大跨度充气式预应力张弦桁架及其施工方法

技术领域

本发明涉及大跨度充气式预应力张弦桁架及其施工方法。

背景技术

在现有大跨度空间结构中，张弦结构和膜结构理论研究和施工技术均有所发展。张弦结 构自重小，承载力高，但在跨度比较大时，考虑到适宜矢跨比和索的垂跨比的要求，竖向的 刚性受压撑杆往往为细长杆，失稳问题至关重要。膜结构主要包括充气式膜结构、张拉索膜 结构、骨架悬挂式膜结构。充气式膜结构中由于膜易褶皱，承载力偏低。索膜结构中，结构 自重非常小，要考虑膜结构的风致响应等问题。

在预应力张弦桁架的施工中，需要穿心千斤顶等张拉设备，需要搭建张拉操作平台；在 单向张弦桁架及双向张弦桁架的施工中，有时还需要搭建滑移轨道，张拉时预应力拉索往往 需要多级张拉、多个预应力索同时张拉，这无疑都增加施工难度。

发明内容

本发明是要解决现有张弦桁架结构中需考虑撑杆稳定性能且现场施工效率低、纯充气式 结构承载力低的问题，而提供大跨度充气式预应力张弦桁架及其施工方法。

本发明大跨度充气式预应力张弦桁架由桁架、主拉索、纺锤形低内压充气气囊、垫板和 多个环索组成；所述桁架包括上弦杆、下弦杆和腹杆，上弦杆、下弦杆与腹杆分别通过焊接 相贯连接；所述上弦杆和下弦杆的左端通过焊接固定在左焊接球节点表面上，所述上弦杆和 下弦杆的右端通过焊接固定在右焊接球节点表面上，所述左焊接球节点和右焊接球节点中间 分别开有贯通孔；所述垫板通过焊接固定在桁架下弦平面内，在垫板下端设置有纺锤形低内 压充气气囊，所述纺锤形低内压充气气囊的下表面设置有多个横向索套，在所述纺锤形低内 压充气气囊的外表面的竖直方向设置有由多个竖向索套组成的索套组，在所述纺锤形低内压 充气气囊的外表面的竖直方向平行设置多个索套组；所述多个横向索套和多个索套组通过黏 合连接在低内压充气气囊外表面，所述主拉索穿过多个横向索套与纺锤形低内压充气气囊相 连接，所述主拉索的左端通过锚具固定在左焊接球节点内，所述主拉索的右端通过锚具固定 在右焊接球节点内；所述多个环索分别穿过索套组与纺锤形低内压充气气囊相连接，多个环 索的上端通过锚具和螺栓固定在下弦杆的外侧表面；所述主拉索与多个环索通过双向交叉索 节点连接。

上述大跨度充气式预应力张弦桁架的施工方法是按以下步骤进行的：

一、先将上弦杆和下弦杆按所需几何尺寸成形，然后将上弦杆、下弦杆与腹杆分别通过 焊接相贯连接，得到桁架；

二、将垫板通过焊接固定在步骤一得到的桁架下弦平面内，垫板下平面与下弦杆底面齐 平；垫板与下弦杆接触处光滑处理并用膜片覆盖；

三、工厂裁剪纺锤形低内压充气气囊，两端设置充气与测压装置；

四、主拉索穿过多个横向索套与步骤三得到的纺锤形低内压充气气囊相连接，将主拉索 的左端穿过步骤一得到的桁架的左焊接球节点的贯通孔并用锚栓固定，主拉索的右端穿过桁 架的右焊接球节点的贯通孔并用锚栓固定，多个环索分别穿过索套组与纺锤形低内压充气气 囊相连接，多个环索的上端通过锚具和螺栓固定在下弦杆的外侧表面；通过双向交叉索节点 将主拉索和多个环索相连，得到大跨度充气式预应力张弦桁架；

五、将大跨度充气式预应力张弦桁架的两端放置在支架上，通过纺锤形低内压充气气囊 两端的充气与测压装置给纺锤形低内压充气气囊充气至设计气压，建立结构初始预应力；

六、吊装就位，支座连接，完成大跨度充气式预应力张弦桁架的装配。

本发明大跨度充气式预应力张弦桁架由桁架、主拉索、圆柱形低内压充气气囊和垫板组 成；所述桁架包括上弦杆、下弦杆和腹杆，上弦杆、下弦杆与腹杆分别通过焊接相贯连接； 所述上弦杆和下弦杆的左端通过焊接固定在左焊接球节点表面上，所述上弦杆和下弦杆的右 端通过焊接固定在右焊接球节点表面上；所述垫板通过焊接固定在桁架下弦平面内，在垫板 下端设置有圆柱形低内压充气气囊，所述圆柱形低内压充气气囊的外表面设置有多个索套， 所述多个索套通过黏合连接在圆柱形低内压充气气囊外表面，所述主拉索穿过多个索套呈空 间螺旋状与圆柱形低内压充气气囊相连接，所述主拉索的端部通过锚具和螺栓固定在桁架的 下弦平面的外侧面，所述主拉索的交叉处通过双向交叉索节点连接。

上述大跨度充气式预应力张弦桁架的施工方法是按以下步骤进行的：

一、先将上弦杆和下弦杆按所需几何尺寸成形，然后将上弦杆、下弦杆与腹杆分别通过 焊接相贯连接，得到桁架；

二、将垫板通过焊接固定在步骤一得到的桁架下弦平面内，垫板下平面与下弦杆底面齐 平；垫板与下弦杆接触处光滑处理并用膜片覆盖；

三、工厂裁剪圆柱形低内压充气气囊，两端设置充气与测压装置；

四、主拉索穿过多个索套与步骤三得到的圆柱形低内压充气气囊相连接，主拉索的端部 通过锚具和螺栓固定在桁架的下弦平面的外侧面，主拉索的交叉处通过双向交叉索节点连接， 得到大跨度充气式预应力张弦桁架；

五、将大跨度充气式预应力张弦桁架的两端放置在支架上，通过圆柱形低内压充气气囊 两端的充气与测压装置给圆柱形低内压充气气囊充气至设计气压，建立结构初始预应力；

六、吊装就位，支座连接，完成大跨度充气式预应力张弦桁架的装配。

本发明的有益效果：

1、本发明与张弦桁架结构相比，采用低内压充气气囊代替刚性受压撑杆，有效避免了压 杆稳定问题，并减轻结构自重；有一定刚度的低内压充气气囊为桁架整体提供连续的弹性支 承，提高了桁架整体的稳定性能；对气囊的充气过程即是对结构施加初始预应力的过程，无 需张拉设备，施工方便快捷。

2、本发明与单纯的充气梁相比，本发明的桁架和主拉索在低内压充气气囊的上下侧形成 力偶抵抗截面弯矩，不存在气囊压皱现象；且属于刚性体系的桁架使得充气膜结构不直接与 外界接触，消除了单纯充气膜结构遇风敏感的问题，同时提高了对外荷载的抵抗能力。

3、本发明为自支撑、自平衡体系，桁架产生的水平推力主要由主拉索承担，边界约束主 要以竖向反力为主。故其边界约束要求低，支座受力明确，易设计和制作。

4、本发明在储存运输时，各部分构件所占体积小；现场拼装设备和步骤简单，速度快， 不仅适合大跨度空间结构，也适合临时性性桥梁或临时建筑。

附图说明

图1为具体实施方式一所述大跨度充气式预应力张弦桁架的正视图；图2为具体实施方 式一所述大跨度充气式预应力张弦桁架的立体结构图；图3为具体实施方式六所述大跨度充 气式预应力张弦桁架的正视图；图4为具体实施方式六所述大跨度充气式预应力张弦桁架的 立体结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和2所示，本实施方式大跨度充气式预应力张弦桁架由桁架1、 主拉索2、纺锤形低内压充气气囊3、垫板4和多个环索5组成；所述桁架1包括上弦杆6、 下弦杆7和腹杆8，上弦杆6、下弦杆7与腹杆8分别通过焊接相贯连接；所述上弦杆6和下 弦杆7的左端通过焊接固定在左焊接球节点9表面上，所述上弦杆6和下弦杆7的右端通过 焊接固定在右焊接球节点10表面上，所述左焊接球节点9和右焊接球节点10中间分别开有 贯通孔；所述垫板4通过焊接固定在桁架1下弦平面内，在垫板4下端设置有纺锤形低内压 充气气囊3，所述纺锤形低内压充气气囊3的下表面设置有多个横向索套，在所述纺锤形低 内压充气气囊3的外表面的竖直方向设置有由多个竖向索套组成的索套组，在所述纺锤形低 内压充气气囊3的外表面的竖直方向平行设置多个索套组；所述多个横向索套和多个索套组 通过黏合连接在低内压充气气囊3外表面，所述主拉索2穿过多个横向索套与纺锤形低内压 充气气囊3相连接，所述主拉索2的左端通过锚具固定在左焊接球节点9内，所述主拉索2 的右端通过锚具固定在右焊接球节点10内；所述多个环索5分别穿过索套组与纺锤形低内压 充气气囊3相连接，多个环索5的上端通过锚具和螺栓固定在下弦杆7的外侧表面；所述主 拉索2与多个环索5通过双向交叉索节点连接。

本实施方式与张弦桁架结构相比，采用低内压充气气囊代替刚性受压撑杆，有效避免了 压杆稳定问题，并减轻结构自重；有一定刚度的低内压充气气囊为桁架整体提供连续的弹性 支承，提高了桁架整体的稳定性能；对气囊的充气过程即是对结构施加初始预应力的过程， 无需张拉设备，施工方便快捷。

本实施方式与单纯的充气梁相比，本发明的桁架和主拉索在低内压充气气囊的上下侧形 成力偶抵抗截面弯矩，不存在气囊压皱现象；且属于刚性体系的桁架使得充气膜结构不直接 与外界接触，消除了单纯充气膜结构遇风敏感的问题，同时提高了对外荷载的抵抗能力。

本实施方式为自支撑、自平衡体系，桁架产生的水平推力主要由主拉索承担，边界约束 主要以竖向反力为主。故其边界约束要求低，支座受力明确，易设计和制作。

本实施方式在储存运输时，各部分构件所占体积小；现场拼装设备和步骤简单，速度快， 不仅适合大跨度空间结构，也适合临时性性桥梁或临时建筑。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述纺锤形低内压充气气囊 3的材质为四氟乙烯无织物基材膜材料。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述多个横向索套和多 个竖向索套的材质为四氟乙烯无织物基材膜材料。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：在所述纺锤形低内 压充气气囊3内部设置照明装置。如此设置，满足不同的建筑功能和美观要求。其他与具体 实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式大跨度充气式预应力张弦桁架的施工方法是按以下步骤进 行的：

一、先将上弦杆6和下弦杆7按所需几何尺寸成形，然后将上弦杆6、下弦杆7与腹杆8 分别通过焊接相贯连接，得到桁架1；

二、将垫板4通过焊接固定在步骤一得到的桁架1下弦平面内，垫板4下平面与下弦杆 7底面齐平；垫板4与下弦杆7接触处光滑处理并用膜片覆盖；

三、工厂裁剪纺锤形低内压充气气囊3，两端设置充气与测压装置；

四、主拉索2穿过多个横向索套与步骤三得到的纺锤形低内压充气气囊3相连接，将主 拉索2的左端穿过步骤一得到的桁架1的左焊接球节点9的贯通孔并用锚栓固定，主拉索2 的右端穿过桁架1的右焊接球节点10的贯通孔并用锚栓固定，多个环索5分别穿过索套组与 纺锤形低内压充气气囊3相连接，多个环索5的上端通过锚具和螺栓固定在下弦杆7的外侧 表面；通过双向交叉索节点将主拉索2和多个环索5相连，得到大跨度充气式预应力张弦桁 架；

五、将大跨度充气式预应力张弦桁架的两端放置在支架上，通过纺锤形低内压充气气囊 3两端的充气与测压装置给纺锤形低内压充气气囊3充气至设计气压，建立结构初始预应力；

六、吊装就位，支座连接，完成大跨度充气式预应力张弦桁架的装配。

本实施方式所述低气压充气气囊的设计气压较低，对膜材材质要求降低，施工及维护要 求降低。

本实施方式若结构跨度较大并超过一定范围，充气时建立的结构初始预应力不能满足结 构承载力和刚度要求，则结构定位安装时，需要对预应力拉索进行再张拉至预应力设计值。 此时，主应力索的端部要做成可张拉节点。

具体实施方式六：如图3和图4所示，本实施方式大跨度充气式预应力张弦桁架由桁架 1、主拉索2、圆柱形低内压充气气囊3和垫板4组成；所述桁架1包括上弦杆6、下弦杆7 和腹杆8，上弦杆6、下弦杆7与腹杆8分别通过焊接相贯连接；所述上弦杆6和下弦杆7的 左端通过焊接固定在左焊接球节点9表面上，所述上弦杆6和下弦杆7的右端通过焊接固定 在右焊接球节点10表面上；所述垫板4通过焊接固定在桁架1下弦平面内，在垫板4下端设 置有圆柱形低内压充气气囊3，所述圆柱形低内压充气气囊3的外表面设置有多个索套，所 述多个索套通过黏合连接在圆柱形低内压充气气囊3外表面，所述主拉索2穿过多个索套呈 空间螺旋状与圆柱形低内压充气气囊3相连接，所述主拉索2的端部通过锚具和螺栓固定在 桁架1的下弦平面的外侧面，所述主拉索2的交叉处通过双向交叉索节点连接。

本实施方式所述多个索套随主拉索的位置进行布置。

本实施方式与张弦桁架结构相比，采用低内压充气气囊代替刚性受压撑杆，有效避免了 压杆稳定问题，并减轻结构自重；有一定刚度的低内压充气气囊为桁架整体提供连续的弹性 支承，提高了桁架整体的稳定性能；对气囊的充气过程即是对结构施加初始预应力的过程， 无需张拉设备，施工方便快捷。

本实施方式与单纯的充气梁相比，本发明的桁架和主拉索在低内压充气气囊的上下侧形 成力偶抵抗截面弯矩，不存在气囊压皱现象；且属于刚性体系的桁架使得充气膜结构不直接 与外界接触，消除了单纯充气膜结构遇风敏感的问题，同时提高了对外荷载的抵抗能力。

本实施方式为自支撑、自平衡体系，桁架产生的水平推力主要由主拉索承担，边界约束 主要以竖向反力为主。故其边界约束要求低，支座受力明确，易设计和制作。

本实施方式在储存运输时，各部分构件所占体积小；现场拼装设备和步骤简单，速度快， 不仅适合大跨度空间结构，也适合临时性性桥梁或临时建筑。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述圆柱形低内压充气气囊 3的材质为四氟乙烯无织物基材膜材料。其他与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：所述多个索套的材质为 四氟乙烯无织物基材膜材料。其他与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：在所述圆柱形低内 压充气气囊3内部设置照明装置。如此设置，满足不同的建筑功能和美观要求。其他与具体 实施方式六至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式大跨度充气式预应力张弦桁架的施工方法是按以下步骤进 行的：

一、先将上弦杆6和下弦杆7按所需几何尺寸成形，然后将上弦杆6、下弦杆7与腹杆8 分别通过焊接相贯连接，得到桁架1；

二、将垫板4通过焊接固定在步骤一得到的桁架1下弦平面内，垫板4下平面与下弦杆 7底面齐平；垫板4与下弦杆7接触处光滑处理并用膜片覆盖；

三、工厂裁剪圆柱形低内压充气气囊3，两端设置充气与测压装置；

四、主拉索2穿过多个索套与步骤三得到的圆柱形低内压充气气囊3相连接，主拉索2 的端部通过锚具和螺栓固定在桁架1的下弦平面的外侧面，主拉索2的交叉处通过双向交叉 索节点连接，得到大跨度充气式预应力张弦桁架；

五、将大跨度充气式预应力张弦桁架的两端放置在支架上，通过圆柱形低内压充气气囊 3两端的充气与测压装置给圆柱形低内压充气气囊3充气至设计气压，建立结构初始预应力；

六、吊装就位，支座连接，完成大跨度充气式预应力张弦桁架的装配。

本实施方式所述低气压充气气囊的设计气压较低，对膜材材质要求降低，施工及维护要 求降低。

本实施方式若结构跨度较大并超过一定范围，充气时建立的结构初始预应力不能满足结 构承载力和刚度要求，则结构定位安装时，需要对预应力拉索进行再张拉至预应力设计值。 此时，主应力索的端部要做成可张拉节点。