一种屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的制作方法

1.本发明属于大跨度空间结构技术领域，尤其涉及一种屋面双向悬垂支撑的空间钢结构。


背景技术：

2.结合中国南方福建地区特色民居的曲线屋脊及曲线屋面造型，作为传统建筑文化特征的延续与传承，建筑师在建筑体型创作中提出了双向凹曲屋面造型特征。
3.结合建筑专业双向凹面屋顶的外形特征，可以有效利用双向悬垂结构的承载属性优势，充分改善屋面水平承载构件的受力模式，整体屋面结构经济合理化水平显著提升。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，解决了现有技术中，对于具备双向凹曲屋面外形特征的大跨度空间结构，采用何种空间结构样式，可以有效改善屋面水平承载构件的受力模式，提升整机结构经济合理化水平的问题。
5.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
6.本发明提供了一种屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，包括沿屋面长方向设置的悬垂桁架以及沿屋面短方向设置的两跨连续悬垂梁，悬垂桁架的两端通过支撑柱进行支撑，两跨连续悬垂梁的中部与悬垂桁架连接，两跨连续悬垂梁的端部通过支座进行支撑，使得两跨连续悬垂梁构成人字形。
7.进一步地，在屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的安装过程中，对悬垂桁架进行竖向预应力加载，并在预应力加载完成且尚未卸载状态下安装两跨连续悬垂梁，安装完成后逐级卸载预应力，通过悬垂桁架回弹带动两跨连续悬垂梁进入预张拉力承载状态。
8.进一步地，悬垂桁架与支撑柱之间为刚接连接。
9.进一步地，悬垂桁架两端的支撑柱为刚性的三角支撑柱。
10.进一步地，上述屋面双向悬垂支撑的空间钢结构还包括设置于悬垂桁架两端支撑柱之间的摇摆柱，摇摆柱的顶端与悬垂桁架连接。
11.进一步地，两跨连续悬垂梁端部的支座为刚性的a形支撑柱。
12.进一步地，两跨连续悬垂梁与悬垂桁架及支撑柱之间分别通过铰接节点(例如，销轴)连接。
13.进一步地，两跨连续悬垂梁与悬垂桁架及支撑柱之间分别通过刚接节点连接。
14.进一步地，短方向两跨连续悬垂梁结构跨度为40m以上时，采用刚接节点控制变形；短方向两跨连续悬垂梁结构跨度小于40m时，采用铰接节点方便施工。
15.进一步地，悬垂桁架的垂度为1/14～1/10。
16.进一步地，两跨连续悬垂梁的垂度为1/14～1/10。
17.进一步地，上述悬垂桁架可以为空间桁架。
18.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
19.a)本发明提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，长方向设置悬垂桁架、短方向设置两跨连续悬垂梁，可以有效改善两个方向水平承重构件的竖向荷载承载模式，采用高效率的受拉承载或者受拉为主的拉弯承载模式替代相对低效率的抗弯承载模式，节约结构材料用量，有效提升整体结构的经济合理化水平。
20.b)本发明提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，充分利用建筑方案外形的典型特征，在保证其建筑美学特征的前提下，对其具备的结构合理化典型特征加以提炼和利用，构成建筑、结构合理化的融合性设计方案，有效实现结构承载模式合理控制要求，真正意义上实现建筑、结构方案的一体化设计控制，属于公共建筑设计方法的重要技术革新。
21.c)本发明提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，对于悬垂桁架，自身在竖向平面外依然可以承担不等跨度、不平衡风荷载、不利活荷载布置等引起的不平衡水平力及对应的扭矩荷载。长方向利用主跨度方向建筑方案的下垂矢高，设置悬垂桁架，模拟索结构或拱结构的受拉或承压受力模式，限于找形条件，实际为拉弯或压弯受力模式。自重及风压力控制工况作用下，悬垂桁架利用自身垂度，模拟柔性悬索结构的纯拉承载模式。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构垂度控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际长方向悬垂桁架的承载模式为受拉为主的拉弯承载模式，属于高效率竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料用量。风吸力控制工况作用下，悬垂桁架利用自身垂度，构成刚性承压拱结构。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构垂度控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际长方向悬垂桁架的承载模式为受压为主的压弯承载模式，属于高效率竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料用量。
22.d)本发明提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，对于两跨连续悬垂梁，两跨结构均采用悬垂梁结构，利用悬垂梁垂度，模拟索结构/拱结构的受拉或承压受力模式，限于找形条件，实际为拉弯或压弯受力模式。自重及风压力控制工况作用下，两跨连续悬垂梁利用自身垂度，模拟柔性悬索结构的纯拉承载模式。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构矢高控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际短方向两跨连续悬垂梁的承载模式为受拉为主的拉弯承载模式，属于高效率竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料用量。风吸力控制工况作用下，两跨连续悬垂梁利用自身垂度，构成刚性承压拱结构。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构垂度控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际短方向两跨连续悬垂梁的承载模式为受压为主的压弯承载模式，属于高效率竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料用量。
23.e)本发明提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，悬垂桁架依托与两端三角支撑柱的刚接连接节点，可以承担短方向两跨连续悬垂梁引起的平衡水平力及对应扭矩。
24.f)本发明提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，考虑到悬垂桁架在屋面竖向荷载作用下会发生竖向挠度变形，因此，对于短方向两跨连续悬垂梁，实际悬垂桁架为中部弹性支座，可能引起短方向两跨悬垂梁的承载模式退化问题。为了解决上述问题，模拟长方向悬垂桁架的刚性支座状态，在上述屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的安装过程中，对悬垂桁架进行竖向预应力加载，这样，按照标准工况(注：恒载 活载工况)对应的悬垂桁架变形状态进行定向加载控制，并在预应力加载保持状态下安装短方向两跨连续悬垂梁，安装后逐级卸载，通过悬垂桁架回弹带动两跨连续悬垂梁进入预张拉力承载状态，这是能够实现双向悬垂支撑空间钢结构的重要技术改进和必要保证措施。
25.g)本发明提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，通过摇摆柱的设置，能够减小长方向悬垂桁架的主跨跨度，并显著降低刚性预应力加载负担，从而减少整体结构的承载负担，实现悬垂桁架的稳定支撑，节约结构材料用量。
26.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
27.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
28.图1a为具备双向凹曲屋面外形特征的建筑设计方案的短方向示意图；
29.图1b为具备双向凹曲屋面外形特征的建筑设计方案的长方向示意图；
30.图2为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构中长方向悬垂桁架的结构示意图；
31.图3为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构短方向两跨连续悬垂梁在自重及风压力控制工况的承载模式示意图；
32.图4为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构短方向两跨连续悬垂梁在风吸力控制工况的承载模式示意图；
33.图5为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的结构示意图；
34.图6为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的主视图；
35.图7为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的侧视图；
36.图8为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的俯视图；
37.图9为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的预应力加载示意图；
38.图10为本发明实施例一提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构在预应力加载状态下短方向两跨连续悬垂梁进行安装的示意图。
39.附图标记：
40.1-悬垂桁架；2-两跨连续悬垂梁；3-支撑柱；4-支座；5-摇摆柱。
具体实施方式
41.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
42.实施例一
43.本实施例提供了一种屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，参见图1至图10，包括沿屋面长方向设置的悬垂桁架1以及沿屋面短方向设置的两跨连续悬垂梁2，悬垂桁架1的两端通过支撑柱3进行支撑，两跨连续悬垂梁2的中部(即两跨连续悬垂梁2相互靠近的一端)与悬垂桁架1连接，两跨连续悬垂梁2的端部(即两跨连续悬垂梁2的另一端)通过支座4进行支撑，使得两跨连续悬垂梁2构成人字形，整体形成中间高、两边低的结构。
44.与现有技术相比，本实施例提供的屋面双向悬垂支撑的空间钢结构，通过在屋面
长方向设置悬垂桁架1，在屋面短方向设置两跨连续悬垂梁2，可以有效改善长方向和短方向水平承重构件的竖向荷载承载模式，采用高效率的受拉承载或者受拉为主的拉弯承载模式替代现有技术中相对低效率的抗弯承载模式，节约结构材料用量，有效提升整体结构的经济合理化水平。
45.同时，充分利用建筑方案外形的典型特征(参见图1a至图1b)，在保证其建筑美学特征的前提下，对其具备的结构合理化典型特征加以提炼和利用，构成建筑、结构合理化的融合性设计方案，有效实现结构承载模式合理控制要求，真正意义上实现建筑、结构方案的一体化设计控制，属于公共建筑设计方法的重要技术革新。
46.具体来说，对于悬垂桁架1，自身在竖向平面外依然可以承担不等跨度、不平衡风荷载、不利活荷载布置等引起的不平衡水平力及对应的扭矩荷载。长方向利用主跨度方向建筑方案的下垂矢高，设置悬垂桁架1，模拟索结构或拱结构的受拉或承压受力模式，限于找形条件，实际为拉弯或压弯受力模式。在自重及风压力控制工况的作用下，悬垂桁架1利用其自身垂度，模拟柔性悬索结构的纯拉承载模式。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构垂度控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际长方向悬垂桁架1的承载模式为受拉为主的拉弯承载模式，属于高效率竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料用量。在风吸力控制工况的作用下，悬垂桁架1利用其自身垂度，构成刚性承压拱结构。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构垂度控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际长方向悬垂桁架1的承载模式为受压为主的压弯承载模式，属于高效率的竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料的用量。
47.对于两跨连续悬垂梁2，两跨结构均采用悬垂梁结构，利用悬垂梁垂度，模拟索结构/拱结构的受拉或承压受力模式，限于找形条件，实际为拉弯或压弯受力模式。在自重及风压力控制工况作用下，两跨连续悬垂梁2利用其自身垂度，模拟柔性悬索结构的纯拉承载模式。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构垂度控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际短方向两跨连续悬垂梁2的承载模式为受拉为主的拉弯承载模式，属于高效率竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料用量。在风吸力控制工况作用下，两跨连续悬垂梁2利用其自身垂度，构成刚性承压拱结构。考虑到实际建筑外形对结构造型的控制条件，结构矢高控制无法完全实现理想最优状态，因此，实际短方向两跨连续悬垂梁2的承载模式为受压为主的压弯承载模式，属于高效率的竖向承载模式，可以较大程度节约结构材料的用量。
48.对于悬垂桁架1与两跨连续悬垂梁2之间的连接，考虑到悬垂桁架1在屋面竖向荷载作用下会发生竖向挠度变形，因此，实际悬垂桁架1为弹性支座。悬垂桁架1依托于支撑柱的刚接连接节点，可以承担短方向两跨连续悬垂梁2引起的不平衡水平力及对应扭矩。
49.在实际应用中，受自身竖向变形影响，悬垂桁架1实际为弹性支座，采用长方向悬垂桁架1作为弹性支座对两跨连续悬垂梁2进行支撑，会引起承载模式退化问题。具体来说，依据空间几何关系可知，当长方向悬垂桁架1出现竖向变形，实际构成弹性支座时，短方向两跨连续悬垂梁2有长度方向被压缩趋势，进而产生压应力；当长方向悬垂桁架1竖向挠度超过一定幅度时，短方向两跨连续悬垂梁2轴向压缩引起的压应力分量会超过悬垂承载受力模式引起的拉应力分量，短方向两跨连续悬垂梁2转化为实际压弯受力模式，整体承载效率显著降低，且与两跨连续悬垂梁2设计假定明显不一致。其中，两跨连续悬垂梁2的端部，
由于悬垂桁架1的端部挠度较小，两跨连续悬垂梁2的端部仍然为拉弯承载模式，两跨悬垂桁架1的中部挠度较大，两跨连续悬垂梁2的中部已经为压弯承载模式。
50.考虑到悬垂桁架1在屋面竖向荷载作用下会发生竖向挠度变形，因此，对于短方向两跨连续悬垂梁2，实际悬垂桁架1为中部弹性支座，可能引起短方向两跨连续悬垂梁2的承载模式退化问题。为了解决上述问题，模拟长方向悬垂桁架1的刚性支座状态，在上述屋面双向悬垂支撑的空间钢结构的安装过程中，对悬垂桁架1进行竖向预应力加载，并在预应力加载完成且尚未卸载状态下安装短方向两跨连续悬垂梁，这样，按照标准工况(注：恒载 活载工况)对应悬垂桁架1变形状态进行定向加载控制，并在预应力加载保持状态下安装短方向两跨连续悬垂梁2，安装后逐级卸载，通过悬垂桁架1回弹带动两跨连续悬垂梁2进入预张拉力承载状态，这是能够实现双向悬垂支撑空间钢结构的重要技术改进和必要保证措施。
51.为了保证悬垂桁架1扭矩的有效传递，悬垂桁架1与支撑柱3之间为刚接连接。
52.此外，为了有效承担长方向悬垂桁架1引起的水平力及扭矩，示例性地，上述悬垂桁架1两端的支撑柱3为刚性的三角支撑柱3。
53.考虑到长方向结构跨度过大时，仅采用支撑柱3无法实现悬垂桁架1的稳定支撑，因此，上述屋面双向悬垂支撑的空间钢结构还包括设于悬垂桁架1两端的支撑柱3之间的摇摆柱5，摇摆柱5的顶端与悬垂桁架1连接。这样，通过摇摆柱5的设置，能够减小长方向悬垂桁架1的主跨跨度，并显著降低刚性预应力加载负担，从而减少整体结构的承载负担，实现悬垂桁架1的稳定支撑，节约结构材料用量。
54.为了承担两跨连续悬垂梁2结构引起的水平力作用，上述两跨连续悬垂梁2端部的支座4为刚性的a形支撑柱。
55.对于两跨连续悬垂梁2的连接，可以采用以下两种方式：
56.一种方式，两跨连续悬垂梁2与悬垂桁架1及支座4之间分别通过铰接节点(例如，销轴)连接，采用此种方式，两跨连续悬垂梁2承载模式清晰，铰接节点采用销轴连接易于加工和安装。
57.另一种方式，两跨连续悬垂梁2与悬垂桁架1及支座4之间分别通过刚接节点连接，采用此种方式，能够极大程度减小短方向两跨连续悬垂梁2的结构挠度，有效控制结构变形。
58.在实际应用中，短方向两跨连续悬垂梁2结构跨度较大(40m以上)时，采用刚接节点控制变形；短方向两跨连续悬垂梁2结构跨度较小(小于40m)时，采用铰接节点方便施工。
59.值得注意的是，限于建筑方案外观要求，通常无法按照理论最优纯拉/纯压承载模式设定长方向悬垂桁架1和短方向两跨连续悬垂梁2的垂度，考虑建筑方案外观要求、匹配建筑方案的美学控制要求以及建筑室内净高要求，上述悬垂桁架1的垂度可在建筑方案允许条件下适度加大，示例性地，悬垂桁架1的垂度为1/14～1/10，如1/14、1/13、1/12、1/11。
60.同样地，考虑到屋面短方向排水的基本要求，两跨连续悬垂梁2的垂度可在建筑方案允许条件下适度加大，示例性地，两跨连续悬垂梁2的垂度为1/14～1/10，如1/14、1/13、1/12、1/11。
61.需要说明的是，在建筑设计时，通常两侧的屋面跨度不同，相应地，两跨连续悬垂梁2的跨度不同，悬垂桁架1在两侧不等跨的两跨连续悬垂梁2屋面的不对称竖向荷载、最不利活荷载布置及不对称风荷载作用下，存在水平方向承载及抗扭承载需求，因此，上述悬垂
桁架1可以为空间桁架，这样，通过空间桁架的设置，不平衡水平承载需求能够转化为空间桁架整体扭矩。
62.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。