CN101255749A - 矩形平面网壳结构和矩形平面弦支穹顶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种矩形平面网壳结构,包括一组中心在一条垂线上、并且依次高低错落、其对角线渐大的相似矩形环梁,每一矩形环梁由环向杆依次首尾连接而成,相邻矩形环梁顶点之间有顶点连杆,梁边之间有边间连杆,边间连杆的两端分别与该相邻梁边环向杆的节点连接;位于中心的矩形环梁对角跨设有两根中心连杆,中心连杆在交汇处形成中心节点;矩形平面弦支穹顶是在上述网壳的基础上增设张拉支撑结构,其矩形环拉索与矩形环梁相应,对角拉索位于网壳相应对角线所在的垂面内,对角拉索的两端与位于边缘的矩形环梁的顶点相接,对角拉索的交接点和两种拉索的交接处与网壳对应的节点之间均设有撑杆,在拉索内施加预应力后,网壳和张拉支撑结构形成整体受力结构。

Description

矩形平面网壳结构和矩形平面弦支穹顶技术领域本发明涉及一种大跨度建筑的屋顶盖结构,特别是一种网壳结构和在网壳 结构的基础上引入拉索和撑杆两种构件并按照特定方式组合而成的杂交空间结 构——弦支穹顶。 背景技术随着大跨度建筑的逐渐增多和其跨度及规模的逐渐增大,大跨度建筑的屋 盖也涌现出了许多种新的空间结构形式,其中,单层网壳结构由于结构美观、 施工简单和受力合理等优点而得以推广。目前已经提出的单层网壳的结构形式 有单层球面网壳、单层柱面网壳、单层椭球面网壳、单层旋转抛物面网壳、单 层旋转双曲面网壳、单层圆锥面网壳、单层椭圆抛物面网壳、单层双曲抛物面 网壳、单层扭曲面网壳、单层四角锥网壳等十种,在具体应用时,可以根据建筑功能的布置选用适宜的空间结构形式;尽管如此,在设计大跨度建筑时,设 计者仍然感觉到现有的屋盖结构形式的选择余地有限,无法满足日益发展的对 建筑功能和建筑造型新颖、多样化的需求。另外,上述单层网壳结构也有它的不足之处,如存在对初始几何缺陷敏感、 整体刚度差等缺点,因此这种空间结构仅适宜在中小跨度的建筑中应用。为了 提高单层网壳跨越大跨度的能力,使其在大跨度建筑中能得到应用,对其进行 了改进,即用张拉整体的概念来加强单层网壳结构,从而形成了一种新的空间 结构形式——弦支穹顶,这是近年来被提出并得到应用的一种优秀的空间结构。然而,截至目前,所提出的弦支穹顶都是以单层球面网壳为基础,即在网 壳的下面增设撑杆和拉索,然后对拉索施加预应力,使单层球面网壳、撑杆和 拉索合而为一,形成一个整体受力结构,从而提高单层球面网壳的稳定性和结 构刚度,增大单层球面网壳的建造跨度,这与张弦梁的工作原理相似,可以看 作是由张弦梁结构发展而来的,是张弦梁结构在三维空间内的拓展。张弦梁结 构的工作原理是将简支梁的弯矩转化为拉索和撑杆的轴向力,从而改善结构的 受力性能,提高结构的刚度和跨度,当把拉索和撑杆布置在简支梁的弯矩图内, 即张弦梁的下弦索与简支梁弯矩图相似时,把弯矩转化为拉索和撑杆的轴向力, 梁的弯矩变小,结构以承受轴向力为主,图5所示为简支梁在均布荷载下的弯 矩图,图6所示为张弦梁结构中索的布置图示意图。在实践中,单层球面网壳弦支穹顶被广泛地应用于圆形或椭圆形平面的建 筑中,对于矩形平面的大跨度建筑却不适用,因此,目前仅有的球面网壳形式的弦支穹顶结构同样无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型新颖、多样化的需求。发明内容本发明的目的是提供一种矩形平面网壳结构。 本发明的另一 目的是提供一种矩形平面弦支穹顶结构。为实现上述第一个目的,本发明采用如下技术方案:矩形平面网壳结构,包 括一组中心在一条垂线上的、并且依次高低错落布设的、且其对角线依次增大的 相似矩形环梁,每一矩形环梁由环向杆依次首尾连接而成,相邻两个矩形环梁的 同相位的顶点之间连接有顶点连杆,相邻矩形环梁的梁边之间设有边间连杆,边 间连杆的两端分别刚结连接于该相邻梁边中环向杆的节点上;位于网壳中心的矩形环梁对角跨设有两根中心连杆,两根中心连杆在交汇处形成中心节点。上述矩形平面网壳结构中,由中心连杆和中央矩形环梁的环向杆、由顶点 连杆、边间连杆和其他矩形环梁的环向杆共同组合构成三角形网格,该网格的 外表面由顶点连杆和中心连杆划分成的四个区域均为弧面。为实现第二个目的,本发明采用如下技术方案:矩形平面弦支穹顶,包括矩 形平面网壳结构和张拉支撑结构,矩形平面网壳结构包括一组中心在一条垂线上 的、并且依次高低错落布设的、且其对角线依次增大的相似矩形环梁,每一矩形 环梁由环向杆依次首尾连接而成,相邻两个矩形环梁的同相位的顶点之间连接有 顶点连杆,相邻矩形环梁的梁边之间设有边间连杆,边间连杆的两端分别连接于 该相邻梁边中环向杆的节点上;位于网壳中心的矩形环梁对角跨设有两根中心连 杆,两根中心连杆在交汇处形成中心节点;张拉支撑结构包括一组张拉后中心在 一条垂线上的、且其对角线依次增大的矩形环拉索和两根对角拉索,矩形环拉索 与所述矩形环梁相应,对角拉索位于矩形平面网壳结构相应对角线所在的垂面内; 对角拉索的两端与位于边缘的矩形环梁的顶点相接,在两根对角拉索的交接点与 矩形平面网壳结构的中心节点之间设有中心撑杆,在矩形环拉索与对角拉索相交 处的节点与对应的矩形环梁的顶点之间设有节点撑杆;在对角拉索和矩形环拉索 内施加预应力后,矩形平面网壳结构和张拉支撑结构形成整体受力结构。上述矩形平面弦支穹顶中,由中心连杆和中央矩形环梁的环向杆、由顶点 连杆、边间连杆和其他矩形环梁的环向杆共同组合构成三角形网格,该网格的 外表面由顶点连杆和中心连杆划分成的四个区域均为弧面。所述张拉支撑结构在矩形平面网壳结构的下方与网壳相连接。所述张拉支撑结构的对角拉索呈两端和中心底的波浪形,对角拉索的中心低 凹部分位于矩形平面网壳结构的下方,对角拉索的其余部分位于矩形平面网壳结构的上方。矩形平面网壳结构是一种全新的网壳结构形式,由于其平面为矩形,所以非 常适用于矩形平面结构的建筑,从而使屋盖和屋体产生协调统一的美感。该结构 中,所有的环向杆总共只有两种几何长度尺寸(当结构为正方形时,所有的环向 杆都等长),而处于同一层内的边间连杆的长度也相等,由此该结构的杆件规格 较少,有利于加工制作和网壳的组装;另外,由于该结构中央只有两根中心连杆交接,且边缘矩形环梁的每个节点上是四根杆件相连,其余每个节点上是六根杆 件相连,可见该结构中与每个节点相连的杆件数量少,连接结构简单,施工容易。 矩形平面弦支穹顶是在矩形平面网壳结构的基础上引入张拉支撑结构而形 成的一种新的弦支穹顶,其中高强度预应力拉索的引入使矩形平面网壳结构的钢材强度的利用更加充分;通过对拉索施加预应力,撑杆对网壳产生反变形以 形成弹性支撑,从而使整个弦支穹顶的杆件内力和变形减小,起到了调整体系 内力分布、降低内力幅值的作用,使结构整体的强度、刚度和稳定性有了显著 的改善,使增大网壳结构的建造跨度成为可能。矩形平面弦支穹顶在力学上最明显的一个优势是,结构对边界约束要求降 低。在结构受外来荷载作用时,内力通过网壳、撑杆传给对角拉索,由对角拉 索承担外荷载对网壳产生的外推力,从而不会对边缘构件产生水平推力,整体 结构形成自平衡体系。另外,由于本发明弦支穹顶中的一部分拉索和撑杆布置在网壳的外部,这 种布置方式是与拱形梁在均布荷载下的弯矩图相应。拱形梁在均布荷载下的变 形曲线图和弯矩图如图7、图8所示,图7中虚线所示为变形曲线,拱结构引 入拉索和撑杆的合理布置图如图9所示,从图9中可看出,其拉索、撑杆的布 置与弯矩图相似,张紧拉索后,预应力通过撑杆使拱产生与使用荷载作用相反 的位移,对拱形成支撑,从而部分抵消了外荷载的作用,减小拱变形,提高拱 刚度。因此,本发明中将部分拉索和撑杆布置在网壳的外部更加科学合理,这 种布置方式与目前单纯上下层结构的球面弦支穹顶相比,在同样跨度、同样用 钢量的前提下,本发明可使结构的整体刚度得到有效地提高,通过对相同尺寸 相同荷载条件下的矩形平面网壳设计方案、本发明弦支穹顶技术方案和目前所 提出的弦支穹顶方案的比较,对这三种方案进行稳定性分析,得到各结构的稳 定承载能力曲线图,根据计算结果可知,本发明所提出的弦支穹顶结构的极限 承载力为68.8 kN/ m2,比目前所提出的弦支穹顶的承载能力提高约10.3%,具 体见图16所示,图中,曲线A是本发明矩形平面弦支穹顶的承载能力曲线,曲 线B是单层球面网壳弦支穹顶的承载能力曲线,曲线C是本发明单层矩形平网壳结构的承载能力曲线。另外,将一部分拉索和撑杆布置在网壳的外部,还 使得网壳的内部变得简洁清晰,建筑效果更加美观。矩形平面弦支穹顶结构中,由于矩形平面网壳本身具有一定的刚度,在施 工时可以作为支架使用,同时,拉索可以简单地通过调节撑杆长度或对角拉索 长度而获得张拉,这些因素都使得施工简单易行、方便操作,并且大大降低了 施工成本。矩形平面弦支穹顶的屋面材料更容易与刚性材料相匹配,因此其屋 面覆盖材料可以采用刚性材料,与膜材料等柔性屋面材料相比,刚性屋面材料 具有建筑造价低、施工连接工艺成熟和保温遮阳性能相对较好等优点。 附图说明图1为矩形平面网壳结构平面图;图2为矩形平面网壳结构正立面图;图3为矩形平面网壳结构侧立面图;图4为矩形平面网壳结构轴测图;图5为简支梁在均布荷载下的弯矩图;图6为张弦梁的拉索和撑杆布置图;图7为拱在均布荷载下的变形曲线图;图8为拱在均布荷载下的弯矩图;图9为拱结构引入拉索和撑杆的合理布置图;图IO为矩形平面网壳结构中引入的张拉支撑结构的示意图;图11为矩形平面弦支穹顶平面图;图12为矩形平面弦支穹顶正立面图;图13为矩形平面弦支穹顶侧立面图;图14为矩形平面弦支穹顶剖面图;图15为矩形平面弦支穹顶轴测图;图16为三种结构稳定极限承载力的比较图。 具体实施方式图1-图4所示的矩形平面网壳结构,包括一组中心在一条垂线上的、并 且依次高低错落布设的、且其对角线依次增大的相似矩形环梁l,每一矩形环 梁均由环向杆2依次首尾连接而成,相邻两个矩形环梁的同相位的顶点之间连 接有顶点连杆4,相邻矩形环梁的梁边之间设有边间连杆3,边间连杆3的两 端分别刚性连接于该相邻梁边中环向杆2的节点上;位于网壳中心的矩形环梁 5对角跨设有两根中心连杆6,两根中心连杆6在交汇处形成中心节点;由中 心连杆6和中央矩形环梁的环向杆、由顶点连杆4、边间连杆3和其他矩形环梁的环向杆共同组合构成三角形网格,该网格的外表面由顶点连杆4和中心连 杆6划分成的四个区域均为弧面。图1中的圆点为节点,图中仅示意出了一个 区域内的节点,其他区域内节点省略。图10-图15所示的矩形平面弦支穹顶,是在上述矩形平面网壳结构的基 础上进一步改进的技术方案,包括上述的矩形平面网壳结构和张拉支撑结构, 见图10,张拉支撑结构包括一组张拉后中心在一条垂线上的、且其对角线依 次增大的矩形环拉索7和交接点位于该垂线上的两根相交的对角拉索8,矩形 环拉索7的形状和大小与网壳结构的矩形环梁1相匹配,对角拉索8位于矩形 平面网壳结构相应对角线所在的垂面内,与矩形平面网壳结构的对角线对应, 矩形环拉索7与对角拉索8相交处形成节点。对角拉索8呈两端和中心底的波 浪形,对角拉索的中心低凹部分位于矩形平面网壳结构的下方,对角拉索的其余 部分位于矩形平面网壳结构的上方;对角拉索8的两端与位于边缘的矩形环梁 的顶点相接,在两根对角拉索8的交接点与矩形平面网壳结构的中心节点之间 设有中心撑杆9,在矩形环拉索7与对角拉索8的节点与对应的矩形环梁的顶 点之间设有节点撑杆10,具体见图10、图14和图15。在对角拉索8和矩形 环拉索7内施加预应力后,通过撑杆对矩形平面网壳形成支撑,矩形平面网壳 结构和张拉支撑结构便成为一个整体受力结构。当然,上述结构中,假如将张 拉支撑结构总体设置在矩形平面网壳结构的下方与网壳相连接,也可成为一种 可实施的技术方案,但这种布置方式与穹的弯矩不相符,其获得的刚度不如交 叉布置获得的刚度大。矩形平面弦支穹顶在施工时,首先安装矩形平面网壳,由于网壳本身是几 何不变体系,具有一定的强度和刚度,可以作为拉索施工时的支架;拉索施工 时,首先要确定其零应力状态下的长度,加工索头和锚具(拉索与撑杆连接、 拉索与梁连接的节点目前有许多种形式可选择),其次是挂索,将大部分索与 网壳以及撑杆连接好,并准确定位,此时,结构仍处于无应力状态,然后将撑 杆调整到相应的位置,张紧拉索。前述工作完成后,可对拉索施加预应力,施 加预应力的方法很多,例如调节撑杆长度、拉索长度或对拉索用千斤顶进行张 拉等。当张拉至预定拉力后,矩形平面网壳、撑杆和拉索合而为一,整体受力, 形成矩形平面弦支穹顶结构。上述各个构件的截面尺寸应根据建筑结构尺寸及外荷载的大小,具体计算 确定,下面给出一具体实施算例。根据建筑方案设计要求,某结构平面尺寸为80mX80m,矢高12m,采用周 边多点支撑,支撑点可近似为三向铰支固定约束。作用有均布荷载2kN/ n/及计算机自动形成的结构自重。采用矩形平面弦支穹顶结构,其中矩形平面网壳以及撑杆采用Q235钢材, 弹性模量为2.06X10,Pa,抗拉强度215Mpa;拉索采用高强钢索材料,其弹 性模量1.8X10"MPa,抗拉强度1570MPa。最后设计得到的结构方案如下:拉 索截面积为0.007258m2,初应变0.01;矩形平面网壳杆件为圆钢管,直径 219mm,壁厚12mm;撑杆采用圆钢管,直径140mm,壁厚4mm。结构的布置方 案参考图11-图15,通过计算得到结构的整体变形结果见图16所示,图中横 坐标为结构最大位移,横坐标为极限荷载与施加荷载的比值。结构最大竖向挠 度为46ran,拉索中的最大应力为792MPa,杆件最大应力147 MPa,均能满足 现行规程设计要求。

Claims (6)

1.矩形平面网壳结构,其特征在于:包括一组中心在一条垂线上的、并且依次高低错落布设的、且其对角线依次增大的相似矩形环梁,每一矩形环梁由环向杆依次首尾连接而成,相邻两个矩形环梁的同相位的顶点之间连接有顶点连杆,相邻矩形环梁的梁边之间设有边间连杆,边间连杆的两端分别连接于该相邻梁边中环向杆的节点上;位于网壳中心的矩形环梁对角跨设有两根中心连杆,两根中心连杆在交汇处形成中心节点。
2. 根据权利要求1所述的矩形平面网壳结构,其特征在于:由中心连 杆和中央矩形环梁的环向杆、由顶点连杆、边间连杆和其他矩形环梁的环向杆 共同组合构成三角形网格,该网格的外表面由顶点连杆和中心连杆划分成的四 个区域均为弧面。
3. 矩形平面弦支穹顶,其特征在于:包括矩形平面网壳结构和张拉支撑 结构,矩形平面网壳结构包括一组中心在一条垂线上的、并且依次高低错落布 设的、且其对角线依次增大的相似矩形环梁,每一矩形环梁由环向杆依次首尾 连接而成,相邻两个矩形环梁的同相位的顶点之间连接有顶点连杆,相邻矩形 环梁的梁边之间设有边间连杆,边间连杆的两端分别连接于该相邻梁边中环向 杆的节点上;位于网壳中心的矩形环梁对角跨设有两根中心连杆,两根中心连 杆在交汇处形成中心节点;张拉支撑结构包括一组张拉后中心在一条垂线上的、 且其对角线依次增大的矩形环拉索和两根对角拉索,矩形环拉索与所述矩形环 梁相应,对角拉索位于矩形平面网壳结构相应对角线所在的垂面内;对角拉索 的两端与位于边缘的矩形环梁的顶点相接,在两根对角拉索的交接点与矩形平 面网壳结构的中心节点之间设有中心撑杆,在矩形环拉索与对角拉索相交处的 节点与对应的矩形环梁的顶点之间设有节点撑杆;在对角拉索和矩形环拉索内 施加预应力后,矩形平面网壳结构和张拉支撑结构形成整体受力结构。
4. 根据权利要求3所述的矩形平面弦支穹顶,其特征在于:由中心连 杆和中央矩形环梁的环向杆、由顶点连杆、边间连杆和其他矩形环梁的环向杆 共同组合构成三角形网格,该网格的外表面由顶点连杆和中心连杆划分成的四 个区域均为弧面。
5. 根据权利要求3或4所述的矩形平面弦支穹顶,其特征在于:所述张拉支撑结构在矩形平面网壳结构的下方与网壳相连接。
6. 根据权利要求3或4所述的矩形平面弦支穹顶,其特征在于:所述张拉支撑结构的对角拉索呈两端和中心底的波浪形,对角拉索的中心低凹部分位于 矩形平面网壳结构的下方,对角拉索的其余部分位于矩形平面网壳结构的上方。
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