CN108532758B - 一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系 - Google Patents
一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系 Download PDFInfo
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Abstract
一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其包括依次相连的多个外凸形花瓣状结构单元，所述花瓣状结构单元上部通过环梁连接构成整体结构，所述花瓣状结构单元之间依次通过铰接和固接的方式连接，所述铰接为通过可实现自恢复的钢结构铰接装置连接，所述花瓣状结构单元底部连接基础。本发明的结构体系环向耗能，变形协调性好，自重轻，解决了大跨建筑特别是钢结构建筑的多种难题。结构体系中铰接和刚接依次布置形成可呼吸结构实现消纳，使结构在承温度应力时可控制变形，从而既实现结构在重力、风、地震等荷载作用下超静定的空间结构,又能以静定的结构来适应较大的温度应力作用,实现结构的自由伸缩。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构技术领域，特别涉及一种能够释放温度应力，环向耗能减震的双层网壳大跨度结构体系。
背景技术
网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，是以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。网壳结构又包括单层网壳结构、预应力网壳结构、板锥网壳结构、肋环型索承网壳结构、单层叉筒网壳结构等。这些结构既可以用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，特别是超大跨度的建筑，在建筑平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面，在建筑外形上可以形成多种曲面。但是网壳结构在受到风荷载、温差作用等外荷载或附加作用时，需要一定的变形余量来保持其结构的稳定性，现有的大跨度巨型钢结构在运行过程中因大变形常导致钢结构的失稳或失效，存在较大的安全隐患。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种双层网壳大跨度、消纳附加荷载或作用，确保结构稳定的“可呼吸”的环向耗能大跨结构体系。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其包括依次相连的多个外凸形花瓣状结构单元，所述花瓣状结构单元上部通过环梁连接构成整体结构，所述花瓣状结构单元之间依次通过铰接和固接的方式连接，所述铰接为通过可实现自恢复的钢结构铰接装置连接，所述花瓣状结构单元底部连接基础。
进一步地，所述的花瓣状结构单元为8个或4对，相邻两对花瓣状结构单元之间采用铰接连接，每对花瓣状结构单元之间采用固结连接，形成环向的耗能体系。
进一步地，所述的花瓣状结构单元由两个曲线空间管桁架和中间的双层网壳结构组成。所述的曲线空间管桁架以三根钢管为弦杆连接变径向桁架为截面倒三角形空间管桁架，弦杆之间通过腹杆连接固定形成曲线空间管桁架，曲线空间管桁架弦杆为空间圆心坐标点对应的不同曲率半径拟合而成的空间曲线。
进一步地，两个所述曲线空间管桁架两端部连接，两端向中间逐步分离，分离的两曲线空间管桁架之间由双层网壳连接，形成花瓣状结构。
进一步地，所述曲线空间管桁架的两根上弦杆的曲率半径相同，形成竖向回转，两个曲线空间管桁架形成横向回转从而在空间上形成双向回转的花瓣状结构。
进一步地，所述的花瓣状结构单元上部通过V形撑连接基础并通过V形撑将上部荷载传递给基础。
进一步地，所述的钢结构铰接装置包括分别设置在相邻花瓣状结构单元上的设置有弹性橡胶体的基座和活动件，基座为盆式固定支承面，活动件配合伸入盆式固定支承面内，基座和活动件之间留有缝隙。利用被半封闭在钢制盆腔内的弹性橡胶体，在三向受力状态下具有流体性的特点，来实现活动件结构的转动；同时依靠中间钢板上的聚四氟乙烯板与活动件上的不锈钢板的低摩擦系数来实现右部结构的竖直位移，使基座所受的剪切应力不再由橡胶块全部承担，而间接作用于钢制底盆及聚四氟乙烯板与不锈钢板之间的滑移面上。
进一步地，所述的环梁为双层环梁，包括采用三角状连接的上环梁和下环梁，下环梁较上环梁内经大。
本发明的结构体系环向耗能，变形协调性好，自重轻，解决了大跨建筑特别是钢结构建筑的多种难题。结构体系中铰接和刚接依次布置形成可呼吸结构实现消纳。花瓣状结构单元连接处通过合理布置“可呼吸”节点，使结构在承温度应力时可控制变形，从而既实现结构在重力、风、地震等荷载作用下超静定的空间结构,又能以静定的结构来适应较大的温度应力作用,实现结构的自由伸缩。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为一对花瓣状结构单元结构示意图；
图3为单个空间桁架结构示意图；
图4为钢结构铰接装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1、2所示的一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其包括依次相连的多个外凸形花瓣状结构单元1，所述花瓣状结构单元1上部通过环梁2连接构成整体结构，所述花瓣状结构单元1之间依次通过铰接和固接的方式连接，所述铰接为通过可实现自恢复的钢结构铰接装置3连接，所述花瓣状结构单元1底部连接基础。
进一步地，所述的花瓣状结构单元1为8个或4对，相邻两对花瓣状结构单元1之间采用铰接连接，每对花瓣状结构单元1之间采用固结连接，形成环向的耗能体系，在承受风荷载、地震荷载等动荷载时，该结构体系可适当变形产生位移吸收能量。
进一步地，所述的花瓣状结构单元1由两个相同结构的曲线空间管桁架11和中间的双层网壳结构12组成。如图2、3所示，曲线空间管桁架11是以钢管为最基本的杆系单元，三根钢管111为弦杆连接内凹形的变径向桁架为截面倒三角形空间管桁架，即图3所示的曲线空间管桁架上半部分截面为倒三角形，三根钢管111下端部连接并从下端部向上逐步分离至保持一定距离，上部两根弦杆至上端部连接，三根弦杆之间通过呈三角形排布的腹杆112连接固定形成曲线空间管桁架11，曲线空间管桁架弦杆为空间圆心坐标点对应的不同曲率半径拟合而成的空间曲线。所述两边的曲线空间管桁架11上下两端部连接，两端向中间逐步分离，分离的两曲线空间管桁架11之间由双层网壳结构12连接，形成花瓣状结构。
进一步地，所述曲线空间管桁架11的两根上弦杆的曲率半径相同，形成竖向回转，下弦杆与上弦杆曲率相似，并通过腹杆112连接各弦杆形成稳固的曲线空间管桁架11；两个曲线空间管桁架11形成横向回转从而在空间上形成双向回转的花瓣状结构，对结构的抗扭和抗压均有利。
进一步地，所述的双层网壳结构12以曲线空间管桁架11的上弦杆为外弦杆，曲线空间管桁架11的下弦杆为内弦杆，两个曲线空间管桁架11上的内弦杆、外弦杆之间以腹杆121相连；具体的，所述的双层网壳结构12包括内弦杆、外弦杆和连接内弦杆之间、外弦杆之间及内弦杆和外弦杆之间的腹杆121。如图2所示，外弦杆上部与上环梁21连接、下部与基础连接、两个曲线空间管桁架11上的外弦杆之间通过腹杆121连接组成外层网壳，内弦杆上部与下环梁22连接、下部与基础连接、两个曲线空间管桁架11上的内弦杆之间通过腹杆121连接组成内层网壳，两层网壳之间通过腹杆121连接，从而形成具有受力合理、结构性能优异、形式简洁美观、经济实用的局部双层网壳结构形式。
倒三角形空间管桁架从受力状态来讲，上部两根弦杆处于受拉状态，下部一根弦杆处于受压状态，从稳定性程度来讲，上部两根弦杆形成二维平面体系，加上下部的一根弦杆形成三维立体结构，解决了失稳问题，因而倒三角形截面形式更加合理；通过三根杆件间的连接将上部两根弦杆受到的力传递给腹杆，同时一个花瓣状结构单元中两个腹杆将受到的力通过V形撑4传递给下部结构。同时曲线空间管桁架因为自身与基础呈一定交角，把力传递给基础，实现了单个花瓣状结构单元的结构稳定性。
进一步地，所述的花瓣状结构单元1上部通过V形撑4连接基础并通过V形撑将上部荷载传递给基础。
进一步地，如图4所示，所述的钢结构铰接装置包括分别设置在相邻花瓣状结构单元1上的设置有弹性橡胶体的基座31和活动件32，活动件32由依次连接的右顶板321、不锈钢板322、平面聚四氟乙烯板323、中间钢板324组成；基座31为盆式固定支承面，由球面聚四氟乙烯板311、橡胶密封圈312、左顶板313组成；所述的球面聚四氟乙烯板311为内凹盆式结构，所述中间钢板324为与内凹盆式结构配合的外凸形结构，所述活动件32通过中间钢板324与基座31的球面聚四氟乙烯板311不接触的设置在一起，中间钢板324与基座31的球面聚四氟乙烯板311之间的缝隙中设置有弹性橡胶体33。利用被半封闭在钢制盆腔内的弹性橡胶体33，在三向受力状态下具有流体性的特点，来实现活动件32结构的转动，由于活动件32与左边基座31可活动的连接在一起，类似于关节的仿生结构，活动件32可以在外力作用下进行转动；所述平面聚四氟乙烯板323与中间钢板324之间采用榫接，所述中间钢板324与平面聚四氟乙烯板323接触一侧设置有凹槽，平面聚四氟乙烯板323嵌入中间钢板324的凹槽内从而形成竖向的滑移面；依靠中间钢板324上的聚四氟乙烯板与活动件32上的不锈钢板322的榫接产生的低摩擦系数来实现右部结构的竖直位移，使基座所受的剪切应力不再由弹性橡胶体全部承担，而间接作用于中间钢板324与聚四氟乙烯板323之间的滑移面上。橡胶密封圈312的作用为防止灰尘侵入聚四氟乙烯板表面，影响支座的滑动性能。
进一步地，所述的环梁2为双层环梁，包括采用三角状连接的上环梁21和下环梁22，下环梁22较上环梁21内经大。
具体的，该结构体系由八片成中心对称的花瓣状结构单元1组成，从上至下的连接方式依次为：双层环梁采取的是三角状连接，增强了环梁之间的强度，下环梁22较上环梁21大，两环梁不在同一垂直面上保证了传力的可行性。花瓣状结构单元1与之上的双层环梁2采取固结的形式，使整个结构体系有足够的强度和稳定性。花瓣状结构单元1与花瓣状结构单元1之间采取铰接-固结-铰接-固结-铰接-固结-铰接-固结相交替的连接方式，使整个结构具有自恢复功能。花瓣状结构单元1的底部与基础刚性连接，保证了整体的稳定性。单个花瓣状结构单元1由两组空间管桁架11以及中间的双层网壳结构12组成。如图3所示，一组空间管桁架由三个面组成，每个面上分别由杆件交叉连接构成使得每个面都组成三角形，使桁架结构整体性和稳定性有了较大的提高。两组桁架之间的双层网壳结构12是由三角形组成的。
当整体结构承受附加的温度应力时，两对花瓣状结构单元1之间的铰接连接处可产生适度位移，吸收能量；卸载后，在网壳边缘和“可呼吸”铰接节点处摩擦力的作用下，整体结构体系回位，从而实现结构的可呼吸。此外，网壳与基础相连的V形撑使整个结构体系具有足够的刚度，并将上部荷载传递给基础。
本发明的双层网壳大跨度可呼吸结构体系作为一种新型的空间结构体系,具有刚度大、用钢量小、施工方便、经济环保性能，丰富了建筑物的立体效果等特点；相对于平面桁架，空间桁架的侧向稳定性和抗扭刚度有了很大的提高，在很大程度上减少了侧向支撑的布置；本发明采用倒三角形截面的空间桁架，从受力状态来讲，上部两根弦杆处于受拉状态，下部一根弦杆处于受压状态，从稳定性程度来讲，上部两根弦杆形成二维平面体系，加上下部的一根弦杆形成三维立体结构，解决了失稳问题，因而倒三角形截面形式更加合理；通过三根杆件间的连接将上部两根弦杆受到的力传递给与四叉V形撑3连接的腹杆，同时一个花瓣状结构单元中两个腹杆将受到的力通过四叉V形撑3传递给下部结构。同时曲线空间管桁架因为自身与基础呈一定交角，通过弦杆把力传递给基础，实现了单个花瓣状结构单元的结构稳定性。
Claims (6)
1.一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其特征在于：包括依次相连的多个外凸形花瓣状结构单元，所述花瓣状结构单元上部通过环梁连接构成整体结构，所述花瓣状结构单元之间依次通过铰接和固接的方式连接，所述铰接为通过可实现自恢复的钢结构铰接装置连接，所述花瓣状结构单元底部连接基础；
所述的花瓣状结构单元为4对，相邻两对花瓣状结构单元之间采用铰接连接，每对花瓣状结构单元之间采用固结连接，形成环向的耗能体系；
所述的花瓣状结构单元由两个曲线空间管桁架和中间的双层网壳结构组成；
两个所述曲线空间管桁架两端部连接，两端向中间逐步分离，分离的两曲线空间管桁架之间由双层网壳连接，形成花瓣状结构；
所述的钢结构铰接装置包括分别设置在相邻花瓣状结构单元上的设置有弹性橡胶体的基座和活动件，基座为盆式固定支承面，活动件配合伸入盆式固定支承面内，基座和活动件之间留有缝隙，缝隙中填充弹性橡胶体，利用被半封闭在钢制盆腔内的弹性橡胶体，来实现活动件结构的转动。
2.根据权利要求1所述的一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其特征在于：所述的曲线空间管桁架以三根钢管为弦杆连接变径向桁架为截面倒三角形空间管桁架，弦杆之间通过腹杆连接固定形成曲线空间管桁架，曲线空间管桁架弦杆为空间圆心坐标点对应的不同曲率半径拟合而成的空间曲线。
3.根据权利要求1所述的一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其特征在于：所述的双层网壳以曲线空间管桁架的上弦杆为外弦杆，曲线管桁架的下弦杆为内弦杆，两个曲线管桁架上的内弦杆、外弦杆之间以腹杆相连。
4.根据权利要求2所述的一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其特征在于：所述曲线空间管桁架的两根上弦杆的曲率半径相同，形成竖向回转，两个曲线空间管桁架形成横向回转从而在空间上形成双向回转的花瓣状结构。
5.根据权利要求1所述的一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其特征在于：所述的花瓣状结构单元上部通过V形撑连接基础并通过V形撑将上部荷载传递给基础。
6.根据权利要求1所述的一种双层网壳大跨度环向耗能结构体系，其特征在于：所述的环梁为双层环梁，包括采用三角状连接的上环梁和下环梁，下环梁较上环梁内经大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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