CN102071741A - 一种正方形刚性索穹顶结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正方形刚性索穹顶结构。刚性杆件为相互垂直网格，并在一个上凸双曲面上，网格周边设有边环梁，在水平对称轴和垂直对称轴上的刚性杆件网格节点以及周边刚性杆件的网格节点下设有与地面垂直的竖直撑杆，在水平对称轴和垂直对称轴上的网格节点与内侧相邻竖直撑杆下端连有斜索，边环梁与刚性杆件的节点与内侧相邻竖直撑杆的下端连有斜索，水平对称轴和垂直对称轴上的竖直撑杆下端连成正方形的下弦拉索，周边的竖直撑杆下端相邻节点之间连有下弦拉索，并在四角设置下弦拉索。本发明结构形式简洁，受力性能优越，结构的承载力和稳定性都比相同跨度和矢跨比的张弦梁有较大提高，变形趋于平缓，同时节省空间。

Description

一种正方形刚性索穹顶结构

技术领域

本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种正方形刚性索穹顶结构。

背景技术

索穹顶(Cable Dome)结构是美国工程师Geiger发展和推广Fuller张拉整体思想后实现的一种新型预张力大跨结构，它体现了Fuller关于“压力的孤岛存在于拉力的海洋中”的思想，是一种结构效率极高的全张力体系。从结构形式上看，Geiger设计的肋环型索穹顶和Levy设计的葵花型索穹顶是现有索穹顶结构的两种主要形式。肋环型索穹顶结构主要由径向脊索、径向斜索、环索以及竖压杆组成，并支撑于周边受压环梁上。肋环型索穹顶结构的平面外刚度较小，在不对称荷载的作用下，结构容易出现失稳现象，此外，还存在着脊索容易退出工作等不足。葵花型索穹顶结构主要是把辐射状布置的脊索改为联方型布置，这就较好地解决了肋环型索穹顶存在的平面外刚度不足、容易失稳的问题，但目前的索穹顶结构还仍然存在以下问题：脊索容易退出工作，结构平面只局限于圆形和椭圆形等缺点。因此，研究一种正方形平面，承载力高、稳定性强的索穹顶结构是急需解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种正方形刚性索穹顶结构。

正方形刚性索穹顶结构中的刚性杆件为相互垂直网格，并在一个上凸双曲面上，刚性杆件的网格周边设有边环梁，在水平对称轴和垂直对称轴上的刚性杆件网格节点以及周边刚性杆件的网格节点下设有与地面垂直的竖直撑杆，在水平对称轴和垂直对称轴上的刚性杆件的网格节点与其内侧相邻竖直撑杆下端连有斜索，边环梁与刚性杆件的节点与其内侧相邻竖直撑杆的下端连有斜索，水平对称轴和垂直对称轴上的竖直撑杆下端连成正方形的下弦拉索，网格周边的竖直撑杆下端相邻节点之间连有下弦拉索，竖直撑杆下端第一节点与竖直撑杆下端第二节点之间连有下弦拉索，竖直撑杆下端第三节点与竖直撑杆下端第四节点之间连有下弦拉索，竖直撑杆下端第五节点与竖直撑杆下端第六节点之间连有下弦拉索，竖直撑杆下端第七节点与竖直撑杆下端第八节点之间连有下弦拉索。

所述的刚性杆件相互之间的连接为刚性连接。所述的竖直撑杆与刚性杆件之间为铰接连接，竖直撑杆与下弦拉索之间为铰接连接。所述的下弦拉索、斜索为施加预应力的拉索。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1)结构形式简洁，提供了可为正方形平面应用的刚性索穹顶；

2)自重轻，结构构件少；

3)充分发挥高强度材料的性能，本结构可采用受拉性能优越的高强度拉索和受压性能优越的混凝土环梁，充分发挥这两种材料各自的特性；

4)将脊索换成刚性杆件，使结构的承载能力和稳定性都有了较大提高；

5)避免了位移变化突然增大的现象，使曲面的变形更加均匀，最大位移有所减小。

6)与相应的张弦梁相比，建筑的中部空间大大提高，解决了张弦梁这一影响使用功能的问题。

附图说明

图1为正方形刚性索穹顶结构的三维轴测图；

图2为正方形刚性索穹顶结构刚性杆件、竖压杆及环梁的示意图；

图3为正方形刚性索穹顶结构的斜索及下弦拉索示意图；

图4为本发明的实施例剖面图；

图5为与本发明相比较的张弦梁算例剖面图；

图6为本发明与张弦梁的上弦节点布置图；

图7为本发明实施例在竖直向下均布荷载作用下的荷载-位移图；

图8为张弦梁在竖直向下均布荷载作用下的荷载-位移图。

具体实施方式

如图1所示，正方形刚性索穹顶结构中的刚性杆件1为相互垂直网格，并在一个上凸双曲面上，刚性杆件1的网格周边设有边环梁5，在水平对称轴和垂直对称轴上的刚性杆件1网格节点以及周边刚性杆件1的网格节点下设有与地面垂直的竖直撑杆3，在水平对称轴和垂直对称轴上的刚性杆件1的网格节点与其内侧相邻竖直撑杆3下端连有斜索4，边环梁5与刚性杆件1的节点与其内侧相邻竖直撑杆3的下端连有斜索4，水平对称轴和垂直对称轴上的竖直撑杆3下端连成正方形的下弦拉索2，网格周边的竖直撑杆3下端相邻节点之间连有下弦拉索2，竖直撑杆3下端第一节点11与竖直撑杆3下端第二节点12之间连有下弦拉索2，竖直撑杆3下端第三节点13与竖直撑杆3下端第四节点14之间连有下弦拉索2，竖直撑杆3下端第五节点15与竖直撑杆3下端第六节点16之间连有下弦拉索2，竖直撑杆3下端第七节点17与竖直撑杆3下端第八节点18之间连有下弦拉索2。

所述的刚性杆件1相互之间的连接为刚性连接。所述的竖直撑杆3与刚性杆件1之间为铰接连接，竖直撑杆3与下弦拉索2之间为铰接连接。所述的下弦拉索2、斜索4为施加预应力的拉索。

正方形刚性索穹顶结构是脊索改为刚性杆件的新型索穹顶体系，它由不同强度的材料组合而成。其中，边环梁为受压边环梁，可利用结构柱顶圈梁，一般为钢筋混凝土梁，刚度大，受压性能好，施工也方便，与其相连的斜索和刚性杆件的锚固件可预埋在该梁上，张拉操作空间宽敞，操作方便。斜索和环索可采用高强钢丝、钢绞线或钢丝绳等，刚性杆件和竖直撑杆可采用型钢。拉索施工时，首先要确定其零应力状态下的长度，加工索头、锚具。索与索连接、索与梁连接的节点已有许多形式可选择。结构的构件装配完毕后，结构仍处于无应力状态，当余下的小部分索张拉到位时，结构成形，可承受外部荷载作用。

下面给出一具体实施例。

正方形刚性索穹顶结构，跨度为48m，矢高3m，承受轴对称均布荷载P，如图4所示，竖直撑杆高度为均为3m，截面积均为48.70cm²。索截面面积为14.33cm²，刚性杆件截面积为43.23cm²，拉索的弹性模量为1.85e¹¹Pa，刚性杆件的弹性模量为2.06e¹¹Pa。与相同跨度和矢跨比的张弦梁进行比较，如图5所示，图中尺寸单位为米。在两结构用钢量基本相同情况下，端部斜索XS3的预应力设为1000kN，两者的计算结果如图7、8所示。从图7、8可以看出，正方形刚性索穹顶的节点位移变化较为均匀，整个结构变形更为平稳，且最大位移也要较张弦梁结构小，更为重要的是正方形刚性索穹顶结构大大提高了建筑空间，本例中建筑中部净空增加了3m。

Claims (4)

1.一种正方形刚性索穹顶结构，其特征在于刚性杆件(1)为相互垂直网格，并在一个上凸双曲面上，刚性杆件(1)的网格周边设有边环梁(5)，在水平对称轴和垂直对称轴上的刚性杆件(1)网格节点以及周边刚性杆件(1)的网格节点下设有与地面垂直的竖直撑杆(3)，在水平对称轴和垂直对称轴上的刚性杆件(1)的网格节点与其内侧相邻竖直撑杆(3)下端连有斜索(4)，边环梁(5)与刚性杆件(1)的节点与其内侧相邻竖直撑杆(3)的下端连有斜索(4)，水平对称轴和垂直对称轴上的竖直撑杆(3)下端连成正方形的下弦拉索(2)，网格周边的竖直撑杆(3)下端相邻节点之间连有下弦拉索(2)，竖直撑杆(3)下端第一节点(11)与竖直撑杆(3)下端第二节点(12)之间连有下弦拉索(2)，竖直撑杆(3)下端第三节点(13)与竖直撑杆(3)下端第四节点(14)之间连有下弦拉索(2)，竖直撑杆(3)下端第五节点(15)与竖直撑杆(3)下端第六节点16之间连有下弦拉索(2)，竖直撑杆(3)下端第七节点(17)与竖直撑杆(3)下端第八节点(18)之间连有下弦拉索(2)。

2.根据权利要求1所述的一种正方形刚性索穹顶结构，其特征在于：所述的刚性杆件(1)相互之间的连接为刚性连接。

3.根据权利要求1所述的一种正方形刚性索穹顶结构，其特征在于：所述的竖直撑杆(3)与刚性杆件(1)之间为铰接连接，竖直撑杆(3)与下弦拉索(2)之间为铰接连接。

4.根据权利要求1所述的一种正方形刚性索穹顶结构，其特征在于：所述的下弦拉索(2)、斜索(4)为施加预应力的拉索。

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