CN104975670A - 一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构，包括施作在下部结构不等高柱顶上的外环梁，所述外环梁采用随下部结构柱顶标高变化的空间曲线形式，所述外环梁的水平投影为椭圆形；在所述外环梁的中部上方设有内环梁，在所述外环梁与所述内环梁之间最外圈采用levy式结构布置斜索及脊索，最外圈之内采用Geiger式结构布置斜索及脊索，在所述内环梁上增设平衡索连接环梁，在所述内环梁与内圈环索之间增设平衡索。本发明能够适用边界不等高水平投影为椭圆平面的结构工程，并且结构受力均匀，稳定性强；节点构造简单，制作成本低，施工方便；能够满足刚性屋面材料的铺设要求。

Description

一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构

技术领域

本发明涉及一种索穹顶结构，特别是一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构。

背景技术

索穹顶结构是在美国工程师Geiger在富勒(R.B.Fuller)提出的张拉整体思想的基础上发展起来的一种结构效率极高的大跨度空间结构，之后经利维(M.P.Levy)等人进一步发展，一经问世便成功地应用于一些大跨度、超大跨度的结构工程中。

常规的索穹顶结构是一种由脊索、斜索、环索及撑杆构成的柔性空间全张力结构，构型简洁，传力明确，自重轻，空间跨越能力强。索穹顶结构根据几何拓扑，结构构造的不同，可分为Geiger体系索穹顶、Levy体系索穹顶、葵花型索穹顶、凯威特体系索穹顶、鸟巢型索穹顶、混合体系索穹顶，其中Geiger体系索穹顶和Levy体系索穹顶在国内外大跨度屋盖中已取得较多较为成功的应用，其他形式的索穹顶由于受到设计施工难度的限制应用还比较少。

Geiger式索穹顶构型简洁、传力明确、节点构造简单、施工方便，但是其为静定结构，对不规则边界和不均匀荷载的适应能力较差；Levy式索穹顶在Geiger索穹顶结构的基础上增加了拉索的数量，提高了结构的冗余度，结构受力更加均匀，稳定性更强，Levy式索穹顶结构可以适用于不规则的建筑边界和外形，也有较好的抵抗不均匀荷载的能力，但是其节点构造复杂，提高了节点制作的成本，在设计中其找形找力方法也较复杂，对设计和施工都提出了较高的要求。

常规的索穹顶每圈环索均为规则的圆形，然而由于环索空间位置必须低于与其相连的斜索，这就使室内净空高度大大减小，尤其是对于具有不规则建筑边界和外形的场馆来说，很大程度上降低了场馆上部空间的利用率。

椭圆平面索穹顶结构的形状决定了结构短轴方向索力值较大，长轴方向索力值较小，这种长短轴索力值不均匀的特性对外环梁及内环梁的刚度要求较大，通常会带来十分不利的影响。

此外，常规的索穹顶结构构件间的网格尺寸较大，这就需要屋面系统自身具有良好的跨越性能，因此国内外主要采用张拉膜作为索穹顶的屋面材料。然而张拉膜为柔性材料，具有厚度薄、自重轻、部分透光、负高斯曲面、柔性大等特性，其保温性能及抵抗环境污染的能力均较差，因此单一的屋面材料也是限制索穹顶结构在国内发展的主要因素。

玻璃面板，彩钢板等传统刚性屋面材料，在传统的钢屋盖结构中已有较为广泛的应用。但刚性屋面的跨越能力小，需要增设次结构支撑屋面，并将屋面荷载传至索穹顶主体结构，由于脊索仅有轴向刚度而无抗弯刚度，次结构宜搁置在撑杆的上节点上而非脊索上，这就要求撑杆上节点间间距比较小，以减小次结构的跨中挠度。对传统索穹顶结构进行合理改进，可有效减小撑杆上节点间距离，满足刚性屋面材料的铺设要求。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构，该索穹顶结构能够适用边界不等高水平投影为椭圆平面的结构工程，并且结构受力均匀，稳定性强；节点构造简单，制作成本低，施工方便，室内净空高；能够满足刚性屋面材料的铺设要求。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构，包括施作在下部结构不等高柱顶上的外环梁，所述外环梁采用随下部结构柱顶标高变化的空间曲线形式，所述外环梁的水平投影为椭圆形；在所述外环梁的中部上方设有内环梁，所述内环梁设有从上至下依次设置的脊索连接环梁、斜索连接环梁和平衡索连接环梁，所述脊索连接环梁、所述斜索连接环梁和所述平衡索连接环梁通过多根竖向设置的内环梁撑杆连接在一起；在所述外环梁和所述内环梁之间设有从内至外依次布置的多根内圈撑杆、多根中圈撑杆和多根外圈撑杆，所有所述内圈撑杆的下节点标高相同，所有所述中圈撑杆的下节点标高相同，所有所述外圈撑杆的下节点标高随屋面对应位置的标高变化；所述脊索连接环梁与每根所述内圈撑杆的上节点通过一根一环脊索相连，所述内圈撑杆的上节点与所述中圈撑杆的上节点通过一根二环脊索相连，所述中圈撑杆的上节点与所述外圈撑杆的上节点通过一根三环脊索相连，所述外圈撑杆的上节点通过两根四环脊索与所述外环梁相连；所述斜索连接环梁与每根所述内圈撑杆的上节点通过一根一环斜索相连，所述内圈撑杆的下节点与所述中圈撑杆的上节点通过一根二环斜索相连，所述中圈撑杆的下节点与所述外圈撑杆的上节点通过一根三环斜索相连，所述外圈撑杆的下节点通过两根四环斜索与所述外环梁相连；所述平衡索连接环梁通过对称布置在其两侧的两组平衡索与所述内圈撑杆的下节点连接，每组所述平衡索的对称轴与所述外环梁的椭圆形水平投影的短轴平行；在所述外环梁和所述内环梁之间设有从内至外依次增大的内圈环索、中圈环索和外圈环索，所述内圈环索、所述中圈环索和所述外圈环索从上至下依次设置，且所述内圈环索与所述平衡索连接环梁处于同一平面内，所述内圈环索是通过所有所述内圈撑杆的下节点连接而成的，所述中圈环索是通过所有所述中圈撑杆的下节点连接而成的，所述外圈环索是通过所有所述外圈撑杆的下节点连接而成的，所述外圈环索的形状与屋面的外轮廓形状一致。

在所述脊索连接环梁、所述斜索连接环梁和所述平衡索连接环梁内均设有一组居中对称布置的横梁，所有所述横梁的长度方向与所述外环梁的椭圆形水平投影的短轴平行。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)斜索及脊索的布置方式：最外圈通过levy式的布置方式减小了撑杆上节点之间的距离，减小了在撑杆上节点处搭设次结构的跨度，这种布置方式同时减小了脊索之间的距离，从而减小了在次结构上搭设檩条的跨度，更方便刚性屋面材料的铺设；同时，通过最外圈levy式的布置方式也使外环梁的受力更加均匀，降低索力不均匀性对外环梁的不利影响。内圈Geiger式的拉索布置形式使结构构形更为简洁，传力明确，相比常规的Levy式索穹顶减少了所需拉索的数量，从而降低了造价及施工难度。

2)环索的构形：通过对外圈环索及外圈环梁的构形做出改进，使外圈环索形状与屋面形状相契合，增加了室内净空；使传统的索穹顶结构能够满足柱顶标高不一致的椭圆形大跨度屋盖结构的建筑要求。

3)平衡索的设置：通过在短轴方向内圈撑杆下节点与平衡索连接环梁之间增设平衡索，平衡了由于结构不完全对称所产生的内圈环索索力不均衡的问题，使结构体系能够满足平衡条件，使结构传力更加均匀，稳定性增强。

4)横梁的设置：通过在内环梁的短轴方向设置横梁，能够平衡由结构不完全对称产生的内圈短轴方向较大的径向索索力，能够有效避免对内环梁受力和变形带来的不利影响。

综上所述，本发明为了解决在屋盖结构边界为平面椭圆形且支座标高不一致的情况下，应用常规Geiger式索穹顶难以得到合适的初始预应力，而应用常规Levy式索穹顶拉索数量较多，节点构造较复杂，造价及施工难度均较高的问题，基于常规索穹顶结构，将Geiger式索穹顶与Levy式索穹顶相结合，并增设相应构造措施，使结构既能发挥Geiger式索穹顶构型简洁、传力明确、节点构造简单、施工方便的优势，又通过结合levy式的布置及平衡索的设置改变原有静定结构的模式，使盖格式索穹顶能够适用于边界为平面椭圆形且支座标高不一致的屋盖结构。同时，这种结构可以通过变换最外圈环索的形状使其与屋面坡度相契合，达到减小场馆室内净空的目的。另外，最外圈通过levy式的布置方式减小了撑杆上节点之间的距离，减小了在撑杆上节点处搭设次结构的跨度，这种布置方式同时减小了脊索之间的距离，从而减小了在次结构上搭设檩条的跨度，更方便刚性屋面材料的铺设。通过内环梁中横梁的引入能够平衡由内圈短轴方向索力较大引起的对内环梁环梁的不利影响；同时，通过最外圈levy式的布置方式也使外环梁的受力更加均匀，降低索力不均匀性对环梁的不利影响。

附图说明

图1为本发明的结构三维示意图；

图2为图1的平面图；

图3为图1结构短轴方向的侧视图；

图4为图1结构长轴方向的侧视图；

图5为图1结构长轴方向的剖面图；

图6为结构短轴方向的剖面图；

图7为本发明的内环梁局部三维示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图7，一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构，包括施作在下部结构不等高柱顶上的外环梁1，所述外环梁1采用随下部结构柱顶标高变化的空间曲线形式，所述外环梁1的水平投影为椭圆形。所述外环梁1可采用混凝土或钢结构。在本实施例中，上述椭圆形的长轴102m、短轴81m，下部结构柱顶不等高，长轴最低处与短轴最高处相差5.7m。

在所述外环梁1的中部上方设有内环梁2，所述内环梁2设有从上至下依次设置的脊索连接环梁2-1、斜索连接环梁2-2和平衡索连接环梁2-3，所述脊索连接环梁2-1、所述斜索连接环梁2-2和所述平衡索连接环梁2-3通过多根竖向设置的内环梁撑杆2-4连接在一起。

在所述外环梁2和所述内环梁1之间设有从内至外依次布置的多根内圈撑杆3-1、多根中圈撑杆3-2和多根外圈撑杆3-3，所有所述内圈撑杆3-1的下节点标高相同，所有所述中圈撑杆3-2的下节点标高相同；所有所述外圈撑杆3-3的下节点标高不同，随屋面对应位置的标高变化。

所述脊索连接环梁2-1与每根所述内圈撑杆3-1的上节点通过一根一环脊索4-1相连，所述内圈撑杆3-1的上节点与所述中圈撑杆3-2的上节点通过一根二环脊索4-2相连，所述中圈撑杆3-2的上节点与所述外圈撑杆3-3的上节点通过一根三环脊索4-3相连，所述外圈撑杆3-3的上节点通过两根四环脊索4-4与所述外环梁1相连。

所述斜索连接环梁2-2与每根所述内圈撑杆3-1的上节点通过一根一环斜索6-1相连，所述内圈撑杆3-1的下节点与所述中圈撑杆3-2的上节点通过一根二环斜索6-2相连，所述中圈撑杆3-2的下节点与所述外圈撑杆3-3的上节点通过一根三环斜索6-3相连，所述外圈撑杆3-3的下节点通过两根四环斜索6-4与所述外环梁1相连。

所述平衡索连接环梁2-3通过对称布置在其两侧的两组平衡索7与所述内圈撑杆3-1的下节点连接，每组所述平衡索7的对称轴与所述外环梁1的椭圆形水平投影的短轴平行。

在所述外环梁2和所述内环梁1之间设有从内至外依次增大的内圈环索5-1、中圈环索5-2和外圈环索5-3，所述内圈环索5-1、所述中圈环索5-2和所述外圈环索5-3从上至下依次设置，且所述内圈环索5-1与所述平衡索连接环梁2-3处于同一平面内，所述内圈环索5-1是通过所有所述内圈撑杆3-1的下节点连接而成的，所述中圈环索5-2是通过所有所述中圈撑杆3-2的下节点连接而成的，所述外圈环索5-3是通过所有所述外圈撑杆3-3的下节点连接而成的，所述外圈环索5-3的形状与屋面的外轮廓形状一致。

上述复合式索穹顶结构外圈撑杆的下节点处有两根四环斜索和两根外圈环索共计四根拉索相连，为超静定结构，因此，可以通过控制各个拉索的截面大小的比值(即轴向抗拉刚度的比值)使外圈环索的预应力在边界不规则的条件下仍可以达到连续且均匀。采用平衡索连接平衡索连接环梁和内圈撑杆的下节点，通过调节平衡索与内圈环索的轴向刚度比值可消除由边界非对称引起的环索内力不均匀。

在本实施例中，在所述脊索连接环梁2-1、所述斜索连接环梁2-2和所述平衡索连接环梁2-3内均设有一组居中对称布置的横梁8，所有所述横梁8的长度方向与所述外环梁1的椭圆形水平投影的短轴平行。在内环梁内受力较大的短轴方向增设横梁8用来平衡内环梁内两方向的不均匀受力。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构，其特征在于，包括施作在下部结构不等高柱顶上的外环梁，所述外环梁采用随下部结构柱顶标高变化的空间曲线形式，所述外环梁的水平投影为椭圆形；

在所述外环梁的中部上方设有内环梁，所述内环梁设有从上至下依次设置的脊索连接环梁、斜索连接环梁和平衡索连接环梁，所述脊索连接环梁、所述斜索连接环梁和所述平衡索连接环梁通过多根竖向设置的内环梁撑杆连接在一起；

在所述外环梁和所述内环梁之间设有从内至外依次布置的多根内圈撑杆、多根中圈撑杆和多根外圈撑杆，所有所述内圈撑杆的下节点标高相同，所有所述中圈撑杆的下节点标高相同，所有所述外圈撑杆的下节点标高随屋面对应位置的标高变化；

所述脊索连接环梁与每根所述内圈撑杆的上节点通过一根一环脊索相连，所述内圈撑杆的上节点与所述中圈撑杆的上节点通过一根二环脊索相连，所述中圈撑杆的上节点与所述外圈撑杆的上节点通过一根三环脊索相连，所述外圈撑杆的上节点通过两根四环脊索与所述外环梁相连；

所述斜索连接环梁与每根所述内圈撑杆的上节点通过一根一环斜索相连，所述内圈撑杆的下节点与所述中圈撑杆的上节点通过一根二环斜索相连，所述中圈撑杆的下节点与所述外圈撑杆的上节点通过一根三环斜索相连，所述外圈撑杆的下节点通过两根四环斜索与所述外环梁相连；

所述平衡索连接环梁通过对称布置在其两侧的两组平衡索与所述内圈撑杆的下节点连接，每组所述平衡索的对称轴与所述外环梁的椭圆形水平投影的短轴平行；

在所述外环梁和所述内环梁之间设有从内至外依次增大的内圈环索、中圈环索和外圈环索，所述内圈环索、所述中圈环索和所述外圈环索从上至下依次设置，且所述内圈环索与所述平衡索连接环梁处于同一平面内，所述内圈环索是通过所有所述内圈撑杆的下节点连接而成的，所述中圈环索是通过所有所述中圈撑杆的下节点连接而成的，所述外圈环索是通过所有所述外圈撑杆的下节点连接而成的，所述外圈环索的形状与屋面的外轮廓形状一致。

2.根据权利要求1所述的边界不等高椭圆平面复合式索穹顶结构，其特征在于，在所述脊索连接环梁、所述斜索连接环梁和所述平衡索连接环梁内均设有一组居中对称布置的横梁，所有所述横梁的长度方向与所述外环梁的椭圆形水平投影的短轴平行。