CN109750780B - 一种旋转双曲面肋环型索穹顶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转双曲面肋环型索穹顶。它由环向拉索、径向上斜索、径向下斜索、竖向压杆以及连接节点组成；径向上斜索首尾相连形成了单支双曲线，全部径向上斜索组成的索网曲面为旋转双曲面，是一种负高斯曲率曲面；除跨中竖向压杆外，其余压杆的下端与径向下斜索和环向拉索相连，上端与径向下斜索和径向上斜索相连，最外圈径向下斜索与径向上斜索固定在结构周边的支座上，整体结构的平面投影呈现为蛛网式的肋环型，结构中竖向压杆不直接相互连接；旋转双曲面肋环型索穹顶的跨度和失高可根据结构造型、使用功能以及承载能力等要求确定；本发明使索穹顶可被具有旋转双曲面外形的结构所采用。

Description

一种旋转双曲面肋环型索穹顶

所属技术领域

本发明涉及一种张拉整体结构形式，具体地说是一种旋转双曲面肋环型索穹顶，应用范围包括建筑物结构、航空航天结构、海洋结构等方面。

背景技术

经过近几十年的发展，各种类型的张拉整体结构在世界各国的建筑结构、航空航天结构、水下仿生鱼结构、人体生物结构中都得到了广泛应用。其中，索穹顶作为张拉整体结构的一种特殊形式，是迄今为止被认为结构效率最好的一种结构体系，现已开发的索穹顶类型有肋环型、Levy型、葵花型与鸟巢型等，这些索穹顶均为类球壳状或者说为正高斯曲率曲面状、马鞍面负高斯曲率曲面状、柱面零高斯曲率曲面状；全世界在役的索穹顶现均为正高斯曲率曲面。

随着建筑物或构筑物功能的提升与外观造型的多样化，现有的索穹顶形式已无法满足建筑与结构造型多样化的发展，索穹顶这种高效结构体系无法在实际工程中进行广泛应用。如当建筑物外观曲面为旋转双曲面时，现已开发的索穹顶结构(一般正高斯曲率形式和负高斯曲率形式)将无法被应用。所以，本发明提出了一种旋转双曲面肋环型索穹顶，来进一步丰富索穹顶的种类。当索穹顶类型丰富后，索穹顶完全可以发挥其轻质高强的特性，应用在更多对结构自重要求较为严格的结构中(如，游轮、海上机场、海上城市、海上游乐园以及水上酒店等海洋工程)。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转双曲面肋环型索穹顶，以实现索穹顶在旋转双曲面结构中的应用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种旋转双曲面肋环型索穹顶结构。本发明由环向拉索(1)、竖向压杆(2)、径向上斜索(3)、径向下斜索(4)和连接节点(5)组成。

上述的旋转双曲面肋环型索穹顶结构，其中，径向上斜索(3)首尾相连构成了单支双曲线，多条单支双曲线对称布置构成的索网形成了旋转双曲面外形。

旋转双曲面肋环型索穹顶结构的曲面外形，其经线的曲率值为负，纬线的曲率值为正，整个曲面属于负高斯曲率曲面中的一种。

其中径向上斜索(3)首尾相连构造出整个旋转双曲面的经线；所述的旋转双曲面肋环型索穹顶结构最外圈径向上斜索(3)与径向下斜索(4)固定于周边的支座节点(6)上。

径向上斜索(3)首尾相连形成的多条单支双曲线将旋转双曲面环向等分，结构中单支双曲线的数目与结构支座节点(6)的数目相等。

支座节点(6)位于旋转双曲面曲面上，旋转双曲面曲面的平面投影形状主要由支座节点(6)的位置和数量决定，为正多边形形状。上述的竖向压杆(2)的长度依据预应力的设计结果确定，各竖向压杆(2)孤立地分散在整个结构中；旋转双曲面肋环型索穹顶结构所形成的旋转双曲面具体形状，与结构的跨度、失高、支座节点(6)的数目、环向拉索(1)的圈数、竖向压杆(2)的高度有关，旋转双曲面形状的改变将影响整个结构的设计参数，旋转双曲面的具体形状必须由形态分析结果确定。

上述的旋转双曲面肋环型索穹顶结构，其中，由径向上斜索(3)首尾连接所组成的索网可以表达旋转双曲面的外形。上述径向上斜索(3)、径向下斜索(4)与环向拉索(1)的内力永远为拉力；竖向压杆(2)的内力永远为压力。

整个结构极对称，在保持径向上斜索(3)所成旋转双曲面不变的基础上，环向拉索(1)的圈数可依据形态分析结果进行调整，结构上部的覆盖物可为柔性的膜面。上述的旋转双曲面肋环型索穹顶结构，其中，所有组成构件可安装长度调节装置，以调整整个构件的长度，同时也可通过长度调节装置来对构件进行预应力的施加。

上述的旋转双曲面肋环型索穹顶结构，其中，竖向压杆(2)由空心圆管或方管制造。

本发明将拓宽索穹顶结构的应用范围。具体优点包括：自重轻、承载能力高、适应旋转双曲面建筑外形的能力好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1a为本发明的三维示意图。

图1b为本发明未包含径向上斜索(3)的下部索杆示意图。

图1c为本发明加装了覆盖物后的部分结构示意图。

图2为本发明俯视图。

图3为本发明侧视图。

图4为本发明中一榀剖面图。

图5为本发明曲面形状的生成示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明为一种旋转双曲面肋环型索穹顶，主要解决了传统索穹顶结构只能用于曲面外形为球壳面、马鞍面、柱面的局限性，达到了将自重轻与承载力高的索穹顶应用到更多实际工程中的目的。

如图1、图2、图3、图4与图5所示，本发明旋转双曲面肋环型索穹顶，主要由径向上斜索(3)、径向下斜索(4)、环向拉索(1)、竖向压杆(2)与连接节点(5)组成。

如图1、图3与图4所示，除跨中竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的上端与2根径向上斜索(3)和1根径向下斜索(4)相连，下端与1根径向下斜索(4)和2根环向拉索(1)连接，环向拉索(1)首尾相连，形成封闭的空间曲线，空间曲线的水平面投影为正多边形，其边数与支座节点(6)的数目相等。在实际结构中环向拉索(1)可按相邻两节点之间的距离制作，也可按整条封闭空间曲线的长度作为一根拉索来制作。结构中环索的圈数依据具体工程的跨度决定。

如图2与图3所示，最外圈径向上斜索(3)与径向下斜索(4)连接在周边的支座节点(6)上。

如图1、图2与图3所示，全部径向上斜索(3)、径向下斜索(4)、环向拉索(1)、竖向压杆(2)组装完毕并固定于周边的支座之后，各根拉索与压杆均需通过长度的改变施加一定的预应力后，整个结构才能进入承载状态，无预应力时该索穹顶为一机构，无法承担外部荷载，这一特性也为旋转双曲面肋环型索穹顶在地面装配，然后通过张拉施加预应力成型这一过程提供了方便。结构成型后竖向压杆(2)保持垂直状态；径向上斜索(3)、径向下斜索(4)与环向拉索(1)的内力永远为拉力；竖向压杆(2)的内力永远为压力。

本发明旋转双曲面肋环型索穹顶具有受力合理、自重轻的优点；而且，本发明旋转双曲面肋环型索穹顶结构拓宽了索穹顶结构的应用范围。从而可使索穹顶这种高效结构体系可用在旋转双曲面结构中。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，上述说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种旋转双曲面肋环型索穹顶，其特征在于，包含多条环向拉索(1)、多根竖向压杆(2)、多条径向上斜索(3)、多条径向下斜索(4)；除跨中的竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的上端与2根径向上斜索(3)和1根径向下斜索(4)相连，其下端与1根径向下斜索(4)和2根环向拉索(1)相连；多条径向上斜索(3)首尾相连形成单支双曲线，曲线曲率小于零；由径向上斜索(3)首尾相连形成的单支双曲线绕竖轴旋转360度形成旋转双曲面，曲面的母线为单支双曲线，母线也为旋转双曲面的经线，曲面的导线为圆环，其曲率大于零，导线也是旋转双曲面的纬线，整个曲面为负高斯曲率空间曲面；多条单支双曲线极对称布置将旋转双曲面环向等分。

2.如权利要求1所述旋转双曲面肋环型索穹顶，其特征在于，除跨中竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的上端节点(5)与2根互不共线的径向上斜索(3)和1根径向下斜索(4)连接；除内圈外，径向上斜索(3)在同圈内互不直接相连；除内圈外，其他径向下斜索(4)独立分散在结构中，互不直接相连；此外，除跨中竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的下端节点(5)均与2根环向拉索(1)和1根径向下斜索(4)连接。

3.如权利要求1所述旋转双曲面肋环型索穹顶，其特征在于，跨中竖向压杆(2)的上端节点(5)仅与径向上斜索(3)相连，下端节点(5)仅与径向下斜索(4)相连，所连的径向上斜索(3)与径向下斜索(4)的数目相等，均等于结构支座节点(6)的数目。

4.如权利要求1所述旋转双曲面肋环型索穹顶，其特征在于，径向上斜索(3)首尾相连形成的单支双曲线，形成曲面的经线，其数量等于结构的支座节点(6)的数目；各圈环向拉索(1)首尾相连形成正多边形，其边数等于结构的支座节点(6)的数目；全部的径向单支双曲线与环向的正多边形，在平面投影上呈现出肋环型。

5.如权利要求1所述旋转双曲面肋环型索穹顶，其特征在于，相同的支座节点(6)上三向铰接了1根径向上斜索(3)与1根径向下斜索(4)。

6.如权利要求1所述旋转双曲面肋环型索穹顶，其特征在于，径向上斜索(3)、径向下斜索(4)与环向拉索(1)的内力永远为拉力；竖向压杆(2)的内力永远为压力；竖向压杆(2)的长度依据预应力的设计结果确定，各竖向压杆(2)独立地分散在整个结构中。

7.如权利要求1所述旋转双曲面肋环型索穹顶，其特征在于，环向拉索(1)的圈数可依据实际情况进行调整，结构上部的覆盖物可为柔性的膜面。