定，增加下支撑板和连接耳板一的连接强度，保证下支撑板和连接耳板一之间力的传递。

进一步，板体二和板体四均焊接有限位板，撑杆设有限位槽，限位板卡入限位槽中，同时限位板和撑杆焊接固定，能增加撑杆和板体二的接触面积，同时增加撑杆和板体四的接触面积，提高撑杆和板体二之间的连接强度，同时提高撑杆和板体四之间的连接强度。

无环索弦支穹顶结构的张拉施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、单层网壳和环桁架拼装焊接，在单层网壳和环桁架之间的固定节点上安装索耳板一，再在中间位置设有铸钢件，然后在铸钢件的底部安装索耳板二，单层网壳设有毂节点，在毂节点的底部安装支撑结构，该支撑结构的底部设有连接耳板一；

步骤B、将拉索分批张拉施工：将拉索分为四批：第一批次为SJ1、SJ5；第二批次为SJ3、SJ7；第三批次为SJ2、SJ6；第四批次为SJ4、SJ8；先张拉第一批的拉索，再张拉第二批的拉索，然后张拉第三批的拉索，最后张拉第四批的拉索；

步骤C、每根拉索张拉方式均相同，具体为：

(1)将拉索展开；

(2)在单层网壳的外侧安装定滑轮，将卷扬机的牵引绳绕设在定滑轮上，并将牵引绳固定在拉索的外侧处，再通过卷扬机的牵引绳对拉索的牵引，利用高空车将拉索外侧处的索头一和索耳板一固定连接；

(3)拆除单层网壳外侧的定滑轮，再将定滑轮安装在单层网壳的中间位置处，然后将牵引绳固定在拉索的中间位置处，再通过卷扬机的牵引绳对拉索的牵引，利用高空车将拉索的中间位置支撑在连接耳板一上；

(4)拆除单层网壳中间位置的定滑轮，再将定滑轮安装在单层网壳的内侧处，然后将牵引绳固定在拉索的内侧处，再通过卷扬机的牵引绳对拉索的牵引，利用高空车将拉索内侧处的索头二和索耳板二通过张拉装置固定连接，拆除定滑轮，完成单根拉索张拉施工。

进一步，步骤C的中，将拉索展开设计为：

1)将盘状的拉索放置到展索盘上，该展索盘包括底座和放置架，底座包括四根交叉分布的钢板，钢板之间焊接有连接盘，四块钢板的外侧设有开口，开口中焊接有盘圈，放置架包括立柱和放置杆件，放置杆件水平焊接在立柱上，放置杆件和立柱之间焊接有倾斜的加强杆，拉索放置具体为：将底座设置到混凝土基础上，再采用吊车将盘状的拉索吊起，并放置在放置杆件上，立柱穿过盘状的拉索形成的中心孔，同时拉索支撑在加强杆上，然后采用吊车将装有拉索的放置架吊起，再将放置架的立柱插入到连接盘的连接孔中；

2)在混凝土基础上设置展索架，根据拉索的长度，设置合适数量的展索架，展索架包括固定座和钢管，钢管水平固定在固定座上；

3)在混凝土基础上安装导向装置，导向装置包括安装座和转动盘，安装座通过安装螺栓固定在混凝土基础上，转动盘通过转轴在安装座上转动，转轴螺纹连接有锁紧螺母，转动盘设有安装孔，安装孔中穿过有导向套管，导向套管设有导向孔，导向套管通过固定板固定在转动盘上，针对导向装置和索耳板一的位置，将转动盘在安装座上转动设定角度，然后拧紧转轴上的锁紧螺母；

4)将拉索外侧从展索盘展开，此时立柱在连接盘的连接孔中转动，将拉索支撑在展索架的支撑杆上，再将拉索外侧处的索头一穿过导向套管的导向孔，然后在导向套管的缺口中卡入调整杆，调整杆端部固定的定位块设于导向孔中，定位块设置有橡胶垫，单根调整杆设有两个固定螺母，然后调整定位块，使得橡胶垫和拉索之间的距离控制在1-2mm，将其中一个固定螺母锁紧在导向套管的内侧，另一个固定螺母锁紧在导向套管的外侧，拉索外侧处的索头一限位在定位块上，拉索内侧的索头二通过铁丝固定在放置杆件上。

完成上述拉索展开工作，当拉索外侧处的索头一和索耳板一通过螺栓固定连接时，拉索的索头二支撑在定位块上，索头一和索耳板一固定完成后，拧松调整杆的固定螺母，移出调整杆，然后将拉索的索头二从导向套管的导向孔取出，使得整根拉索脱离导向装置。

进一步，连接耳板一的底部设有卡槽，将拉索的中间位置卡入卡槽中，使得拉索的中间位置支撑在连接耳板一上。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明采用无环索弦支穹顶，单层网壳与环桁架相连。拉索的一端和环桁架通过索耳板一相连，拉索的另一端和单层网壳的中心区下方铸钢件通过索耳板二相连。

拉索张拉过程中，支撑结构底部的耳板一作用在拉索上，拉索前后两端与水平面形成不同的夹角，进而使得拉索在支撑结构的耳板一上形成光滑的折点，避免在节点内部及节点端部造成拉索张拉预应力的损失，实现张拉预应力的有效传递，使整体结构的刚度和承载力到达设计值，同时也便于拉索的张拉施工，得到整体造型优美的无环索弦支穹顶结构。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明中无环索弦支穹顶结构的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的主视图；

图4为本发明中铸钢件和索耳板二固定连接的结构示意图；

图5为本发明中毂节点和支撑结构固定连接的结构示意图；

图6为本发明中撑杆的结构示意图；

图7为本发明中上支撑板的结构示意图；

图8为本发明中下支撑板的结构示意图；

图9为本发明中毂节点内部的结构示意图；

图10为本发明中耳板一作用在拉索上的结构示意图；

图11为本发明中支撑结构的结构示意图；

图12为本发明中拉索分批张拉施工的布置图；

图13为本发明中将拉索展开的结构示意图；

图14为本发明中展索盘的结构示意图；

图15为本发明中展索架的结构示意图；

图16为本发明中放置架的结构示意图；

图17为本发明中底座的结构示意图；

图18为本发明中导向装置的结构示意图；

图19为本发明中将转动盘在安装座上转动设定角度时的结构示意图；

图20为本发明中导向套管和转动盘固定连接的结构示意图；

图21为本发明中安装座的结构示意图；

图22为本发明中定位块的结构示意图；

图23为本发明处于利用高空车将拉索外侧处的索头一和索耳板一固定连接时的结构示意图；

图24为本发明处于利用高空车将拉索的中间位置支撑在连接耳板一上时的结构示意图；

图25为本发明处于利用高空车将拉索内侧处的索头二和索耳板二固定连接时的结构示意图；

图26为本发明拉索展开的现场图片。

图中，1-单层网壳；2-毂节点；3-环桁架；4-拉索；5-支撑结构；6-连接耳板一；7-空腔；81-中间板；82-侧板；9-撑杆；10-上支撑板；11-下支撑板；12-限位槽；13-板体二；14-板体一；15-槽口一；16-贴板一；17-限位板；18-板体四；19-板体三；20-槽口二；21-贴板二；22-连接耳板二；23-杆件一；24-杆件二；25-加强杆二；26-加强杆一；27-杆件三；28-索耳板一；29-杆件四；30-连接板；31-铸钢件；32-索耳板二；33-展索盘；34-展索架；35-导向装置；36-混凝土基础；37-钢板；38-连接盘；39-盘圈；40-放置杆件；41-立柱；42-加强杆；43-固定座；44-钢管；45-连接孔；46-卷扬机；47-牵引绳；48-索头一；49-索头二；50-高空车；51-定滑轮；52-安装座；53-转动盘；54-固定板；55-安装孔；56-导向套管；57-导向孔；58-定位块；59-调整杆；60-固定螺母；61-转轴；62-锁紧螺母；63-缺口；64-橡胶垫。

具体实施方式

如图1至图26所示，为本发明无环索弦支穹顶结构，包括环桁架3、单层网壳1、毂节点2和拉索4，拉索4连接于单层网壳1和环桁架3之间。

单层网壳1和环桁架3之间设有固定节点，固定节点固定有索耳板一28，单层网壳1的中间位置设有铸钢件31，铸钢件31的底部设有索耳板二32，拉索4固定在索耳板一28和索耳板二32之间。毂节点2的底部固定连接有支撑结构5，支撑结构5的底部固定有连接耳板一6，连接耳板一6作用在拉索4上，使得拉索4形成折点。避免在节点内部及节点端部造成拉索4张拉预应力的损失，实现张拉预应力的有效传递，使整体结构的刚度和承载力到达设计值。

本发明对环桁架3具体设计：环桁架3包括杆件一23、杆件二24和杆件三27，杆件一23首尾固定，形成圆环形状，杆件二24首尾固定，形成圆环形状，杆件一23和杆件二24上下分布。单层网壳1包括杆件四29，杆件四29固定在毂节点2上，杆件一23焊接有连接板30，处于外侧的杆件四29焊接在连接板30上，杆件三27焊接在连接板30和杆件二24之间，连接板30的作用为：能将杆件三27、杆件一23和杆件四29作用在一起，使得环桁架3能设置多根相互关联的杆件三27，提高环桁架3的强度。

本发明对固定节点具体设计：固定节点包括加强杆一26和加强杆二25，加强杆一26和杆件一23焊接固定，加强杆一26的直径大于杆件一23的直径。加强杆二25焊接在加强杆一26和杆件二24之间，杆件三27焊接在加强杆一26和杆件二24之间，加强杆二25的直径大于杆件三27的之间，索耳板一28焊接在加强杆一26、加强杆二25和杆件四29之间。能增加固定节点的受力能力，满足拉索4的张拉施工。

毂节点2采用圆柱形状，毂节点2的内部设有空腔7，空腔7中焊接有加劲肋，加劲肋设置数量为5块，其中一块加劲肋作为中间板81，其沿着毂节点2的直径设置，其余加劲肋作为侧板82，其焊接在中间板81的两侧，能减小毂节点2的用钢量，同时能保证毂节点2的强度，使得毂节点2满足单层网壳1连接的要求。

支撑结构5包括上支撑板10、撑杆9和下支撑板11，撑杆9固定在上支撑板10和下支撑板11之间，毂节点2的底部固定有连接耳板二22，连接耳板二22和上支撑板10固定连接，连接耳板一6和下支撑板11固定连接，实现了毂节点2和拉索4之间保持设定距离，使得连接耳板一6作用在拉索4上，使得拉索4形成光滑的折点。

上支撑板10包括板体一14和板体二13，采用两块板体一14焊接在板体二13上，两块板体一14之间形成槽口一15，连接耳板二22固定在槽口一15中，板体一14的内侧焊接有贴板一16，贴板一16和连接耳板二22焊接固定，使得上支撑板10对连接耳板二22夹紧固定，增加上支撑板10和连接耳板二22的连接强度，保证上支撑板10和连接耳板二22之间力的传递。下支撑板11包括板体三19和板体四18，采用两块板体三19焊接在板体四18上，两块板体三19之间形成槽口二20，连接耳板一6固定在槽口二20中，板体三19的内侧焊接有贴板二21，贴板二21和连接耳板一6焊接固定，撑杆9焊接在板体二13和板体四18之间，使得下支撑板11对耳板一夹紧固定，增加下支撑板11和连接耳板一6的连接强度，保证下支撑板11和连接耳板一6之间力的传递。

板体二13和板体四18均焊接有限位板17，撑杆9设有限位槽12，限位板17卡入限位槽12中，同时限位板17和撑杆9焊接固定，能增加撑杆9和板体二13的接触面积，同时增加撑杆9和板体四18的接触面积，提高撑杆9和板体二13之间的连接强度，同时提高撑杆9和板体四18之间的连接强度。

无环索弦支穹顶结构的张拉施工方法，包括如下步骤：

步骤A、单层网壳1和环桁架3拼装焊接，在单层网壳1和环桁架3之间的固定节点上安装索耳板一28，再在中间位置设有铸钢件31，然后在铸钢件31的底部安装索耳板二32，单层网壳1设有毂节点2，在毂节点2的底部安装支撑结构5，该支撑结构5的底部设有连接耳板一6。

步骤B、将拉索4分批张拉施工：将拉索4分为四批：第一批次为SJ1、SJ5；第二批次为SJ3、SJ7；第三批次为SJ2、SJ6；第四批次为SJ4、SJ8；先张拉第一批的拉索4，再张拉第二批的拉索4，然后张拉第三批的拉索4，最后张拉第四批的拉索4。

步骤C、每根拉索4张拉方式均相同，具体为：

(1)将拉索4展开。

(2)在单层网壳1的外侧安装定滑轮51，将卷扬机46的牵引绳47绕设在定滑轮51上，并将牵引绳47固定在拉索4的外侧处，再通过卷扬机46的牵引绳47对拉索4的牵引，利用高空车50将拉索4外侧处的索头一48和索耳板一28固定连接。

(3)拆除单层网壳1外侧的定滑轮51，再将定滑轮51安装在单层网壳1的中间位置处，然后将牵引绳47固定在拉索4的中间位置处，再通过卷扬机46的牵引绳47对拉索4的牵引，利用高空车50将拉索4的中间位置支撑在连接耳板一6上。连接耳板一6的底部设有卡槽，将拉索4的中间位置卡入卡槽中，使得拉索4的中间位置支撑在连接耳板一6上。

(4)拆除单层网壳1中间位置的定滑轮51，再将定滑轮51安装在单层网壳1的内侧处，然后将牵引绳47固定在拉索4的内侧处，再通过卷扬机46的牵引绳47对拉索4的牵引，利用高空车50将拉索4内侧处的索头二49和索耳板二32通过张拉装置固定连接，拆除定滑轮51，完成单根拉索4张拉施工。

考虑到若直接人工将拉索4展开，拉索4与地面摩擦而损坏钢索，针对该技术问题，本发明对拉索4展开具体设计：

步骤C的中，将拉索4展开设计为：

1)将盘状的拉索4放置到展索盘33上，该展索盘33包括底座和放置架，底座包括四根交叉分布的钢板37，钢板37之间焊接有连接盘38，四块钢板37的外侧设有开口，开口中焊接有盘圈39，本发明的拉索4直径约为98mm，为了使得展索盘33能很好地对拉索4进行展开，盘圈39的直径不小于3m，使得整个展索盘33在展索时不倾倒。放置架包括立柱41和放置杆件40，放置杆件40水平焊接在立柱41上，考虑到单根拉索4重量约为3t，因此在放置杆件40和立柱41之间焊接有倾斜的加强杆42，增加放置架的强度。

拉索4放置具体为：将底座设置到混凝土基础36上，再采用吊车将盘状的拉索4吊起，并放置在放置杆件40上，立柱41穿过盘状的拉索4形成的中心孔，同时拉索4支撑在加强杆42上。然后采用吊车将装有拉索4的放置架吊起，再将放置架的立柱41插入到连接盘38的连接孔45中，通过转动的方式，能将拉索4展开。

2)在混凝土基础36上设置展索架34，根据拉索4的长度，设置合适数量的展索架34，一般每隔5-6m放置一个展索架34。展索架34包括固定座43和钢管44，钢管44水平固定在固定座43上，钢管44能对展开的拉索4进行支撑，避免展开的拉索4和地面接触而导致结构受损。

3)在混凝土基础36上安装导向装置35，导向装置35包括安装座52和转动盘53，安装座52通过安装螺栓固定在混凝土基础36上，转动盘53通过转轴61在安装座52上转动，转轴61螺纹连接有锁紧螺母62，转动盘53设有安装孔55，安装孔55中穿过有导向套管56，导向套管56设有导向孔57，导向套管56通过固定板54固定在转动盘53上，针对导向装置35和索耳板一28的位置，将转动盘53在安装座52上转动设定角度，然后拧紧转轴61上的锁紧螺母62。拉索4在导向装置35的导向作用下，有利于拉索4外侧处的索头一48向索耳板一28方向移动。

4)将拉索4外侧从展索盘33展开，此时立柱41在连接盘38的连接孔45中转动，将拉索4支撑在展索架34的钢管44上，再将拉索4外侧处的索头一48穿过导向套管56的导向孔57。然后在导向套管56的缺口63中卡入调整杆59，调整杆59端部固定的定位块58设于导向孔57中，定位块58设置有橡胶垫64，单根调整杆59设有两个固定螺母60，然后调整定位块58，橡胶垫64和拉索4的索体之间的距离控制在1-2mm，将其中一个固定螺母60锁紧在导向套管56的内侧，另一个固定螺母60锁紧在导向套管56的外侧，拉索4外侧处的索头一48限位在定位块58上，拉索4内侧的索头二49通过铁丝固定放置杆件40上，对索头二49进行限位。当整根拉索4展开时，拉索4外侧处的索头一48限位在导向装置35上，拉索4内侧的索头二49限位在展索盘33上，能对整根拉索4充分展开，避免拉索4的索体出现打结的现象，而且拉索4不易脱出，对拉索4进行保护。

完成上述拉索4展开工作，当拉索4外侧处的索头一48和索耳板一28通过螺栓固定连接时，拉索4的索头二49支撑在定位块58上，此时整根拉索4还是限位在导向装置35上，避免拉索4受到风的影响，拉索4的内侧和钢结构碰撞而导致结构受损。索头一48和索耳板一28固定完成后，拧松调整杆59的固定螺母60，移出调整杆59，然后将拉索4的索头二49从导向套管56的导向孔57取出，使得整根拉索4脱离导向装置35。

拉索4在工地现场施工时，难免会出现拉索4的索体表面局部划伤的问题，针对该问题，本发明将拉索4充分展开后，针对索体表面局部划伤的部分，将其表面清洁干净，再喷涂不低于100μm厚度的环氧富锌底漆。

以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。