CN105804248B - 钻石型索穹顶结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了钻石型索穹顶结构,包括内环索、外环索、中环交叉索、外环梁、内环撑杆、外环撑杆和中环撑杆,两个外环撑杆中间为外环索的锚点;两个中环撑杆中间为中环交叉索的交叉节点;所述内环撑杆、中环撑杆与锚点位置对应,所述交叉节点与外环撑杆位置对应;外脊索设在外环撑杆顶端与交叉节点之间;外谷索设在锚点与交叉节点之间;内谷索设在内环撑杆顶端与交叉节点之间;外径向索设在中环撑杆两端与锚点之间;内径向索设在中环撑杆与内环撑杆顶端之间及中环撑杆与内环撑杆底端之间。本发明结构合理、传力明确、施工简便、结构稳定且承载力较高,是高效的大跨度建筑结构形式。

Description

钻石型索穹顶结构
技术领域
[0001] 本发明涉及建筑结构领域,特别是涉及钻石型索穹顶结构。
背景技术
[0002] 大跨度建筑及相应的大跨空间结构的发展是代表一个国家建筑科学水平的重要 标志之一。由于人们对大跨空间的需求,高强钢索越来越多地在建筑结构中得到应用。我国 悬索结构在上世纪中叶开始发展,工程实践也逐渐增加,但与网架、网壳等其他空间形式相 比,悬索建筑结构的发展仍然相对缓慢。
[0003] 悬索结构通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用,可以最充分地利用钢材强度,采 用高强度材料时,更可以大大减轻结构自重。根据拉索作用的不同,可将相关屋盖结构分为 3类:拉索不直接支承屋面,而是和刚性构件相配合,形成刚柔杂交体系,如斜拉结构、悬吊 结构、张弦结构等;拉索直接支承屋面,但未施加预应力,通过覆盖较重的屋面抵抗风吸力; 拉索直接支承屋面,且索系自平衡,通过对拉索施加预应力获得结构竖向刚度,如索网结 构、双层悬索结构等。其中,第3类拉索应用所形成的结构属于张拉结构;除此之外,膜结构 也是张拉结构的重要组成部分。
[0004] 悬索结构的另一特点是结构施工比较方便。由于钢索的自重很小,屋面结构一般 也较轻,因此进行屋盖安装时不需使用大型起重设备。施工时脚手架和模板也不是必需的, 因而和其他结构形式的施工过程相比,可以降低施工费用。
[0005] 福射式布置的双层索系可以用于圆形、椭圆形建筑平面,为解决双层索在圆形平 面中央的汇交问题,在圆心处设置受拉内环,双层索一端锚挂于内环上,另一端锚挂在周边 的受压外环上。双层车幅式预应力张拉结构在工程中的应用相比单层结构应用更加广泛, 并且其建筑造型富于变化。
[0006] 由于张拉结构具有自重轻、易于施工、建筑造型适应性强等优点,因此该结构形式 得到了较为广泛的关注和应用。
[0007] 双层车幅式预应力张拉结构在结构受力形式的方面来说具有较强的优势,但在建 筑造型表现方面的潜力还有待挖掘。因此,对双层车幅式预应力索穹顶结构进行改造,拓展 预应力索穹顶结构的实现形式,丰富该结构类型的建筑表现内容,成为当前业界亟需改进 的目标。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供钻石型索穹顶结构,使其结构合理、传力明确、施工简便、节 约建筑材料、结构稳定性好且承载力较高,是高效的大跨度建筑结构形式,拓展了预应力索 穹顶结构的实现形式,大大丰富了现有大跨度空间结构体系。
[0009] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0010] 钻石型索穹顶结构,包括内环索、外环索、中环交叉索、外脊索、外谷索、内谷索、夕卜 径向索、内径向索、外环梁,以及分别沿所述内环索、外环索、中环交叉索所在的圆周均匀设 置的内环撑杆、外环撑杆和中环撑杆,其中:所述内环索为上下两层,所述内环撑杆设于两 层内环索之间;所述外环撑杆底端连接在外环梁上,顶端连接所述外环索,相邻的两个外环 撑杆中间为所述外环索锚于外环梁上的锚点;所述中环撑杆两端连接所述中环交叉索,相 邻的两个中环撑杆中间为所述中环交叉索的交叉节点;所述内环撑杆、中环撑杆与锚点位 置对应,所述交叉节点与外环撑杆位置对应;所述外脊索在所述外环撑杆顶端与所述交叉 节点之间设置;所述外谷索在所述锚点与所述交叉节点之间设置;所述内谷索在所述内环 撑杆顶端与所述交叉节点之间设置;所述外径向索在所述中环撑杆顶端与所述锚点之间以 及所述中环撑杆底端与所述锚点之间分别设置;所述内径向索在所述中环撑杆顶端与所述 内环撑杆顶端之间以及所述中环撑杆底端与所述内环撑杆底端之间分别设置。
[0011] 作为进一步地改进,还包括设置在所述外环梁下的支撑结构。
[0012] 所述支撑结构为沿所述外环梁圆周均匀布置且对称设置的支撑柱。
[0013] 所述内径向索和外径向索的直径不小于所述外脊索、外谷索、内谷索的直径,且不 大于所述内环索、外环索的直径。
[0014] 所述中环撑杆的高度大于等于所述内环撑杆的高度。
[0015] 还包括覆盖在顶部的PTFE或PVC张拉膜材。
[0016] 由于采用上述技术方案,本发明至少具有以下优点:
[0017] (1)由于采用车幅式预应力结构作为基本体系,在原结构形式基础上增加内环索 系并附加造型索得到钻石型索穹顶结构,从而使得新结构体系在保留了预应力索穹顶结构 优点的基础上进一步丰富了其实现形式,拓展了其应用范围。
[0018] (2)由于支撑结构仅包括支撑于外压环下部的支撑柱且均匀地布置在索穹顶外压 环,中间无支撑结构。这种分布方式,使得钻石型索穹顶预应力结构四周的竖向刚度足够 大。实际应用时,可同时在支撑柱底做铰接方式处理,最大程度上降低了支撑结构对于上部 自平衡预应力结构的影响,因此在满足建筑使用要求的同时使得结构更加稳定,受力更加 合理。本支撑结构可以多种形式实现,从而为下部建筑功能的实现提供了更多的结构形式 选择。
[0019] (3)综上,本发明结构合理、传力明确、施工简便、结构稳定性好且承载力较高,是 高效的大跨度建筑结构形式,使得建筑空间和预应力索穹顶形体相得益彰,实现了技术、艺 术和功能的整体优化,大大丰富了现有大跨度空间结构体系。
附图说明
[0020] 上述仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,以下 结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0021] 图1是本发明的钻石型索穹顶结构平面图。
[0022] 图2是本发明的钻石型索穹顶结构支撑柱分布轴测图。
[0023] 图3脊索剖面示意图。
[0024] 图4是子单元轴测图。
[0025]图5是径向索剖面示意图。
[0026]图6是谷索剖面示意图。
[0027]图7是外环梁和支撑柱示意图。
[0028] 图8是内环索和内环撑杆示意图。
[0029] 图9是中环交叉索和中环撑杆示意图。
[0030] 图中:1-支撑柱,2-外径向索,3-内径向索,4-外脊索,5-外谷索,6-内谷索,7-外环 梁,8-外环索,9-中环交叉索,10-内环索,11-外环撑杆,12-中环撑杆,13-内环撑杆。
具体实施方式
[0031] 请参阅图1所示,本发明提供一种钻石型预应力索穹顶结构,包括内环索10、外环 索8、中环交叉索9、外脊索4、外谷索5、内谷索6、外径向索2、内径向索3、外环梁7,以及分别 沿所述内环索10、外环索8、中环交叉索9所在的圆周均匀设置的内环撑杆、外环撑杆和中环 撑杆。
[0032] 请配合参阅图2所示,所述外环梁7下还设有支撑结构,所述支撑结构可设为沿外 环梁7均匀布置的支撑柱1。
[0033] 请配合参阅图3-6所示:所述内环索10为上下两层,所述内环撑杆13设于两层内环 索10之间;所述外环撑杆11底端连接在外环梁7上,顶端连接所述外环索8,相邻的两个外环 撑杆11中间为所述外环索8锚于外环梁7上的锚点;所述中环撑杆12两端连接所述中环交叉 索9,相邻的两个中环撑杆12中间为所述中环交叉索9的交叉节点;所述内环撑杆13、中环撑 杆12与锚点位置对应,所述交叉节点与外环撑杆11位置对应;所述外脊索4在所述外环撑杆 11顶端与所述交叉节点之间设置;所述外谷索5在所述锚点与所述交叉节点之间设置;所述 内谷索6在所述内环撑杆13顶端与所述交叉节点之间设置;所述外径向索2在所述中环撑杆 12顶端与所述锚点之间以及所述中环撑杆12底端与所述锚点之间分别设置;所述内径向索 3在所述中环撑杆12顶端与所述内环撑杆13顶端之间以及所述中环撑杆12底端与所述内环 撑杆13底端之间分别设置。
[0034] 概括而言,上述索穹顶结构主要包括主承重结构和造型结构两部分,两部分共同 形成整体自平衡张拉预应力结构。
[0035] 其中,主承重结构包含外环索8 (形成外压环)、内环索10 (形成内拉环)、径向索(包 括外径向索2、内径向索3)、撑杆(包括外环撑杆11中环撑杆12和内环撑杆13、)和支撑结构; 所述支撑结构为外压环下部的支撑柱1;所述支撑柱1沿外压环呈中心对称分布,中间无支 撑结构。主承重结构属于大跨度空间结构,内部无支撑结构,故作为平衡体系构成的基础, 内环索和外环索采用的截面应大于径向索,以保证面外刚度足够大,防止结构在外荷载作 用下竖向变形超过限值。
[0036] 造型结构主要包含造型索和张拉膜。所述造型索包括外脊索4、外谷索5、内谷索6、 中环交叉索9等张拉索,张拉索径应明显小于承重结构索径,其安装顺序也应位于主承重结 构基本成型之后。所述张拉膜材可以为PTFE或PVC材料,选择膜材时应综合考虑各种因素, 这些影响因素包括膜材持久性、自净化能力、安装便利性、强度、刚度、颜色稳定性等。
[0037] 具体地,请参阅图1所示,本发明的钻石型预应力索穹顶结构,包括多个呈辐射状 分布的结构子单元,每个子单元中包括传统的双层车幅式预应力索穹顶结构中的基本构件 如外径向索2、中环交叉索9、中环撑杆12,还包括主承重构件如内径向索3、内环索10、内环 撑杆13。子单元的具体数量不做限制,以满足建筑和结构性能要求为准。相邻的承重单元之 间主要通过内拉环联系,并通过造型索提供侧向约束。整体形成双层环形结构,通过支撑结 构固定在地面上。
[0038] 请配合参阅图2,支撑结构主要为外环梁下部的支撑柱1,支撑柱1沿着外环梁7以 一定角度呈中心对称布置,索穹顶中部无支撑结构。
[0039] 请配合参阅图3,支撑柱1在提供竖向支撑的同时其均匀布置也有利于提高无柱空 间和结构的使用功能,满足大跨度结构的使用要求。支撑柱1与下部结构的连接最好处理为 铰接,从而最大程度上减小对上部自平衡体系内力变化和相对变形的影响。
[0040] 请配合参阅图4、5、6、7,确定本发明中主承重索、造型索及支撑柱1之间的空间相 对关系。本发明的主承重结构外环部分由相邻承重单元之间的造型索联系,具体的,由位于 相邻中环撑杆12之间的交叉点引出的外脊索4、外谷索5、中环交叉索9和内谷索6联系,在提 供建筑造型的同时可以对竖向平面内的承重子单元起到面外稳定作用。由外径向索2、内径 向索3、外谷索5和内谷索6形成的钻石型覆膜骨架是本发明中最为关键的部分,各索的几何 形态直接影响到建筑造型的变化,通过调节骨架索的索长或者调节中环撑杆12和内环撑杆 13的高度,可以得到不同的建筑造型。
[0041] 请配合参阅图8、9,中环撑杆12和内环撑杆13的绝对高度和相对高度不仅影响到 建筑造型,对本发明的整体性能也有较大影响,中环撑杆12与内环撑杆13高度接近时索穹 顶面外刚度增加,在采用本发明时应综合考虑建筑和结构需求。
[0042] 本发明采用大型通用有限元分析软件MIDAS及ANSYS进行数值模拟,通过不断改进 和完善设计理念,在传统双层车幅式预应力结构的基础上,通过增加内环索系改变结构传 力路径,最终形成了钻石型索穹顶的结构形式。以上所述实施方法均采用常规的索结构施 工工艺,结构形式及构件尺寸应满足发明内容中所述的设计原则。
[0043] 以下以图1中所示的结构作为本发明的具体实例进行分析。
[0044] 图1中所示的钻石索穹顶结构的主体结构由围绕中心放射状布置的48个单元构 成,由两层内环索10形成的两个受拉内环和由外环索8形成的一个受压外环将48个单元串 联为整体屋盖。屋盖顶部覆盖膜材,最大直径为245m,中部开口部分直径为145m。中环撑杆 高度为12m,内环撑杆高度为12m。其中,内环索为结构索,是整体的;外环索为造型索,是分 段的;中环交叉索为分段索;内、外谷索为造型索;内、外径向索为结构索,预拉力不同。索与 索之间,支撑杆与索之间连接方式均可采用铰接,具体可通过夹具和锚具连接。
[0045] 恒荷载:屋盖钢结构自重由程序自动计算生成,节点锚具自重根据实际情况取值, 这里索径50mm左右节点自重取3kN (单根),索径90mm连接锚具节点自重取5kN (单根);活荷 载:0.3kN/m2;风荷载:基本风压:50年重现期wO = 0.50kN/m2,地面粗糙度为B类,屋盖结构: 由于屋盖表面结构造型较为复杂,需通过风洞试验方能确定屋盖体型系数,风荷载暂按 1.70kN/m2均布荷载计算(风振系数取1.5,风压高度变化系数取1.62,体形系数取1.4)。通 过Midas Gen软件进行结构力学特性分析。
[0046] 所选实例的振动特性如下表所示。
[0047]
Figure CN105804248BD00071
[0048] 在预应力施加完毕后结构的竖向位移为23mm,活荷载下相对竖向位移为577mm,风 荷载下相对竖向位移为863mm,均满足《索结构技术规程》JGJ 257中的变形限值要求,即结 构具有足够大的面外刚度。
[0049] 由于采用了以上技术方案,本发明实现了对双层车幅式预应力索穹顶结构的改 造,拓展预应力索穹顶结构的实现形式,丰富该结构类型的建筑表现内容,所形成的张拉体 系受力合理、施工方便,同时可大大节约建筑材料。
[0050] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,本 领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,均落在本发 明的保护范围内。

Claims (6)

1. 钻石型索穹顶结构,其特征在于,包括内环索、外环索、中环交叉索、外脊索、外谷索、 内谷索、外径向索、内径向索、外环梁,以及分别沿所述内环索、外环索、中环交叉索所在的 圆周均匀设置的内环撑杆、外环撑杆和中环撑杆,其中: 所述内环索为上下两层,所述内环撑杆设于两层内环索之间; 所述外环撑杆底端连接在外环梁上,顶端连接所述外环索,相邻的两个外环撑杆中间 为所述外环索锚于外环梁上的锚点; 所述中环撑杆两端连接所述中环交叉索,相邻的两个中环撑杆中间为所述中环交叉索 的交叉节点; 所述内环撑杆、中环撑杆与锚点位置对应,所述交叉节点与外环撑杆位置对应; 所述外脊索在所述外环撑杆顶端与所述交叉节点之间设置; 所述外谷索在所述锚点与所述交叉节点之间设置; 所述内谷索在所述内环撑杆顶端与所述交叉节点之间设置; 所述外径向索在所述中环撑杆顶端与所述锚点之间以及所述中环撑杆底端与所述锚 点之间分别设置; 所述内径向索在所述中环撑杆顶端与所述内环撑杆顶端之间以及所述中环撑杆底端 与所述内环撑杆底端之间分别设置。
2. 根据权利要求1所述的钻石型索穹顶结构,其特征在于,还包括设置在所述外环梁下 的支撑结构。
3. 根据权利要求2所述的钻石型索穹顶结构,其特征在于,所述支撑结构为沿所述外环 梁圆周均匀布置且对称设置的支撑柱。
4. 根据权利要求1所述的钻石型索穹顶结构,其特征在于,所述内径向索和外径向索的 直径不小于所述外脊索、外谷索、内谷索的直径,且不大于所述内环索、外环索的直径。
5. 根据权利要求1所述的钻石型索穹顶结构,其特征在于,所述中环撑杆的高度大于等 于所述内环撑杆的高度。
6. 根据权利要求1所述的钻石型索穹顶结构,其特征在于,还包括覆盖在顶部的PTFE或 PVC张拉膜材。
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