CN103790275A - 脊梁式索穹顶结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脊梁式索穹顶结构，主要由脊梁、斜索、撑杆、环索构成，其中将常规索穹顶结构中仅受拉的柔性脊索替换成受拉弯的刚性脊梁，撑杆和斜索的上端都与脊梁铰接，斜索连接相邻环撑杆的上端和下端，环索连接同环撑杆的下端并沿环向闭合布置。通过预应力张拉，在脊梁、环索和斜索中均建立预拉力，属于全张力结构形式。该脊梁式索穹顶结构兼具常规索穹顶和弦支穹顶的优点：具有抗弯刚度，相比脊索，便于铺设刚性屋面，挠度小，所需预张力小，稳定性优于弦支穹顶中受压弯的网壳。脊梁铰的设置和固定具有很大的灵活性，通过在脊梁上合理设置结构铰和施工临时机构铰，使脊梁网格成为机构，可采用少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法成型。

Description

脊梁式索穹顶结构

技术领域

本发明公开了一种新型的张力结构，特别涉及脊梁式索穹顶结构，属于土木工程的空间结构技术领域。

背景技术

索结构作为空间结构的主要结构类型之一，已在国内外建筑结构中得到广泛应用。目前，在工程中常用的索结构形式有张弦梁、弦支穹顶、斜拉网格、索穹顶、索桁架、索网等，其中基于张拉整体思想的索穹顶，以新颖的结构造型、巧妙的构思，一经问世便引起了建筑师和结构工程师的青睐。

常规索穹顶是一种由脊索、斜索、环索和撑杆构成的柔性空间全张力结构，构形简洁、通透性好、空间跨越能力强、自重轻、净空高、传力途径明确，现已在国内外推广应用。由于建筑和结构的要求，索穹顶构件之间网格尺寸较大，这就要求屋面系统自身具有很好的跨越性能，因此在国外主要采用张拉膜作为索穹顶的屋面材料。

张拉膜为柔性材料，具有厚度薄、自重轻、部分透光、负高斯曲面、柔性大等特性，但保温性能和抗环境污染能力较差，价格较贵，单一的屋面材料是限制索穹顶在国内推广应用的因素之一。

玻璃面板、彩钢板等传统刚性屋面材料，在国内钢屋盖结构中已有非常广泛的应用。但刚性屋面的跨越能力小，需要增设次结构支承屋面，并将屋面荷载传递至索穹顶主体结构，这对次结构的跨越能力提出了较高的要求。对于常规索穹顶结构，次结构宜搁置在撑杆顶端，而不宜搁置在脊索上；否则，不仅构造复杂，而且受拉的脊索仅有轴向刚度，无抗弯刚度，需要较大的索力才能为次结构提供足够的弹性支撑，减小脊索跨中挠度。

弦支穹顶结构是一种刚柔相济的杂交结构，其用上部网壳替换了常规索穹顶结构中的脊索网。对比两者，从力学性能上来说，索穹顶为全张力结构，除撑杆受压外其它均为受拉构件，索力需要由外支座或者外环梁来平衡，而弦支穹顶的下部索系的拉力可由上部网壳平衡，为预应力自平衡结构，撑杆受压，拉索受拉，网壳因受压弯而存在局部和整体稳定性的问题；从用钢量来说，索穹顶大部分构件受拉，大量采用高强拉索，因此用钢量少，而弦支穹顶存在受压弯的网壳，用钢量相对较大；从施工方法来说，“索穹顶塔架提升索杆累积安装方法”（发明专利号：ZL200810234362.1）针对索穹顶提出了先进的少支架甚至无支架的整体牵引提升的施工方法且得到实际工程应用，而弦支穹顶普遍需要搭设大量支架来高空拼装网壳，施工措施费高，高空焊接量大，工期长；从刚性屋面材料铺设难易程度上来说，索穹顶不易铺设刚性屋面材料，而弦支穹顶由于存在上部网壳而易于铺设刚性屋面材料。

发明内容

技术问题：本发明解决了常规索穹顶结构不能铺设刚性屋面材料，弦支穹顶结构不是全张力结构，用钢量大的问题，提出了一种新型的张力结构—脊梁式索穹顶，由斜索、环索、撑杆和脊梁构成，即将常规索穹顶结构中仅受拉的柔性脊索替换为受拉弯的刚性脊梁。脊梁式索穹顶兼具索穹顶和弦支穹顶的优点，通过预应力张拉在脊梁、斜索和环索中建立预张力，属于张力结构；脊梁受拉弯，稳定性好，用钢量少。通过在脊梁上合理设置铰可采用先进的少支架甚至无支架的整体牵引提升的方法进行施工；并且便于铺设刚性屋面材料。

技术方案：本发明提供一种脊梁式索穹顶结构，该脊梁式索穹顶结构包括常规索穹顶结构中的斜索，撑杆，环索，所述脊梁式索穹顶结构还包括受拉弯的刚性脊梁，该刚性脊梁替换了常规索穹顶结构中仅受拉的柔性脊索部件，撑杆和斜索的上端都与脊梁铰接，斜索连接相邻环撑杆的上端和下端，环索连接同环撑杆的下端并沿环向闭合布置；且通过预应力张拉在脊梁、斜索和环索中都建立预张力。

所述脊梁采用高强度的能受拉弯的金属构件。

所述脊梁之间不设置结构铰，而且脊梁的中部也不设置结构铰，为无铰脊梁式索穹顶结构。

所述脊梁上设置有一个结构铰，分布在脊梁中部，为单铰脊梁式索穹顶。

所述脊梁上设置有二个结构铰，分布在相邻环脊梁之间，为双铰脊梁式索穹顶。

所述脊梁上设置有三个结构铰，分布在相邻环脊梁之间和脊梁中部，为三铰脊梁式索穹顶。

所述脊梁上设置有结构铰和施工临时机构铰，使脊梁在施工阶段成为机构。这种脊梁式索穹顶结构施工方法，是采用少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法张拉成型，最后固定施工临时机构铰。

有益效果：本发明提供的新型索结构形式—脊梁式索穹顶结构，基于常规索穹顶结构，采用受拉弯的刚性脊梁替代仅受拉的柔性脊索，兼具常规索穹顶和弦支穹顶的优点。脊梁具有抗弯刚度，相比脊索，便于铺设刚性屋面，挠度小，所需预张力小；通过预应力张拉，在脊梁、斜索和环索中均建立预张力，属于全张力结构，受拉弯的脊梁的稳定性明显优于弦支穹顶中受压弯的网壳；通过在脊梁上合理设置结构铰和施工临时机构铰，将结构转化为机构，可采用类似常规索穹顶的少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法成型，其施工过程为：低空组装—空中牵引提升—高空张拉—机构铰固定；预应力张拉时脊梁网格为机构，有利于预应力张拉导致结构发生大变形时，脊梁中内力以轴向拉力为主，而其中少量弯矩仅由脊梁自重产生；脊梁铰的设置和固定具有很大的灵活性，根据使用阶段结构铰的设置，可细分为三铰、双铰、单铰和无铰的脊梁式索穹顶，可根据工程具体情况从施工便利性和脊梁刚度等方面综合优选；脊梁可采用高强的能受拉弯的圆管、方管、实心棒材、工字型和H型等金属构件。

1）脊梁式索穹顶结构的构形和预应力分布

脊梁式索穹顶主要由脊梁、斜索、撑杆、环索构成，通过预应力张拉在脊梁、斜索和环索中均建立预张力。预应力张拉时，脊梁之间及其与相邻构件均为铰接，这有利于预应力张拉导致结构发生大变形时，脊梁中内力以轴向拉力为主，而其中少量弯矩仅由脊梁自重产生。脊梁可采用高强的能受拉弯的圆管、方管、实心棒材、工字型和H型等金属构件。

脊梁式索穹顶与常规索穹顶在构形上相似，但用受拉弯的刚性脊梁替代了仅受拉的柔性脊索。脊梁具有抗弯刚度，而脊索无抗弯刚度，因此脊梁相比脊索便于铺设刚性屋面，且挠度小，所需预张力小。

脊梁式索穹顶与弦支穹顶在构形上也相似，但在预应力分布上存在较大差异。脊梁式索穹顶的预应力由边界支座或者外压环平衡，脊梁通过被动张拉也建立了预拉力。通过储备足够的预拉力，在结构使用中脊梁为拉弯构件；而弦支穹顶中拉索的预拉力由上部网壳平衡，网壳构件为压弯构件，因此受拉弯的脊梁比受压弯的网壳稳定性好。

2）脊梁式索穹顶的脊梁铰设置

脊梁上的铰可设置在脊梁的中部和端部。根据在使用阶段结构铰的设置位置，将脊梁式索穹顶分为无铰、单铰、双铰和三铰，具体为：

（1）无铰脊梁式索穹顶：相邻环的脊梁之间无铰，脊梁中部无铰，脊梁网格不是机构。

（2）单铰脊梁式索穹顶：相邻环的脊梁之间无铰，脊梁中部为铰接，脊梁网格是机构。

（3）双铰脊梁式索穹顶：相邻环的脊梁之间为铰接，脊梁中部无铰，脊梁网格不是机构。

（4）三铰脊梁式索穹顶：相邻环的脊梁之间为铰接，脊梁中部为铰接，脊梁网格是机构。

由于脊梁中部存在铰接，若无预应力，单铰和三铰脊梁式索穹顶的脊梁网格是机构，在预应力张拉后具有良好刚度，但无铰和双铰脊梁式索穹顶的脊梁网格不是机构。

脊梁铰的设置具有较大的灵活性，可根据工程具体情况，从施工便利性和脊梁刚度等方面综合优选。

3）脊梁式索穹顶结构的施工方法

弦支穹顶的刚性网壳一般采用高空原位拼装的施工方法，需要搭设大量的支架,高空焊接量大，施工措施费高。而常规索穹顶由于拉索无抗弯和抗压刚度，在无张力的条件下会形成松垂的机构，从而可采用少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法：在低空组装索杆系，整体呈“ω”形通过牵引提升至高空并展开与周边连接，最后通过张拉形成结构。

脊梁式索穹顶的脊梁具有抗拉、抗压和抗弯刚度，在无张力的条件下，非机构的脊梁网格难以由上凸的弧形“⌒”转变为下凹的松垂“W”形。为实现这个转变，施工时增设若干机构铰将非机构的脊梁网格转变为机构。例如：将一根脊梁转变为二根链杆，二链杆不具有抗压刚度，具有类似拉索的特点，从而在无张力条件下，设置机构铰的脊梁网格也会类似脊索网一样形成松垂的机构，可采用少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法。具体步骤为：

（1）在适当的脊梁中设置机构铰，将脊梁网格转化为机构；

（2）在低空，无应力状态下组装斜索、撑杆、内拉环、环索和脊梁，此时脊梁中有机构铰；

（3）安装牵引提升的设备和工装索；

（4）整体呈“W”形牵引提升至高空并展开，将脊梁与周边结构连接就位；

（5）张拉拉索，在斜索、环索和脊梁中建立预张力，此过程的脊梁网格由下凹的“W”形转为上凸的“⌒”形，结构刚化成型；

（6）固定脊梁中的机构铰，完成最终结构。

4）脊梁式索穹顶的施工临时机构铰设置和固定

为方便高空固定机构铰且减少工作量，只要满足牵引提升时机构位形的转化，施工阶段在脊梁上临时设置的机构铰的数量宜尽量少，且应靠近结构外侧。

结构张拉成型后通过固定不同的机构铰，可得到不同的脊梁式索穹顶，脊梁抗弯刚度也有所不同。以二链杆机构为例，施工时在脊梁的两端和中部都设置铰，则脊梁为二链杆机构。预应力张拉后，结构刚化成型，即使不固定机构铰，结构也能成立，此时结构为三铰脊梁式索穹顶，结构性能更接近常规的索穹顶；若预应力张拉后固定脊梁中部的机构铰，此时结构为双铰脊梁式索穹顶，提高了脊梁抗弯刚度；若预应力张拉后固定脊梁两端部的机构铰，此时结构为单铰脊梁式索穹顶，脊梁抗弯刚度更高；若预应力张拉后固定脊梁两端部和中部的机构铰，此时结构为无铰脊梁式索穹顶，脊梁抗弯刚度最大，此时结构性能接近弦支穹顶，但脊梁依然为拉弯构件。

附图说明：

图1为脊梁式索穹顶结构的三维图。

图2为三铰脊梁式索穹顶结构的剖面图。

图3为双铰脊梁式索穹顶结构的剖面图。

图4为单铰脊梁式索穹顶结构的剖面图。

图5为无铰脊梁式索穹顶结构的剖面图。

图6为双铰脊梁式索穹顶设置机构铰的剖面图。

图7为双铰脊梁式索穹顶张拉后固定机构铰的剖面图。

其中：1-脊梁，2-斜索，3-撑杆，4-环索，5-内拉环，6-支座铰，7-相邻环脊梁连接铰，8-脊梁中铰，9-结构铰，10-施工临时机构铰，11-机构铰固定。

具体实施方式：

实施例1、脊梁式索穹顶结构设计和施工的基本步骤

0）脊梁式索穹顶结构设计

（1）首先确定脊梁式索穹顶结构的几何拓扑关系，以及支座约束条件；

（2）基于三铰或者双铰脊梁式索穹顶，进行结构找形和找力分析，初步确定结构位形、预应力以及构件的材质和规格；

（3）初步设置脊梁上的结构铰位置；

（4）进行结构极限承载力分析、正常使用极限状态分析及其它必要分析；

（5）调整和优化结构参数，包括脊梁上的结构铰设置，满足结构使用要求。

5）脊梁式索穹顶结构施工

（1）若设计最终采用的是非机构脊梁式索穹顶，如无铰或双铰脊梁式索穹顶，则需要设置若干机构铰，将使用阶段的非机构脊梁转化为施工阶段的机构；

（2）在低空，无应力状态下组装斜索、撑杆、内拉环、环索和脊梁，此时脊梁网格为机构；

（3）安装牵引提升的设备和工装索；

（4）整体呈“W”形牵引提升至高空并展开，将脊梁与周边结构连接就位；

（5）张拉拉索，在斜索、环索和脊梁中建立预张力，此过程的脊梁网格由下凹的“W”形转为上凸的“⌒”形，结构刚化成型；

（6）固定脊梁中的机构铰，完成最终结构。

Claims (8)

1.一种脊梁式索穹顶结构，该脊梁式索穹顶结构包括常规索穹顶结构中的斜索（2），撑杆（3），环索（4），其特征是，该脊梁式索穹顶结构还包括受拉弯的刚性脊梁（1），该刚性脊梁（1）替换了常规索穹顶结构中仅受拉的柔性脊索部件，撑杆（3）和斜索（2）的上端都与脊梁（1）铰接，斜索（2）连接相邻环撑杆（3）的上端和下端，环索（4）连接同环撑杆（3）的下端并沿环向闭合布置；且通过预应力张拉在脊梁（1）、斜索（2）和环索（4）中都建立预张力。

2.根据权利要求1所述的脊梁式索穹顶结构，其特征在于脊梁（1）采用高强度的能受拉弯的金属构件。

3.根据权利要求1所述的一种脊梁式索穹顶结构，其特征在于脊梁（1）之间不设置结构铰，而且脊梁（1）的中部也不设置结构铰，为无铰脊梁式索穹顶结构。

4.根据权利要求1所述的一种脊梁式索穹顶结构，其特征在于脊梁（1）上设置有一个结构铰（9），分布在脊梁中部，为单铰脊梁式索穹顶。

5.根据权利要求1所述的一种脊梁式索穹顶结构，其特征在于脊梁（1）上设置有二个结构铰（9），分布在相邻环脊梁之间，为双铰脊梁式索穹顶。

6.根据权利要求1所述的一种脊梁式索穹顶结构，其特征在于脊梁（1）上设置有三个结构铰（9），分布在相邻环脊梁之间和脊梁中部，为三铰脊梁式索穹顶。

7.根据权利要求1所述的一种脊梁式索穹顶结构，其特征在于脊梁（1）上设置有结构铰（9）和施工临时机构铰（10），使脊梁（1）在施工阶段成为机构。

8.根据权利要求7所述的一种脊梁式索穹顶结构施工方法，特征在于采用少支架或无支架的整体牵引提升的施工方法张拉成型，最后固定施工临时机构铰（10）。

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