CN109826356A - 一种旋转双曲面葵花型索穹顶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转双曲面葵花型索穹顶。它由环向拉索、斜向上拉索、斜向下拉索、竖向压杆以及连接节点组成；斜向上拉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，其余压杆的下端与斜向下拉索和环向拉索相连，竖向压杆的上端与斜向上拉索和斜向下拉索相连，最外圈斜向下拉索与斜向上拉索固定在结构周边的支座节点上，斜向上拉索相互连接以葵花型方式形成旋转双曲面；结构跨度与结构失高可根据结构造型、使用功能以及承载能力等要求确定。本发明将负高斯曲率索穹顶从现有的马鞍面扩展到了旋转双曲面上，使索穹顶可以应用在更多造型的结构中，葵花型的构造加强了结构的抗扭性能。
Description
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葵花型索穹顶，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正高斯曲率的球壳类索穹顶和负高斯曲率的马鞍面索穹顶，但是全世界在役的索穹顶，均为正高斯曲率的球壳类索穹顶。
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需求，索穹顶这一种高效结构体系无法在更多造型奇特的实际工程中进行推广应用，如当建筑物顶部设计成为双曲面外观时(如部分欧式建筑的塔顶)，结构的跨度较小，但失高较大，针对这类建筑结构，现主要采用砌体结构或混凝土结构等自重较大的结构体系，部分采用钢结构体系来实现，但是结构自重较大的缺点仍没有得到明显改善。如能发明一种新的索穹顶类型直接构造出双曲面造型，那么索穹顶结构质轻高强的优势将会使该类造型结构建造用材大幅下降，下部结构的承重也会大幅下降，由于自重的下降将降低整个结构的设计难度、提高结构的经济效能。所以，本发明提出了一种旋转双曲面葵花型索穹顶，来丰富索穹顶的种类。当索穹顶类型丰富后，索穹顶完全可以应用在外观造型奇特且对结构自重要求较为严格的结构物中(如，建筑物的屋盖、邮轮中的部分顶棚、海上机场、海上城市、海上游乐园以及水上酒店等)，尽可能实现结构的轻型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转双曲面葵花型索穹顶，以实现索穹顶在旋转双曲面造型结构中的应用。
为了达到上述目的，本发明提供了一种旋转双曲面葵花型索穹顶结构。本发明由环向拉索(1)、竖向压杆(2)、斜向上拉索(3)、斜向下拉索(4)与节点(5)组成。
上述的旋转双曲面葵花型索穹顶结构，其中，斜向上拉索(3)相互相连构成的索网形成了旋转双曲面外形。
结构的旋转双曲面外形，由单支双曲线绕竖向轴旋转360度而成，其母线为曲率小于零的单支双曲线，母线也为旋转双曲面的经线，其导线为曲率大于零的圆环，导线也是旋转双曲面的纬线，所以旋转双曲面葵花型索穹顶为一种负高斯曲率索穹顶。
除跨中竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的上端节点(5)均与4根互不共线的斜向上拉索(3)连接，同圈斜向上拉索(3)通过节点(5)首尾相连形成平面投影为折线状的圆环；相邻两圈的斜向上拉索(3)，通过节点(5)相连，构造出了与支座节点(6)数目相等的空间四边形；全部斜向上拉索(3)最终编制成类似向日葵造型的索网，这种葵花型的索网加强了旋转双曲面索穹顶的抗扭性能；
除跨中竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的下端节点(5)与2根斜向下拉索(4)连接，同圈的斜向下拉索(4)首尾相连，在平面投影上呈现为折线圆环状，不同圈的斜向下拉索(4)互不直接相连，平面投影呈折线圆环状的斜向下拉索(4)也加强了旋转双曲面索穹顶结构的抗扭性能；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根不同的环向拉索(1)连接，各圈环向拉索(1)首尾连接形成多边形，其边数与结构的支座节点数相等。
跨中竖向压杆(2)的上端节点(5)仅与斜向上拉索(3)相连，下端节点(5)仅与斜向下拉索(4)相连，所连的斜向上拉索(3)与斜向下拉索(4)的数目相等，均等于结构的支座节点数，跨中竖向压杆(2)的上下端节点(5)由于连接构件较多，其制作难度较其他节点要大。
相同的支座节点(6)上三向铰接了2根斜向上拉索(3)和2根斜向下拉索(4)；2根斜向上拉索(3)的另一端分别连向内一层的两个相邻竖向压杆(2)的上端节点(5)，所有斜向上拉索(3)的首尾端均位于竖向压杆(2)的上端节点(5)或固定节点(6)上；而2根斜向下拉索(4)的另一端分别连向内一层的对应两个相邻竖向压杆(2)的下端节点(5)，除外圈所有斜向下拉索(4)的首尾端分别位于不同竖向压杆(2)的上端与下端。
所述的旋转双曲面葵花型索穹顶结构需要预应力才能成型承担外荷载，无预应力时旋转双曲面葵花型索穹顶为一机构，无法承担外部荷载。
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，其上端与斜向上拉索(3)和斜向下拉索(4)直接相连，其下端与斜向下拉索(4)和环向拉索(1)相连，竖向压杆(2)在成型时保持垂直状态。
上述斜向上拉索(3)、斜向下拉索(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，各单元的内力值大小须经过形态分析后进行确定，且各单元内力值之间的比例与结构的外形、竖向压杆(2)的高度、结构的拓扑有关。
整个结构极对称，斜向上拉索(3)所成旋转双曲面的具体形式须通过找形分析确定，与竖向压杆(2)的高度、环向拉索(1)的圈数、结构的拓扑有关。
上述的旋转双曲面葵花型索穹顶结构，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。
本发明提供的旋转双曲面葵花型索穹顶结构，突破了现有索穹顶结构仅适用于外形曲面为球壳形曲面或马鞍形曲面的现状。本发明不仅具有传统索穹顶结构自重轻、承载力高的优点，同时旋转双曲面葵花型索穹顶结构的出现也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。本发明涉及的旋转双曲面葵花型索穹顶结构可用于多种建筑结构中(包括体育场馆、航站楼、铁路站房等大跨结构)，也可用于对结构自重要求控制比较严格的海洋工程结构中(包括海上机场航站楼、海上城市、水上游乐场与水上酒店等)。
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为本发明未包含斜向上拉索(3)所构成的下部索杆示意图。
图1c为本发明斜向上拉索(3)所构成的葵花型索网示意图。
图1d为本发明加装了覆盖物后的部分结构示意图。
图2a为本发明俯视图。
图2b为本发明仅环向拉索(1)的俯视图。
图2c为本发明仅斜向下拉索(4)的示意图。
图3为本发明加装了覆盖物的三维示意图。
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葵花型索穹顶，解决了传统索穹顶结构只能用于曲面外形为球壳类、马鞍面与柱面这几种类型的局限，达到了在保证索穹顶结构自重轻、承载能力高的基础上，有效拓宽其应用范围的目的。
如图1、图2、图3所示，本发明旋转双曲面葵花型索穹顶，主要由斜向上拉索(3)、斜向下拉索(4)、环向拉索(1)与竖向压杆(2)组成。
如图1、图2、图3所示，除位于跨中的竖向压杆(2)外，其他竖向压杆(2)的上端与斜向上拉索(3)和斜向下拉索(4)相连，下端与斜向下拉索(4)和环向拉索(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多边形。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1、图2、图3所示，最外圈斜向上拉索(3)与斜向下拉索(4)连接在周边的支座上。根据具体的结构造型，支座节点(6)可位于任意多边形的边界上。
如图1、图2与图3所示，全部斜向上拉索(3)、斜向下拉索(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。斜向上拉索(3)、斜向下拉索(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。
本发明旋转双曲面葵花型索穹顶具有受力合理、自重轻的优点；而且，本发明旋转双曲面葵花型索穹顶拓宽了索穹顶结构的应用范围。从而可使索穹顶结构这种高效结构体系，用在更多对自重要求比较严格的结构中(如，海洋工程结构等)。
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 (8)
1.一种旋转双曲面葵花型索穹顶结构，其特征在于，
包含多条环向拉索(1)、多根竖向压杆(2)、多条斜向上拉索(3)、多条斜向下拉索(4)；除跨中的竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的上端与斜向上拉索(3)和斜向下拉索(4)相连，其下端与斜向下拉索(4)和环向拉索(1)相连；跨中的竖向压杆(2)，其上端仅与斜向上拉索(3)相连，其下端仅与斜向下拉索(4)相连。
2.如权利要求1所述旋转双曲面葵花型索穹顶，其特征在于，多条斜向上拉索(3)形成的索网曲面为旋转双曲面，双曲面的母线为单支双曲线，其曲率为负，母线也为旋转双曲面的经线，旋转双曲面的导线为圆环，其曲率大于零，导线也是旋转双曲面的纬线，旋转双曲面葵花型索穹顶为负高斯曲率索穹顶的一种。
3.如权利要求1所述旋转双曲面葵花型索穹顶，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)均与4根互不共线的斜向上拉索(3)连接，同圈斜向上拉索(3)通过节点(5)首尾相连形成平面投影为折线状的圆环；相邻两圈的斜向上拉索(3)，通过节点(5)相连，构造出了与支座节点(6)数目相等的空间四边形；全部斜向上拉索(3)最终编制成葵花型的索网，葵花型的索网加强了旋转双曲面索穹顶的抗扭性能；此外，除跨中竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的上端节点(5)均与2根不同的斜向下拉索(4)连接。
4.如权利要求1所述旋转双曲面葵花型索穹顶，其特征在于，除跨中竖向压杆(2)外，其余竖向压杆(2)的下端节点(5)与2根斜向下拉索(4)连接，同圈的斜向下拉索(4)首尾相连，在平面投影上呈现为折线圆环状，不同圈的斜向下拉索(4)互不直接相连，平面投影呈折线圆环状的斜向下拉索(4)也加强了旋转双曲面索穹顶结构的抗扭性能；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根不同的环向拉索(1)连接，各圈环向拉索(1)首尾连接形成多边形，其边数与结构的支座节点数相等。
5.如权利要求1所述旋转双曲面葵花型索穹顶，其特征在于，跨中竖向压杆(2)的上端节点(5)仅与斜向上拉索(3)相连，下端节点(5)仅与斜向下拉索(4)相连，所连的斜向上拉索(3)与斜向下拉索(4)的数目相等，均等于结构的支座节点数。
6.如权利要求1所述旋转双曲面葵花型索穹顶，其特征在于，相同的支座节点(6)上三向铰接了2根斜向上拉索(3)和2根斜向下拉索(4)。
7.如权利要求1所述旋转双曲面葵花型索穹顶，其特征在于，结构成型时必须通过预张拉的方式，使斜向上拉索(3)、斜向下拉索(4)与环向拉索(1)产生受拉的内力，使竖向压杆(2)产生受压的内力；各单元内力值大小需通过形态分析方法进行确定；不进行预张拉时，旋转双曲面葵花型索穹顶为机构，不能作为承重结构使用。
8.如权利要求1所述旋转双曲面葵花型索穹顶，其特征在于，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，各竖向压杆(2)不能直接相互连接。
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