CN104631620A - 一种负高斯曲率索穹顶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负高斯曲率索穹顶。它由环向拉索、径向上斜索、径向下斜索与竖向压杆组成；径向上斜索首尾相连构成负高斯曲率曲面；竖向压杆的一端与径向下斜索和环向拉索相连，另一端与不同的径向下斜索和径向上斜索相连，最外圈径向下斜索与上斜索固定在结构周边的支座上形成负高斯曲率索穹顶结构。该负高斯曲率索穹顶的曲率形式与构件数量根据建筑造型、使用功能以及承载能力等要求确定。本发明改变了现有索穹顶均为正高斯曲率的现状，使索穹顶可以应用在各种建筑造型的结构中。此外本发明在保持索穹顶结构原有构造简单、受力合理、造型美观的前提下，由于其两个主方向的曲率正负相反，所以也是一种承受竖向双向荷载性能更加优良的结构形式。

Description

一种负高斯曲率索穹顶

所属技术领域

本发明涉及一种大跨空间结构形式，具体地说是一种负高斯曲率索穹顶，应用范围包括体育场馆、机场航站楼、铁路客站以及游轮客船等大跨度空间建筑物或构筑物的屋盖或顶棚。

背景技术

经过近几十年的发展，各种类型的大跨空间结构在世界各国都得到了广泛应用，并且涌现出了许多新的结构形式和造型，形成了各具特色的多样化结构体系。目前国内外已有38种具体的空间结构形式，有刚性空间结构、柔性空间结构、刚柔杂交空间结构之分，也有薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构、薄膜结构之分，种类繁多、工程规模大小不一。其中，索穹顶结构是迄今为止被认为结构效率最好的一种结构体系，现已开发的索穹顶类型有肋环型、Levy型、葵花型与鸟巢型等。全世界在役的索穹顶有10余座，中国也在鄂尔多斯自行设计建造了第一座索穹顶结构。

随着建筑物或构筑物功能的提升与外观造型的多样化，现有的索穹顶形式在一些特殊建筑中已无法进行应用。其一表现在，当建筑物外观曲面为负高斯曲率时(如，马鞍型)，现已开发的索穹顶结构由于均为正高斯曲率形式所以无法应用到该类建筑中；其二表现在，当整个结构受到较大的向上风吸力时，现有的正高斯曲率索穹顶拉索极易松弛失效，所以也不能很好地进行应用。鉴于上述两点，本发明提出了一种负高斯曲率索穹顶，有效规避了现有索穹顶结构应用过程中出现的这些问题，极大地丰富了索穹顶的种类。另外，本发明在外观造型和力学性能上的优势，也可将其应用在对结构自重要求较为严格的结构物中(如，游轮、海上机场、海上城市、海上游乐园以及水上酒店等海洋工程)。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于建筑物或构筑物的屋盖或顶棚结构，即负高斯曲率索穹顶，以达到索穹顶结构在现有造型独特建筑物或构筑物中的应用，同时借助索穹顶结构自重轻承载力高的特点将其应用在对自重控制较为严格的海洋工程中。

为了达到上述目的，本发明提供了一种负高斯曲率索穹顶结构。本发明由径向上斜索(1)、径向下斜索(2)、环向拉索(3)、竖向压杆(4)组成。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，径向上斜索(1)首尾相连构成的索网形成了符合整个结构要求的负高斯曲率曲面外形。

在结构的外形曲面上，过任意点的一条二维曲线在局部坐标系xy下的曲率为其中曲率最大的曲线方程为y＝f(x)，其曲率为曲率最小的曲线方程为其曲率为其中最大曲率与最小曲率的乘积k₁k₂为曲面在该点的高斯曲率；由径向上斜索(1)构造出的曲面为一负高斯曲率曲面，即

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，所述的环向拉索(3)首尾相连形成封闭的空间曲线。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，竖向压杆(4)与径向下斜索(2)和同类构件不直接连接，彼此孤立地按一定规律散落在整个结构中。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，竖向压杆(4)一端与径向上斜索(1)和径向下斜索(2)直接相连，另一端与不同的径向下斜索(2)和环向拉索(3)相连；所有构件按此方式进行连接，最后形成负高斯曲率索穹顶结构。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，结构中最外圈径向上斜索(1)与径向下斜索(2)固定于周边的支座节点上。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，径向上斜索(1)、径向下斜索(2)和环向拉索(3)可由钢索或钢棒制作而成。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，当所有径向上斜索(1)、径向下斜索(2)、环向拉索(3)与竖向压杆(4)装配完毕，并施加预应力后才能形成可承受外载的结构体系。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，最外圈径向上斜索(1)与径向下斜索(2)所连接的支座节点可以分布在水平面投影为圆形、方形、椭圆形或其他多边形的边界上。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，由径向上斜索(1)首尾连接所组成的索网，可以是径向形、肋环形或葵花形网格。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，所有组成构件可安装长度调节装置，以调整整个构件的长度，同时也可通过长度调节装置来对构件进行预应力的施加。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，环向拉索(3)首尾相连形成的空间封闭曲线在整个结构体系中可以是一圈也可以是n圈，具体圈数根据具体工程的跨度确定。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，同一圈的径向上斜索(1)和径向下斜索(2)等径向构件的数目由结构的几何外形以及结构的承载要求确定。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，竖向压杆(4)由空心圆管或方管制造。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，环向拉索(3)可以按相邻竖向压杆(4)下节点之间的距离分段制作，也可按整圈封闭环的长度按一根环索来制作；针对环向拉索(3)的不同制作形式，竖向压杆(4)与之进行连接的形式也要采用相应的构造。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，不但可以用到传统的体育场馆等大跨度建筑上，还可以用在一些海上构筑物中，如船舶结构上层建筑的顶棚中。

上述的负高斯曲率索穹顶结构，其中，径向上斜索(1)、径向下斜索(2)、环向拉索(3)与竖向压杆(4)均可按分段组装的形式制作，这样方便服役过程中部分破损构件的更换与维修。

本发明提供的负高斯曲率索穹顶结构，突破了现有索穹顶结构仅适用于外形曲面为正高斯曲率的建筑物。本发明不仅具有传统索穹顶结构自重轻、承载力高的优点，同时负高斯曲率索穹顶结构的出现也将拓宽索穹顶结构的应用范围。具体优点包括：自重轻、承载能力高、适应建筑外形的能力好。由于负高斯曲率索穹顶两个主曲率正负号相反，所以结构承受竖向荷载的能力也较传统索穹顶提高；此外，由径向上斜索(1)所构成的负高斯曲率索网，由于其本身具有一定的承载能力，所以会降低整个结构施工安装的难度。本发明涉及的负高斯曲率索穹顶结构可用于多种建筑结构中(包括体育场馆、航站楼、铁路站房等大跨结构)，也可用于对结构自重要求控制比较严格的海洋工程结构中(包括海上机场航站楼、海上城市、水上游乐场与水上酒店等)。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1a为本发明的三维简图。

图1b为本发明未包含径向上斜索(1)的三维简图。

图1c为本发明径向上斜索(1)所构成的索网简图。

图2为本发明位于图1a中A-A榀上的索杆剖视图。

图3为本发明位于图1a中B-B榀上的索杆剖视图。

图4为本发明左视图。

图5为本发明前视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明为一种负高斯曲率索穹顶，主要解决了传统索穹顶结构只能用于曲面外形为正高斯曲率建筑中的这一局限性，达到了在保证索穹顶结构自重轻、承载能力高的基础上，有效拓宽其应用范围的目的，同时负高斯曲率曲面的存在也提高了索穹顶结构承受向上荷载的能力。

如图1、图2、图3、图4与图5所示，本发明负高斯曲率索穹顶，主要由径向上斜索1、径向下斜索2、环向拉索3与竖向压杆4组成。

如图2与图3所示，A-A榀上由径向上斜索1构成的曲线其曲率k₁为正；B-B榀上由径向上斜索1构成的曲线其曲率k₂为负。如图4与图5所示，其余各榀上由径向上斜索1构成的曲线其曲率k_n满足：k₂＜k_n＜k₁这一关系。如图1c所示径向上斜索1相互连接形成具有负高斯曲率曲面的索网。整个结构中径向构件的榀数由结构的造型以及结构的跨度决定。

如图2与图3所示，竖向压杆4的一端与径向上斜索1和径向下斜索2相连，另一端与不同的径向下斜索2和环向拉索3连接。由于径向上斜索1构成的负高斯曲率索网具有一定的承载能力，所以当负高斯曲率索网装配完毕后，径向下斜索2、环向拉索3以及竖向压杆4的组装难度将相应降低。

如图1a与1b所示，环向拉索3首尾相连，形成封闭的空间曲线，空间曲线的水平面投影为多边形。在实际结构中环向拉索3可按相邻两节点之间的距离制作，也可按整条封闭空间曲线的长度作为一根拉索来制作。结构中环索的圈数n依据具体工程的跨度决定,且n≥1。

如图1b、图2与图3所示，径向下斜索2与竖向压杆4与同类构件不直接相连，径向下斜索2与竖向压杆4按一定规律散落在整个结构体系中。

如图2与图3所示，最外圈径向上斜索1与径向下斜索2连接在支座5上。根据具体的结构造型，支座5可位于平面投影为圆形、椭圆形或任意多边形的边界上。

如图1、图2与图3所示，全部径向上斜索1、径向下斜索2、环向拉索3、竖向压杆4组装完毕并固定于支座5之后，各根拉索与压杆均需通过长度的改变施加一定的预应力后，整个结构才能进入承载状态。

本发明负高斯曲率索穹顶具有受力合理、自重轻、承受竖向向上荷载能力强的优点；而且，本发明负高斯曲率索穹顶结构突破了原有索穹顶结构只能用于正高斯曲率建筑的限制，拓宽了索穹顶结构的应用范围。从而也可以使索穹顶结构体系用在对结构自重要求比较严格的构筑物中(如，海洋工程结构等)。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，上述说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种负高斯曲率索穹顶，其特征在于：负高斯曲率索穹顶结构由径向上斜索(1)、径向下斜索(2)、环向拉索(3)和竖向压杆(4)构成；其中径向上斜索(1)首尾相连以索网的形式构造出整个结构的造型曲面；造型曲面上过任意点的一条二维曲线在局部坐标系xy下的曲率为其中曲率最大的曲线方程为y＝f(x)，其曲率为曲率最小的曲线方程为其曲率为其中最大曲率与最小曲率的乘积k₁k₂为曲面在该点的高斯曲率K；由径向上斜索(1)构造出的曲面，其高斯曲率小于零，为一负高斯曲率曲面，即所述的负高斯曲率索穹顶结构最外圈径向上斜索(1)与径向下斜索(2)固定于周边的支座节点上；所述的环向拉索(3)首尾相连构成一条封闭的空间曲线，各圈环索中各环向拉索(3)均不在同一平面内；所述的竖向压杆(4)相互之间并不相连，各竖向压杆(4)孤立地分散在整个结构中；所述的径向下斜索(2)与同类构件并不直接相连，各径向下斜索(2)也孤立地分散在整个结构中；所述的竖向压杆(4)一端与径向上斜索(1)和径向下斜索(2)直接相连，另一端与不同的径向下斜索(2)和环向拉索(3)相连。

2.根据权利要求1所述的一种负高斯曲率索穹顶，其特征在于：径向上斜索(1)、径向下斜索(2)与环向拉索(3)由钢索或钢棒来制作。

3.根据权利要求1所述的一种负高斯曲率索穹顶，其特征在于：结构中每根竖向压杆(4)和拉索均可装配长度调节装置，用于整个结构的组装和建造。

4.根据权利要求1和3所述的一种负高斯曲率索穹顶，其特征在于：整个负高斯曲率索穹顶周边的固定支座可以位于平面投影为圆形、椭圆形或多边形的边界上。