一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法与流程

1.本发明涉及覆盖大面积空间的结构技术领域，特别是涉及一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法。


背景技术：

2.大型文体场馆设计时，有时候需要让一个屋盖/顶棚悬挑设置，以让建筑下方的至少一侧是开放的，前方不存在遮挡视野或影响通车的柱，有着宽广的视野和宽阔的通行空间，以满足观景、通车等需求。
3.但悬挑结构对受力是极度不利的，悬挑意味着其受力特点是没有冗余约束，一旦悬臂根部出现问题，整个悬挑结构即告破坏。除此之外，随着悬挑跨度的增大，还会带来一般建筑结构中很少遇到的问题：易倾覆。因为悬挑结构重心并不像一般建筑那样位于支撑体系正上方，而是位于支撑体系外。
4.对于悬挑屋盖/顶棚而言，为解决其易倾覆的问题，现有技术中会在其基础上额外增加受力构件来补强，常见的有以下几类：在其上方增加斜拉索/斜拉杆；在其下方增加三角撑；把悬挑屋盖/顶棚做成闭合的圆环状，圆环外侧为一整个圆筒状的墙或钢结构支撑。
5.但以上所有的受力构件都对建筑外形造成的明显的影响，且挤占建筑空间。
6.以本发明涉及的某体育场为例，其需要有一个悬挑出39米的悬挑屋盖，且由于对外观有要求，不能把屋盖做成闭合的圆环状，也不能使用斜拉索/杆或三角撑（斜拉索/杆影响外观，三角撑与建筑内部的阶梯看台存在干涉）。


技术实现要素：

7.本发明提供一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法。
8.解决的技术问题是：大跨度悬挑屋盖易倾覆，现有的克服倾覆手段不够紧凑，影响建筑外形。
9.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，包括多个并排设置并拼合为一体的悬挑屋面单元，悬挑屋面单元设置在摇摆柱上并以摇摆柱为起点悬挑，悬挑屋面单元背离悬挑端的另一端上设置有用于避免悬挑端下沉的预应力平衡索，所述预应力平衡索一端连接在悬挑屋面单元上，另一端下垂并固定在安装基础上；所述预应力平衡索为预应力拉索，悬挑屋面单元、预应力平衡索、以及摇摆柱一同构成费力杠杆结构，摇摆柱为杠杆中的支点，费力杠杆中的动力为预应力平衡索中的预应力、且阻力为悬挑屋面单元的自重；所述悬挑屋面单元与预应力平衡索的边沿还设置有起到边沿约束作用及围护作
用的不承重围护，所述不承重围护与悬挑屋面单元一一对应，并自悬挑屋面单元的边沿下垂并固定到安装基础上，相邻的不承重围护连为一体。
10.进一步，所述悬挑屋面单元为桁架屋盖，所述桁架屋盖的上弦杆被单层钢网格取代，所述不承重围护为单层钢网格，并与桁架屋盖上层的单层钢网格拼接为一体，对桁架屋盖起到定位作用。
11.进一步，所述悬挑屋面单元下方设置有固定在地基上的阶梯看台，所述阶梯看台最高的一侧靠近不承重围护，所述摇摆柱设置在阶梯看台顶部，所述预应力平衡索下端固定在阶梯看台背面；所述摇摆柱为v形柱，v形柱下端安装在球铰支座上。
12.进一步，每个悬挑屋面单元下方设置两个v形柱和两根预应力平衡索，v形柱和预应力平衡索均对称设置在悬挑屋面单元左右两侧，两个v形柱上端拼合在一起且下端相互分开。
13.进一步，所述悬挑屋面单元自不承重围护起斜向下延伸，所述悬挑屋面单元拼合为闭合或不闭合的环状，所述不承重围护设置在环外，并起到挡风作用。
14.进一步，所述大跨度悬挑屋盖在与其它建筑结构的连接处设置有变形缝。
15.一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，用于施工上述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，并包括以下步骤：步骤一：安装不承重围护并与已安装且相邻的不承重围护连接为一体；步骤二：安装摇摆柱；步骤三：以不承重围护顶部为起点拼装悬挑屋面单元，并与已安装且相邻的悬挑屋面单元连接为一体；步骤四：安装预应力平衡索并进行张拉；步骤五：重复步骤一到四，直到完成整个大跨度悬挑屋盖的安装，进行卸载并撤去支撑不承重围护和悬挑屋面单元的临时支撑结构。
16.进一步，每个悬挑屋面单元以及和其对应的摇摆柱、预应力平衡索、不承重围护的安装过程统称为一个工段；每个工段中，不承重围护的安装及连接无需考虑之前的工段的进度；摇摆柱的安装在本工段之前的三个工段施工的不承重围护安装后进行；悬挑屋面单元的拼装与连接在本工段的摇摆柱安装后进行；预应力平衡索的安装，在本工段之前的三个工段的悬挑屋面单元拼装并连接后进行。
17.进一步，所述不承重围护由钢网格块拼合而成，所述悬挑屋面单元由桁架分块原位拼合而成，与不承重围护相邻的桁架分块顶部的钢网格块的边沿与不承重围护顶部的钢网格块的边沿长度相等且紧密贴合。
18.进一步，步骤四中，预应力平衡索安装后立即张拉至10%张拉力，在本工段之前的三个工段的预应力平衡索安装后张拉至70%张拉力；所述施工方法还包括步骤六：从中部向两边依次把所有的预应力平衡索张拉至100%张拉力。
19.本发明一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明中，通过把大跨度悬挑屋盖分解为多个悬挑屋面单元，然后把悬挑屋面单元架在摇摆柱上，形成类似于“跷跷板”的结构，再在“跷跷板”一端用设置在建筑内的预应力平衡索拉住来避免另一端下沉（即避免倾覆），最后用不承重围护来挡风并增加稳固性。整个建筑不仅不易倾覆，还结构紧凑，不存在影响建筑外观或造成干涉的额外受力构件；本发明中，悬挑屋面单元顶层以及不承重围护均为单层钢网格，悬挑屋面单元在不承重围护安装后，以不承重围护顶部为位置参考一块块原位拼装，不仅能满足复杂造型要求，而且位置准确不易拼错。
附图说明
20.图1为本发明中的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的结构示意图；图2为本发明中的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的受力方式示意图；图3为一个悬挑屋面单元的立体图；图4为本发明中的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工过程示意图；图中，1-悬挑屋面单元，2-摇摆柱，3-预应力平衡索，4-不承重围护，5-变形缝，6-阶梯看台。
具体实施方式
21.注意，本文中的“大跨度悬挑”，指的是悬挑屋面单元1从支点到悬挑端的水平距离跨度大。对其它方向的跨度没有限制。
22.以本发明涉及的某体育场为例，如图1所示，一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，包括多个并排设置并拼合为一体的悬挑屋面单元1，悬挑屋面单元1设置在摇摆柱2上并以摇摆柱2为起点悬挑，悬挑屋面单元1背离悬挑端的另一端上设置有用于避免悬挑端下沉的预应力平衡索3，预应力平衡索3一端连接在悬挑屋面单元1上，另一端下垂并固定在安装基础上；这里的预应力平衡索3，顾名思义，其中带有预应力，以抵抗悬挑屋面单元1的倾覆趋势。而之所以要把大跨度悬挑屋盖分成多个悬挑屋面单元1并进行拼合，是为了确保受力状况清晰，存在受力不均时会直接体现为明显的形变。整个的悬挑屋面单元1进行张拉时，若出现受力不均，会在内部造成二次应力，这部分二次应力不仅不可控，而且很难像多个悬挑屋面单元1并进行拼合那样看出来，时间一长会造成整个建筑走形甚至被破坏。
23.如图2所示，预应力平衡索3为预应力拉索，悬挑屋面单元1、预应力平衡索3、以及摇摆柱2一同构成费力杠杆结构，摇摆柱2为杠杆中的支点，费力杠杆中的动力为预应力平衡索3中的预应力、且阻力为悬挑屋面单元1的自重；这里采用摇摆柱2，是为了让柱本身不需要承受水平荷载，让水平荷载全部被转移到预应力平衡索3上，从而能够显著减小柱的横截面尺寸，使建筑结构更紧凑。而采用费力杠杆，是为了减少悬挑屋面单元1位于摇摆柱2后方的部分的尺寸。
24.悬挑屋面单元1与预应力平衡索3的边沿还设置有起到边沿约束作用及围护作用的不承重围护4，不承重围护4与悬挑屋面单元1一一对应，并自悬挑屋面单元1的边沿下垂
并固定到安装基础上，相邻的不承重围护4连为一体。
25.这里的不承重围护4，顾名思义，它不承重，本身仅起到约束和围护作用，同时在施工过程中作为悬挑屋面单元1拼装的起点，避免悬挑屋面单元1拼歪。
26.如图3所示，悬挑屋面单元1为桁架屋盖，桁架屋盖的上弦杆被单层钢网格取代，不承重围护4为单层钢网格，并与桁架屋盖上层的单层钢网格拼接为一体，对桁架屋盖起到定位作用。
27.桁架屋盖通常由上弦杆、下弦杆、腹杆组成，这里把上弦杆替换成了单层钢网格，不仅方便铺屋面板，而且还方便与不承重围护4的顶部对齐起到定位作用。
28.悬挑屋面单元1下方设置有固定在地基上的阶梯看台6，阶梯看台6最高的一侧靠近不承重围护4，摇摆柱2设置在阶梯看台6顶部，预应力平衡索3下端固定在阶梯看台6背面；摇摆柱2为v形柱，v形柱下端安装在球铰支座上。
29.这里用球铰支座来实现悬挑屋面单元1的可俯仰，而非“跷跷板”中的销轴，因为悬挑屋面单元1并不是一个规整的板，采用销轴的话，销轴的安装存在困难。而球铰是万向的，不存在销轴安装时的困难。同时，由于现场存在阶梯看台6，摇摆柱2的长度可大幅缩短，因此采用v形柱也不会占用很多空间，反倒提升了稳固性。
30.每个悬挑屋面单元1下方设置两个v形柱和两根预应力平衡索3，v形柱和预应力平衡索3均对称设置在悬挑屋面单元1左右两侧，两个v形柱上端拼合在一起且下端相互分开。
31.这里两个v形柱的安装方式类似于两只比v字的手的手指顶部顶在一块，确保悬挑屋面单元1可俯仰的同时又避免了向左右两侧倾覆。
32.悬挑屋面单元1自不承重围护4起斜向下延伸，悬挑屋面单元1拼合为闭合或不闭合的环状，不承重围护4设置在环外，并起到挡风作用。
33.不承重围护4将悬挑屋面单元1及内部的构件围在内侧，避免风荷载导致悬挑屋面单元1摇晃。
34.如图1所示，大跨度悬挑屋盖在与其它建筑结构的连接处设置有变形缝5。这里的大跨度悬挑屋盖的受力状况是十分特殊的，与其它建筑结构直接连接到一起会对两边都造成难以预料到的不利影响，还会大幅度提升施工前的受力分析的难度，因此需要用变形缝5断开。
35.如图4所示，一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，用于施工上述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，并包括以下步骤：步骤一：安装不承重围护4并与已安装且相邻的不承重围护4连接为一体；步骤二：安装摇摆柱2；步骤三：以不承重围护4顶部为起点拼装悬挑屋面单元1，并与已安装且相邻的悬挑屋面单元1连接为一体；步骤四：安装预应力平衡索3并进行张拉；步骤五：重复步骤一到四，直到完成整个大跨度悬挑屋盖的安装，进行卸载并撤去支撑不承重围护4和悬挑屋面单元1的临时支撑结构。
36.如图4所示，这里不承重围护4的临时支撑结构是脚手架，而大跨度悬挑屋盖的临时支撑结构是由多根桁架柱组成的胎架。
37.每个悬挑屋面单元1以及和其对应的摇摆柱2、预应力平衡索3、不承重围护4的安
装过程统称为一个工段；每个工段中，不承重围护4的安装及连接无需考虑之前的工段的进度；它是悬挑屋面单元1的拼装起点，本身也不承重，因此其可以最先安装，施工进度最靠前。
38.摇摆柱2的安装在本工段之前的三个工段施工的不承重围护4安装后进行；悬挑屋面单元1的拼装与连接在本工段的摇摆柱2安装后进行；摇摆柱2安装后，就是悬挑屋面单元1的原位拼装了，因此需要等到本工段之前的三个工段施工完成后进行，避免悬挑屋面单元1的拼装把已安装的不承重围护4带歪。
39.预应力平衡索3的安装，在本工段之前的三个工段的悬挑屋面单元1拼装并连接后进行。这里预应力平衡索3的安装会导致悬挑屋面单元1发生一定形变，因此需要在本工段之前的三个工段的悬挑屋面单元1拼装完成后进行，否则后续的悬挑屋面单元1的连接会受到影响。
40.不承重围护4由钢网格块拼合而成，悬挑屋面单元1由桁架分块原位拼合而成，与不承重围护4相邻的桁架分块顶部的钢网格块的边沿与不承重围护4顶部的钢网格块的边沿长度相等且紧密贴合。
41.这里分块拼装以提升施工效率，同时，钢网格块之间是否对齐是一目了然的，对拼装精度很有帮助。
42.步骤四中，预应力平衡索3安装后立即张拉至10%张拉力，在本工段之前的三个工段的预应力平衡索3安装后张拉至70%张拉力；施工方法还包括步骤六：从中部向两边依次把所有的预应力平衡索3张拉至100%张拉力。
43.这里100%张拉力是针对整个大跨度悬挑屋盖而非单个悬挑屋面单元1，因此需要在大跨度悬挑屋盖安装完成后进行张拉。注意这里要通过设计张拉力的大小，使张拉到70%张拉力时大跨度悬挑屋盖与胎架分离，这样可以在张拉过程中完成大部分卸载过程。
44.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：包括多个并排设置并拼合为一体的悬挑屋面单元（1），悬挑屋面单元（1）设置在摇摆柱（2）上并以摇摆柱（2）为起点悬挑，悬挑屋面单元（1）背离悬挑端的另一端上设置有用于避免悬挑端下沉的预应力平衡索（3），所述预应力平衡索（3）一端连接在悬挑屋面单元（1）上，另一端下垂并固定在安装基础上；所述预应力平衡索（3）为预应力拉索，悬挑屋面单元（1）、预应力平衡索（3）、以及摇摆柱（2）一同构成费力杠杆结构，摇摆柱（2）为杠杆中的支点，费力杠杆中的动力为预应力平衡索（3）中的预应力、且阻力为悬挑屋面单元（1）的自重；所述悬挑屋面单元（1）与预应力平衡索（3）的边沿还设置有起到边沿约束作用及围护作用的不承重围护（4），所述不承重围护（4）与悬挑屋面单元（1）一一对应，并自悬挑屋面单元（1）的边沿下垂并固定到安装基础上，相邻的不承重围护（4）连为一体。2.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述悬挑屋面单元（1）为桁架屋盖，所述桁架屋盖的上弦杆被单层钢网格取代，所述不承重围护（4）为单层钢网格，并与桁架屋盖上层的单层钢网格拼接为一体，对桁架屋盖起到定位作用。3.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述悬挑屋面单元（1）下方设置有固定在地基上的阶梯看台（6），所述阶梯看台（6）最高的一侧靠近不承重围护（4），所述摇摆柱（2）设置在阶梯看台（6）顶部，所述预应力平衡索（3）下端固定在阶梯看台（6）背面；所述摇摆柱（2）为v形柱，v形柱下端安装在球铰支座上。4.根据权利要求3所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：每个悬挑屋面单元（1）下方设置两个v形柱和两根预应力平衡索（3），v形柱和预应力平衡索（3）均对称设置在悬挑屋面单元（1）左右两侧，两个v形柱上端拼合在一起且下端相互分开。5.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述悬挑屋面单元（1）自不承重围护（4）起斜向下延伸，所述悬挑屋面单元（1）拼合为闭合或不闭合的环状，所述不承重围护（4）设置在环外，并起到挡风作用。6.根据权利要求1所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，其特征在于：所述大跨度悬挑屋盖在与其它建筑结构的连接处设置有变形缝（5）。7.一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：用于施工如权利要求2所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖，并包括以下步骤：步骤一：安装不承重围护（4）并与已安装且相邻的不承重围护（4）连接为一体；步骤二：安装摇摆柱（2）；步骤三：以不承重围护（4）顶部为起点拼装悬挑屋面单元（1），并与已安装且相邻的悬挑屋面单元（1）连接为一体；步骤四：安装预应力平衡索（3）并进行张拉；步骤五：重复步骤一到四，直到完成整个大跨度悬挑屋盖的安装，进行卸载并撤去支撑不承重围护（4）和悬挑屋面单元（1）的临时支撑结构。8.根据权利要求7所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：每个悬挑屋面单元（1）以及和其对应的摇摆柱（2）、预应力平衡索（3）、不承重围护（4）的安装过程统称为一个工段；
每个工段中，不承重围护（4）的安装及连接无需考虑之前的工段的进度；摇摆柱（2）的安装在本工段之前的三个工段施工的不承重围护（4）安装后进行；悬挑屋面单元（1）的拼装与连接在本工段的摇摆柱（2）安装后进行；预应力平衡索（3）的安装，在本工段之前的三个工段的悬挑屋面单元（1）拼装并连接后进行。9.根据权利要求8所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：所述不承重围护（4）由钢网格块拼合而成，所述悬挑屋面单元（1）由桁架分块原位拼合而成，与不承重围护（4）相邻的桁架分块顶部的钢网格块的边沿与不承重围护（4）顶部的钢网格块的边沿长度相等且紧密贴合。10.根据权利要求8所述的一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖的施工方法，其特征在于：步骤四中，预应力平衡索（3）安装后立即张拉至10%张拉力，在本工段之前的三个工段的预应力平衡索（3）安装后张拉至70%张拉力；所述施工方法还包括步骤六：从中部向两边依次把所有的预应力平衡索（3）张拉至100%张拉力。

技术总结
本发明涉及覆盖大面积空间的结构技术领域，公开了一种结构紧凑且不易倾覆的大跨度悬挑屋盖及其施工方法。通过把大跨度悬挑屋盖分解为多个悬挑屋面单元，然后把悬挑屋面单元架在摇摆柱上，形成类似于“跷跷板”的结构，再在“跷跷板”一端用设置在建筑内的预应力平衡索拉住来避免另一端下沉，最后用不承重围护来挡风并增加稳固性。整个建筑不仅不易倾覆，还结构紧凑，不存在影响建筑外观或造成干涉的额外受力构件。悬挑屋面单元顶层以及不承重围护均为单层钢网格，悬挑屋面单元在不承重围护安装后，以不承重围护顶部为位置参考一块块原位拼装，不仅能满足复杂造型要求，而且位置准确不易拼错。易拼错。易拼错。


技术研发人员：鲍敏 司波 张威廉 王泽强 张晓迪 马健 杨越 张书欣 尧金金
受保护的技术使用者：北京市建筑工程研究院有限责任公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/18