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Abstract

一种脊杆环撑索穹顶结构，属于土木工程的空间结构技术领域。一种脊杆环撑索穹顶结构，主要由脊杆、斜索、环向撑杆、环索构成。该新型结构是将传统索穹顶中的上层柔性脊索替换为刚性杆件，撑杆在环向上连续布置，即水平投影与环索重合。撑杆和斜索的上端均与脊杆铰接连接，斜索连接相邻环撑杆的上端和下端，环索连接同环连续撑杆的下端，并环向闭合布置。通过预应力张拉，在脊杆、环索、斜索和撑杆中均建立预应力，属于全张力结构体系。与传统索穹顶结构相比，脊杆环撑索穹顶具有整体刚度大、斜索数量少的特点，同时受力性能更好、施工工艺难度显著降低、综合经济效益良好。适用于大跨度建筑的屋盖，是具有广阔发展前景的预应力大跨度空间结构形式。

Description

一种脊杆环撑索穹顶结构
技术领域
本发明公开了一种新型的全张力结构，尤其涉及脊杆环撑索穹顶结构，属于土木工程的空间结构技术领域。
背景技术
近年来，随着经济发展、文明进步，社会需求对结构工程提出新的挑战。由于生产、体育、展览等公共活动场所向大跨度、大空间的要求发展，工程师们也不断突破，提出了各种新型结构形式。将预应力技术与钢结构体系相结合而衍生出来的新结构形式，如：张弦梁、索网、斜拉结构、索拱、预应力桁架、弦支穹项、索穹顶等，适应了这些需求。预应力钢结构能够创造出受力合理、造型优美的新体系，不仅提高了结构承载能力、减小变形，同时达到节约钢材、降低造价的经济效果。这些优点使得预应力钢结构具有良好的受力性能和经济效益，值得深入研究和工程应用推广，为我国的经济建设服务。
在众多预应力钢结构的结构形式中，索穹顶结构是深受国内外关注的一种结构效率极高的空间结构，具有造型轻盈、传力明确、全张力、自平衡的特点。其设计思想源于建筑大师Fuller提出的张拉整体的概念。上世纪八十年代初，美国结构工程Geiger在张拉整体的基础上，构造了一种主要由脊索、斜索、环索、压杆等组成的预应力空间结构体系，即Geiger型索穹顶结构，并将索穹顶首次应用于1988年汉城奥运会体操馆和击剑馆。由于奥运会的巨大示范效应和索穹顶自身的诸多优点，使其在今后的发展道路上与体育场馆建筑密切结合，成为场馆屋盖结构的一种重要形式。之后，国内外学者对索穹顶结构进行了一些改良、创新。
传统的索穹顶结构存在某些不足之处：(1)在较大的屋面竖向荷载的情况下，上弦脊索易松弛退出工作，造成结构位移突增、不安全；(2)边环梁压力大，导致边环梁截面积增大，加重了支撑结构负担，浪费材料。(3)结构中大部分构件为柔性索，屋面材料一般为轻质膜材，使得索穹顶结构整体刚度不大，对偏心荷载较为敏感。(4)穹顶上下部均为柔性的铰接索系，其施工偏差和构件尺寸精度不易控制，施工难度大，导致在国内建成的大跨度索穹顶工程很少。
发明内容
技术问题：本发明解决了传统索穹顶结构存在的脊索易松弛导致位移过大、整体刚度铰小、柔性索构件多而施工难度大的缺点，提出了一种新型全张力结构体系——脊杆环撑索穹顶。
一种脊杆环撑索穹顶结构，其特征在于，主要由脊杆(1)、斜索(2)、撑杆(4)、环索(3)构成。撑杆(4)在环向上连续连接布置，且在竖直方向上相邻撑杆折形铰接，上折行铰接点和下折行铰接点间隔交叉；每环撑杆上折行铰接点与斜索(2)上端、脊杆(1)连接，每环撑杆下折行铰接点与斜索(2)下端、环索(3)连接，每环连续撑杆的水平投影与环索重合，环索(3)环向闭合；内环任意一个上折行铰接点分别和相邻外环两个上折行铰接点分别用脊杆(1)连接，上述外环两个上折行铰接点相邻，且也分别与对应内环的上折行铰接点距离最近；内环的任意一个下折行铰接点均和相邻外环上最近的上折行铰接点采用单根斜索(2)连接。
脊杆之间、撑杆和斜索与脊杆之间均采用铰接连接。
脊杆环撑索穹顶结构，每环撑杆的下折行铰接点和上折行铰接点总数相等；自中心向外沿同一径向方向，上折行铰接点和下折行铰接点间隔交叉。
所述的脊杆、撑杆采用无缝圆钢管。所述的斜索、环索为预应力拉索。
相邻的撑杆(4)上下端点仅连接一根斜索(2)，与传统索穹顶相比其斜索的数量大幅减少。
技术方案：该新型结构是将传统索穹顶中的上层柔性脊索替换为刚性杆件，脊杆拓扑形式呈联方型，撑杆在环向上连续布置，即水平投影与环索重合。撑杆和斜索的上端均与脊杆铰接连接，斜索铰接相邻环撑杆的上端和下端，环索铰接同环连续撑杆的下端，并环向闭合布置。
有益效果：与传统索穹顶结构相比，脊杆环撑索穹顶具有如下优势。
(1)脊索替换成脊杆后，有效减少了因脊索易松弛而导致的位移过大现象，提高了结构的安全性；圆钢管比高强索更具价格优势，并且施工工艺难度降低，减少了施工成本。
(2)连续布置的斜撑杆与张拉整体结构中不连续的撑杆构造相比，具有更好的受力性能；并且在施工过程中，撑杆和环索等环向构件之间采用三角形网格联系，几何稳定性更好，便于构件安装定位。
(3)其斜索的数量为传统联方型索穹顶结构的一半，通过张拉斜索对整个体系施加预应力时，仅需要较少的脚手架和张拉设备，能够明显减少张拉施工工作量。
脊杆环撑索穹顶既继承了传统索穹顶结构的优点，又弥补了传统索穹顶存在的不足，易于施工安装和张拉成形，综合经济效益良好。该结构形式非常适用于大跨度建筑的屋盖，作为索穹顶结构的改进方案，适用于体育建筑、展览建筑,是一种具有广阔发展前景的预应力大跨度空间结构形式。
附图说明
图1为脊杆环撑索穹顶结构三维轴测图；
图2为脊杆环撑索穹顶结构平面图；
图3为脊杆环撑索穹顶结构1/n结构示意图；
图4为脊杆环撑索穹顶结构撑杆下端节点构造示意图。
图中：1脊杆，2斜索，3环索，4撑杆。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
脊杆环撑索穹顶结构设计
(1)首先确定脊杆环撑索穹顶结构的几何拓扑关系，以及支座约束条件；
(2)进行结构找形和找力分析；
(3)初步确定结构位形、预应力以及构件的材质和规格；
(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)调整和优化参数，满足结构使用要求。
实施例1
一种脊杆环撑索穹顶结构，见图1-3，上弦脊杆(1)采用刚性杆件，撑杆(4)在环向上连续布置，即水平投影与环索(3)重合。撑杆(4)和斜索(2)的上端均与脊杆(1)铰接连接，斜索(2)连接相邻环撑杆(4)的上折行铰接点和下折行铰接点，环索(3)连接同环连续撑杆(4)的下端，并环向闭合布置。最外圈脊杆(1)、斜索(2)与边环梁锚接。
所述的脊杆(1)、撑杆(4)采用高强度的无缝圆钢管。所述的中心撑杆标高最高，连续撑杆顶部标高环向相同，径向由内向外递减。所述的斜索(2)、环索(3)为预应力拉索。边环梁为受压边环梁，可利用下部结构柱顶圈梁，一般为钢筋混凝土梁，刚度大、受压性能好，施工方便。脊杆和斜索的锚固用钢板可预埋在该梁上，张拉操作空间宽敞，操作方便。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，在实际施工中，拉索的初始预应力值与设计值仍有可能出现较大差距，所以环向撑杆可以设计成长度可调节的构件，斜索、环索采用可调节索，连接和调整方便。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，结构成形并具有刚度，可承受外部荷载作用。

Claims (5)

1.一种脊杆环撑索穹顶结构，其特征在于，主要由脊杆(1)、斜索(2)、撑杆(4)、环索(3)构成；撑杆(4)在环向上连续连接布置，且在竖直方向上相邻撑杆折行铰接，上折行铰接点和下折行铰接点间隔交叉；每环撑杆上折行铰接点与斜索(2)上端、脊杆(1)连接，每环撑杆下折行铰接点与斜索(2)下端、环索(3)连接，每环连续撑杆的水平投影与环索重合，环索(3)环向闭合；内环任意一个上折行铰接点分别和相邻外环两个上折行铰接点分别用脊杆(1)连接，上述外环两个上折行铰接点相邻，且也分别与对应内环的上折行铰接点距离最近；内环的任意一个下折行铰接点均和相邻外环上最近的上折行铰接点采用单根斜索(2)连接。
2.按照权利要求1的一种脊杆环撑索穹顶结构，其特征在于，脊杆之间、撑杆和斜索与脊杆之间均采用铰接连接。
3.按照权利要求1的一种脊杆环撑索穹顶结构，其特征在于，脊杆环撑索穹顶结构，每环撑杆的下折行铰接点和上折行铰接点总数相等；自中心向外沿同一径向方向，上折行铰接点和下折行铰接点间隔交叉。
4.按照权利要求1的一种脊杆环撑索穹顶结构，其特征在于，所述的脊杆、撑杆采用无缝圆钢管。
5.按照权利要求1的一种脊杆环撑索穹顶结构，其特征在于，所述的斜索、环索为预应力拉索。
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