CN107724585B - 一种开口式超大跨度索穹顶结构 - Google Patents

一种开口式超大跨度索穹顶结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开口式超大跨度索穹顶结构，由内环桁架、外压环梁和索杆体系构成；所述索杆体系包括环索、撑杆、内圈索系和外圈索系；所述内环桁架、环索、外压环梁由内向外同轴布置；所述撑杆沿环向均匀布置，所述撑杆支撑于所述环索上、并与所述环索相交于撑杆下节点；所述内圈索系包括两端分别与内环桁架和撑杆相连接的内脊索和内斜索；所述外圈索系包括两端分别与撑杆和外压环梁相连接的外脊索和外斜索。本发明避免了网壳结构、悬挑桁架结构杆件较多的缺点，同时避免了索网结构支承受力大等问题，使结构刚度均匀、节点构造相对简单，同时将封闭式的索穹顶成为开口式，使索穹顶这一全张拉自平衡结构体系能应用于体育场建筑屋盖结构中。

Description

一种开口式超大跨度索穹顶结构
技术领域
本发明涉及建筑结构领域，涉及一种大跨场馆建筑屋盖结构，更具体地说涉及一种开口式超大跨度索穹顶结构。
背景技术
索穹顶结构起源于建筑大师Fuller提出的张拉整体思想，是一种由拉索和压杆组成的大跨度自应力空间结构体系，结构简洁、美观、高效，在大跨度建筑尤其是体育场馆中得到越来越多的应用。
索穹顶体系大多用于大跨度封闭式建筑结构，而较少应用于体育场等需要大开口的建筑屋盖结构中。
目前已建和在建的体育场屋盖常用的结构形式主要有网壳结构、悬挑桁架和索网结构三种。其中网壳结构刚度大，跨越能力大，受力比较合理，且造型丰富多彩，但网壳结构一般杆件较多结构美观性较差；悬挑桁架结构无端部支承构件、视野开阔、空间布置灵活，但需要通过设置较多的杆系以提高结构整体性；索网结构自重轻，可以较为经济地跨越很大的空间，且形式多样、布置灵活，但该体系的边缘构件或支承受力较大，需要更大的截面，浪费材料。另外，由于单根拉索过长会导致结构不易实现，因此目前体育场屋盖宽度均在30m左右。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种适用于超大跨度体育场屋盖结构的开口式索穹顶结构，避免了网壳结构、悬挑桁架结构杆件较多的缺点，同时避免了索网结构支承受力大等问题，使结构刚度均匀、节点构造相对简单，同时将封闭式的索穹顶中间部分去掉使之成为开口式，使索穹顶这一全张拉自平衡结构体系能应用于体育场建筑屋盖结构中。
本发明所采用的技术方案是：一种开口式超大跨度索穹顶结构，由内环桁架、外压环梁和索杆体系构成；所述索杆体系包括环索、撑杆、内圈索系和外圈索系；所述内环桁架、环索、外压环梁由内向外同轴布置；所述撑杆沿环向均匀布置，所述撑杆支撑于所述环索上、并与所述环索相交于撑杆下节点；所述内圈索系包括内脊索和内斜索；所述内脊索呈辐射状沿环向均匀布置，所述内脊索的一端在内环桁架的中心直腹杆上节点与所述内环桁架相连接，另一端在撑杆上节点与所述撑杆相连接；所述内斜索呈辐射状沿环向均匀布置，所述内斜索的一端在内环桁架的中心直腹杆下节点与所述内环桁架相连接，另一端在撑杆下节点与所述撑杆相连接；所述外圈索系包括外脊索和外斜索，所述外脊索呈三角形沿环向均匀布置，所述外脊索的一端张拉于所述撑杆上、并在撑杆上节点与所述撑杆相连接，另一端张拉于所述外压环梁上、并与所述外压环梁相交于环梁节点；所述外斜索呈三角形沿环向均匀布置，所述外斜索的一端张拉于所述撑杆上、并在撑杆下节点与所述撑杆相连接，另一端张拉于所述外压环梁上、并在环梁节点与所述外压环梁相连接。
索穹顶结构的平面投影为空心圆环或空心椭圆环。
所述索穹顶结构的平面投影的长轴外侧直径至少为300m、短轴外侧直径至少为250m、长轴方向环宽和短轴方向环宽均至少为50m。
所述外压环梁支承于下部主体结构上。
所述索杆体系内设有至少一圈环索和至少一圈撑杆。
每根所述内斜索分别与对应的内脊索位于同一竖直平面内；每根所述外斜索分别与对应的外脊索位于同一竖直平面内。
所述环梁节点处采用锚具将所述外脊索和所述外斜索锚固在所述外压环梁上。
所述中心直腹杆上节点处和所述中心直腹杆下节点处在所述内环桁架上分别设置耳板，所述内脊索和所述内斜索通过所述耳板与所述内环桁架相连接。
所述撑杆上节点和所述撑杆下节点采用扁圆柱形节点，沿各索张拉成形方向分别设置有耳板，所述内脊索、所述内斜索、所述外脊索和所述外斜索通过所述耳板与所述撑杆相连接。
所述内脊索、所述内斜索、所述外脊索、所述外斜索和所述环索采用平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳；所述撑杆采用方钢管或圆钢管。
本发明的有益效果是：
(1)本发明开口式超大跨度索穹顶结构的索系、撑杆和外压环梁互锁，为全张拉自平衡结构体系，对下部结构要求较少；
(2)本发明开口式超大跨度索穹顶结构的整个结构主要由预应力提供刚度，屋盖可以设计得很轻，从而获得较大的跨度；
(3)本发明开口式超大跨度索穹顶结构的工作性能一来自身的形状，通过形态分析找到结构的合理形态后，将具有很好的力学性能；
(4)本发明开口式超大跨度索穹顶结构刚度分布均匀、节点构造相对简单，；
(5)本发明开口式超大跨度索穹顶结构的杆件数量相对于其他大跨度结构少，大大减小用钢量的同时使结构更加简洁美观；
(6)本发明开口式超大跨度索穹顶结构的顶部受张力成形，屋顶材料可自由选择，并非一定使用膜材，这使得建筑可以更好地与周围环境相融合。
附图说明
图1：本发明一种开口式超大跨度索穹顶结构的三维立体轴侧图；
图2：本发明一种开口式超大跨度索穹顶结构的索杆体系布置平面图；
图3：本发明一种开口式超大跨度索穹顶结构的立面图；
图4：本发明一种开口式超大跨度索穹顶结构的剖面图。
附图标注：1、内环桁架；2、外压环梁；3、撑杆；4、环索；5、内脊索；6、内斜索；7、外脊索；8、外斜索；9、撑杆下节点；10、撑杆上节点；11、中心直腹杆上节点；12、中心直腹杆下节点；13、环梁节点；L1、长轴外侧直径；L2、短轴外侧直径；L3、长轴方向环宽；L4、短轴方向环宽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如附图1至图4所示，一种开口式超大跨度索穹顶结构，由内环桁架1、外压环梁2和索杆体系构成。
所述内环桁架1为桁架式结构，由上弦构件、下弦构件、中心直腹杆、中心斜拉杆构成；所述中心直腹杆沿环向均匀布置，位于所述上弦构件和所述下弦构件之间，并与所述上弦构件相交于中心直腹杆上节点11、与所述下弦构件相交于中心直腹杆下节点12；所述中心斜拉杆布置在相邻中心直腹杆之间，呈“X”型布置，与相邻中心直腹杆分别相交于中心直腹杆上节点11和中心直腹杆下节点12。
所述外压环梁2支承于下部主体结构上。
所述索杆体系包括环索4、撑杆3、内圈索系和外圈索系。所述索杆体系内设有至少一圈环索4和至少一圈撑杆3。所述内环桁架1、环索4、外压环梁2由内向外同轴布置；所述撑杆3沿环向均匀布置，所述撑杆3支撑于所述环索4上、并与所述环索4相交于撑杆下节点9。
所述内圈索系包括内脊索5和内斜索6；所述内脊索5呈辐射状沿环向均匀布置，所述内脊索5的一端在中心直腹杆上节点11与所述内环桁架1相连接，另一端在撑杆上节点10与所述撑杆3相连接；所述内斜索6呈辐射状沿环向均匀布置，所述内斜索6的一端在中心直腹杆下节点12与所述内环桁架1相连接，另一端在撑杆下节点9与所述撑杆3相连接。每根所述内斜索6分别与对应的内脊索5位于同一竖直平面内。
所述外圈索系包括外脊索7和外斜索8，所述外脊索7呈三角形沿环向均匀布置，所述外脊索7的一端张拉于所述撑杆3上、并在撑杆上节点10与所述撑杆3相连接，另一端张拉于所述外压环梁2上、并与所述外压环梁2相交于环梁节点13；所述外斜索8呈三角形沿环向均匀布置，所述外斜索8的一端张拉于所述撑杆3上、并在撑杆下节点9与所述撑杆3相连接，另一端张拉于所述外压环梁2上、并在环梁节点13与所述外压环梁2相连接。每根所述外斜索8分别与对应的外脊索7位于同一竖直平面内。
所述中心直腹杆上节点11处和所述中心直腹杆下节点12处在所述内环桁架1上分别设置耳板，所述内脊索5和所述内斜索6通过所述耳板与所述内环桁架1相连接。所述环梁节点13处采用锚具将所述外脊索7和所述外斜索8锚固在所述外压环梁2上。所述撑杆上节点10和所述撑杆下节点9采用扁圆柱形节点，沿各索张拉成形方向分别设置有耳板，所述内脊索5、所述内斜索6、所述外脊索7和所述外斜索8通过所述耳板与所述撑杆3相连接。
所述内脊索5、所述内斜索6、所述外脊索7、所述外斜索8和所述环索4采用平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳；所述撑杆3采用方钢管或圆钢管。本实施例中，所述环索4采用高强钢丝束，所述撑杆3采用强度Q345的圆钢管。
本发明一种开口式超大跨度索穹顶结构的平面投影为空心圆环或空心椭圆环，所述索穹顶结构的平面投影的长轴外侧直径L1至少为300m、短轴外侧直径L2至少为250m、长轴方向环宽L3和短轴方向环宽L4均至少为50m。
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 (7)

1.一种开口式超大跨度索穹顶结构，其特征在于，由内环桁架、外压环梁和索杆体系构成；所述索杆体系包括环索、撑杆、内圈索系和外圈索系；所述内环桁架、环索、外压环梁由内向外同轴布置；所述撑杆沿环向均匀布置，所述撑杆支撑于所述环索上、并与所述环索相交于撑杆下节点；
所述内圈索系包括内脊索和内斜索；所述内脊索呈辐射状沿环向均匀布置，所述内脊索的一端在内环桁架的中心直腹杆上节点与所述内环桁架相连接，另一端在撑杆上节点与所述撑杆相连接；所述内斜索呈辐射状沿环向均匀布置，所述内斜索的一端在内环桁架的中心直腹杆下节点与所述内环桁架相连接，另一端在撑杆下节点与所述撑杆相连接；
所述外圈索系包括外脊索和外斜索，所述外脊索呈三角形沿环向均匀布置，所述外脊索的一端张拉于所述撑杆上、并在撑杆上节点与所述撑杆相连接，另一端张拉于所述外压环梁上、并与所述外压环梁相交于环梁节点；所述外斜索呈三角形沿环向均匀布置，所述外斜索的一端张拉于所述撑杆上、并在撑杆下节点与所述撑杆相连接，另一端张拉于所述外压环梁上、并在环梁节点与所述外压环梁相连接；
所述中心直腹杆上节点处和所述中心直腹杆下节点处在所述内环桁架上分别设置耳板，所述内脊索和所述内斜索通过所述耳板与所述内环桁架相连接；
所述撑杆上节点和所述撑杆下节点采用扁圆柱形节点，沿各索张拉成形方向分别设置有耳板，所述内脊索、所述内斜索、所述外脊索和所述外斜索通过所述耳板与所述撑杆相连接；
所述索穹顶结构的平面投影的长轴外侧直径至少为300m、短轴外侧直径至少为250m、长轴方向环宽和短轴方向环宽均至少为50m。
2.根据权利要求1所述的一种开口式超大跨度索穹顶结构，其特征在于，索穹顶结构的平面投影为空心圆环或空心椭圆环。
3.根据权利要求1所述的一种开口式超大跨度索穹顶结构，其特征在于，所述外压环梁支承于下部主体结构上。
4.根据权利要求1所述的一种开口式超大跨度索穹顶结构，其特征在于，所述索杆体系内设有至少一圈环索和至少一圈撑杆。
5.根据权利要求1所述的一种开口式超大跨度索穹顶结构，其特征在于，每根所述内斜索分别与对应的内脊索位于同一竖直平面内；每根所述外斜索分别与对应的外脊索位于同一竖直平面内。
6.根据权利要求1所述的一种开口式超大跨度索穹顶结构，其特征在于，所述环梁节点处采用锚具将所述外脊索和所述外斜索锚固在所述外压环梁上。
7.根据权利要求1所述的一种开口式超大跨度索穹顶结构，其特征在于，所述内脊索、所述内斜索、所述外脊索、所述外斜索和所述环索采用平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳；所述撑杆采用方钢管或圆钢管。
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