CN109629734A - 双曲外环cfrp多层条带索交错索网结构 - Google Patents

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田学帅
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Abstract

本发明公开了一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，适用于空间结构领域，包括一个双曲型外环和CFRP多层条带索两两交错形成的索网结构体系。CFRP多层条带索锚固于双曲外环上，CFRP多层条带索之间采用索夹夹持。由于外环为双曲型，使得某些CFRP多层条带索向下凸起形成承重索，抵抗向下的荷载，如自重和雪荷载；另一些CFRP多层条带索向上凸起形成稳定索，抵抗向上的风吸力。该结构可以节约用索量，减轻结构自重，使结构更加轻盈、经济；采用CFRP多层条带索两两交错形成的单层索网，在结构美学上具有创新性；不设置内环，无关键节点，结构内力在各CFRP多层条带索和节点处分布较为平均，结构抗连续倒塌能力强、鲁棒性好。

Description

双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构
技术领域
本发明是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，属于一种新型的单层索网结构体系，主要适用于空间结构领域，如体育场、体育馆等。
背景技术
索网结构是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，主要应用于建筑工程中。为了最大可能地形成室内无柱的大空间，以满足容纳比赛场地、大型展示和飞机的需要，像体育场、体育馆、展览馆和飞机库这样的大跨度建筑也广泛采用索网结构。目前，索网结构所用的拉索主要是高强钢索。但钢索容易锈蚀，且自重过大，无法满足结构日益发展的需求。
CFRP是一种先进的复合材料，具有高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优良性质，适合于被制成拉索用于索网结构中替代钢拉索。但CFRP拉索不容易锚固，抗弯折能力较弱。
为了满足大空间、大跨度、提高结构耐久性等的要求，同时为了使结构变的更加安全和轻盈，本文提出了一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构。
发明内容：
本发明的目的是为了解决目前存在的建筑跨度受限制和抗倒塌能力不足的问题，提出了一种一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构形式。
它包括一个双曲型外环和CFRP多层条带索两两交错形成的索网结构体系。所述CFRP多层条带索网可根据需要设置成葵花型、方格型或不规则型，不设置内环。CFRP多层条带索锚固于双曲外环上，CFRP多层条带索之间采用索夹来夹持。由于外环为双曲型，使得某些CFRP多层条带索向下凸起形成承重索，抵抗向下的荷载，如自重和雪荷载；另一些CFRP多层条带索向上凸起形成稳定索，抵抗向上的风吸力。所采用的CFRP多层条带索由多层厚度为0.1毫米的CFRP条带叠合制成，在索截面积相同的情况下，弯曲刚度远小于CFRP片材型、绞线型或棒材型拉索，非常适合本发明中拉索弯曲程度较大的情况。该双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构由于采用了CFRP作为拉索，相较于采用传统的钢拉索，可以节约用索量，减轻结构自重，使结构更加轻盈、经济；采用条带索两两交错形成的单层索网，在结构美学上具有创新性；不设置内环，无关键节点，结构内力在各CFRP多层条带索和节点处分布较为平均，结构抗连续倒塌能力强、鲁棒性好。
一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构形成的过程是：
葵花型：先由双曲型环公式确定边曲线，形成双曲型曲面，然后CFRP多层条带索的曲线用其实就是双曲型曲面与虚内环的外法线沿竖直方向扫略形成的竖直平面的交线段，且交线段的两个端点在双曲型外环曲线上，交线段都是空间曲线。交线段表示的就是CFRP多层条带索的中心轴。
方格型：先由双曲型环公式确定边曲线，形成双曲型曲面，然后CFRP多层条带索的曲线是把该双曲型曲面沿纵向和横加进行等间距(竖向投影长度相等)分割，从而形成方格型布置方式。
不规则型：先由双曲型环公式确定边曲线，形成双曲型曲面，然后CFRP多层条带索的曲线是把该双曲型曲面做任意分割，从而形成不规则型布置方式。
双曲外环曲线公式如下，其实就是双曲曲面和圆柱形曲面的交线，原点就是双曲外环曲线的中心点(同样也是双曲曲面的中心点)。式中，q是一个大于1的实数，表示双曲外环曲线在z轴方向的弯曲程度，q越小表示曲线越弯曲，q越大曲线越扁平；r是圆柱形的半径，即双曲外环曲线在xoy平面内正投影曲线(为一个圆环)的半径。
CFRP多层条带索中心线的曲线方程，对于规则型中的葵花型，其实就是双曲曲面与相切于虚拟内环的竖直平面的交线段，且交线段的两个端点在双曲外环曲线上。其公式如下：
且其端点满足：
式中，q,r的定义同双曲外环曲线公式，是相切于虚拟内环的竖直平面的公式，r0是虚拟内环在xoy平面内正投影曲线(为一个圆环)的半径，(x0,y0)是该正投影曲线(为一个圆环)上的点。
CFRP多层条带索中心线的曲线方程，对于规则型中的方格型，其实就是双曲曲面与相交于圆柱形曲面的与x轴平行(或重合)的竖直平面或与y轴平行(或重合)的竖直平面的交线段，且交线段的两个端点在双曲外环曲线上。其公式如下：
且其端点满足：
或者
且其端点满足：
式中，w为任意实数，表示方格的宽度，i是任意自然数，只需满足|iw|＜r，r是圆柱形的半径，即双曲外环曲线在xoy平面内正投影曲线(为一个圆环)的半径。
CFRP多层条带索中心线的曲线方程，对于不规则型，其实就是双曲曲面与相交于圆柱形曲面的竖直平面的交线段，且交线段的两个端点在双曲外环曲线上公式如下为：
且其端点满足：
式中，a,b,c为任意实数(只需满足)，r是圆柱形的半径，即双曲外环曲线在xoy平面内正投影曲线(为一个圆环)的半径。
施工过程：本结构边梁组装拼接完成，然后在地面把全部CFRP多层条带索组装完成，然后提升至预定高度，分批分步张CFRP多层条带索，最终锚固于双曲型外环的边梁上。
从结构体系的受力性能分析来看，每根CFRP多层条带索可以在不借助其他CFRP多层条带索的情况下承担来自外界的荷载，因此不会因为其他某根CFRP多层条带索发生撕裂而退出工作，具有很好地抗连续性倒塌性能。
所述的结构体系内的构件全部采用受拉构件，充分利用CFRP多层条带索优良的抗拉性能，经济性显著。
本发明的一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，具有结构构件体系优越、抗连续倒塌能力强、鲁棒性好、结构轻盈、美观、经济性好等优点。
附图说明
图1是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构葵花型三维图
图2是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构葵花型俯视图
图3是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构方格型三维图
图4是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构方格型俯视图
图5是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构不规则型三维图
图6是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构不规则型俯视图
图7是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构葵花型形成过程
图8是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构方格型形成过程
图9是一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构不规则型形成过程
图10是CFRP多层条带索三维示意图
图11是CFRP多层条带索截面图
1、外环
2、CFRP多层条带索(承重索)
3、CFRP多层条带索(稳定索)
4、索网节点
具体实施方式：
一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，属于一种新型索网结构体系，主要适用于空间结构领域。包括一个双曲型外环和CFRP多层条带索型拉索两两交错形成的索网结构体系。所述CFRP多层条带索索网可根据需要设置成葵花型、方格型或不规则型，不设置内环。CFRP多层条带索锚固于双曲型外环上，多层条带索之间采用夹具夹持。由受压的双曲型外环抵抗CFRP多层条带索产生的拉力。一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，具有结构构件布置合理、抗连续倒塌能力强、鲁棒性好、结构轻盈、美观、经济性好等优点。
具体操作：本结构边梁组装拼接完成，然后在地面把全部CFRP多层条带索组装完成，然后提升至预定高度，分批分步张CFRP多层条带索，最终锚固于双曲型外环的边梁上。

Claims (4)

1.一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，其特征在于：一个双曲型外环和CFRP多层条带索两两交错形成的索网结构体系；设置成葵花型、方格型或不规则型，且不设置内环；CFRP多层条带索锚固于双曲型外环上，CFRP多层条带索之间采用索夹夹持。
2.根据权利要求1所述的一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，其特征在于：
采用双曲型外环，方程为
式中，q是一个大于1的实数，表示双曲型外环曲线在z轴方向的弯曲程度，q越小表示曲线越弯曲，q越大曲线越扁平；r是圆柱形的半径，即双曲型外环曲线在xoy平面内正投影曲线的半径。
3.根据权利要求1所述的一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构，其特征在于：
CFRP多层条带索两两交错，形成如下三种形式的空间索网：
葵花型：先由双曲型环公式确定边曲线，形成双曲型曲面，然后CFRP多层条带索的曲线用其实就是双曲型曲面与虚内环的外法线沿竖直方向扫略形成的竖直平面的交线段，且交线段的两个端点在双曲型外环曲线上，交线段都是空间曲线；交线段表示的就是CFRP多层条带索的中心轴；
方格型：先由双曲型环公式确定边曲线，形成双曲型曲面，然后CFRP多层条带索的曲线是把该双曲型曲面沿纵向和横加进行等间距分割，从而形成方格型布置方式；
不规则型：先由双曲型环公式确定边曲线，形成双曲型曲面，然后CFRP多层条带索的曲线是把该双曲型曲面做任意分割，从而形成不规则型布置方式。
4.安装如权利要求1-3所述的一种双曲外环CFRP多层条带索交错索网结构的方法，其特征在于：本结构边梁组装拼接完成，然后在地面把全部CFRP多层条带索组装完成，然后提升至预定高度，分批分步张CFRP多层条带索，最终锚固于双曲型外环的边梁上。
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