CN111379321A - 一种超大跨度穹顶结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大跨度穹顶结构,包括有共同回转轴的多个变截面跨中双肢空腔巨型拱,变截面跨中双肢空腔巨型拱中的上肢和下肢围成空腔结构,该空腔结构内对称安装有两台消能减振装置;所有变截面跨中双肢空腔巨型拱中的消能减振装置位于同一圆周上;上肢与下肢的分肢处固接有第一环桁架,相邻变截面跨中双肢空腔巨型拱之间的环向间隔内均匀设有至少两根巨型变截面立体桁架,巨型变截面立体桁架上端与第一环桁架固接;第一环桁架上覆盖有第一穹顶表面单层网壳;每个空间上均覆盖有上端与第一环桁架固接的第二穹顶表面单层网壳。该穹顶结构极大的改善了受力性能,使结构刚度均匀、节点构造相对简单,建造过程中不会产生较大的几何非线性变形。

Description

一种超大跨度穹顶结构
技术领域
本发明属于大跨度空间结构技术领域,涉及一种超大跨度整体结构,具体涉及一种跨度800~1000m的超大跨度整体式穹顶结构。
背景技术
为了抵抗飓风、极地、沙漠、气候变化等恶劣的自然条件,保护城市居民免受环境恶化、自然灾害的影响,满足城市发展过程中节能减排的要求等,超大跨度空间结构衍生的“城市穹顶”概念应运而生。
目前对超大跨度结构的体系研究正处于起步阶段,对800~1000m级结构体系选型,基本采用在现有大跨度空间结构体系的基础上进行探索并进行了一些有益的尝试。现有技术中的大跨度空间结构体系可分为刚性结构体系、大型索杆梁张拉空间结构体系、柔性结构体系和充气式膜结构体系。
该几种大跨度空间结构体系实现800~1000m跨度时存在的问题:
刚性结构体系:1)穹顶刚性体系矢跨比不能太大,当矢跨比超过1/3后建造难度会影响体系是否可行。2)双层及多层网壳由于网格较密、杆件细碎,视觉通透性较差,很难满足人们对城市穹顶的需求。3)巨型网格结构一般对半跨荷载非常敏感,整体稳定性一般呈现为半跨下凹,半跨上凸形态,极限载荷承载力较低,这是制约刚性体系发展的主要因素。4)为保证穹顶内的空间最大,特别是边缘部位,结构曲线一般选择半椭圆。由此造成穹顶在跨中部分曲率较大,薄膜应力较小主要呈现为弯曲形态。跨中部分一般呈下凹形态,故很多超大跨度结构在跨中部分常采用弦支穹顶等结构,以提高跨中部分的抗弯刚度。5)等厚度穹顶过分依赖结构的薄膜应力,当遇到冲击、爆炸等荷载造成表面局部破坏时,壳体表面边界条件发生改变,存在整体倒塌风险。
大型索杆梁张拉结构体系:1)在考虑结构初始缺陷的相同条件下,结构弹性稳定承载力相对较高。但弹塑性极限承载力较低,结构稳定性较差。对边界条件敏感,长期使用下索杆构件容易松弛,失去对结构的加强作用,刚性网格初始刚度较低,使得结构极限承载力较低。2)斜拉穹顶结构,结构方案中格构式巨柱高度大,是结构性能的控制因素。如何保证巨柱的建造及巨柱不先于结构整体失稳有待研究。3)当局部断索后,虽然结构具有刚性网格部分但也很难保证结构的整体抗连续倒塌性能。
柔性体系:1)需要的索力巨大,以目前的建造能力基本无法实现。其次建造过程由于初始缺陷几何找形、在荷载作用下找态实现困难。2)单独采用索穹顶构建城市穹顶时,由于径向及环向索的布置会导致结构内部空间使用受限。3)当索失效时,结构抗连续倒塌性能差。4)柔性体系在不均匀温度场作用下,结构刚度变化较大。
充气式膜体系:1)充气膜根据材料性质自身在建筑透光、节能等方面存在优势。但由于其结构特点需要具有足够的压力实现其刚度需求,对实现城市穹顶难度巨大。2)充气式膜结构虽然结构材料较轻,当产生结构整体倒塌时不会对被覆盖结构产生严重的结构损伤,但对于几十万平米的不透气材料压在小型城市上,会因为人员缺氧等问题引起较刚性结构倒塌更具灾难性的后果。
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800~1000m超大跨度的穹顶结构,避免现有结构体系随着跨度增大,受力性能不合理性逐渐突显的缺点。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种超大跨度穹顶结构,包括具有共同回转轴的多个变截面跨中双肢空腔巨型拱,变截面跨中双肢空腔巨型拱由弧形的上肢、弧形的下肢和两个拱肢组成,两个拱肢的上端分别与上肢的两端固接,两个拱肢和上肢构成开口朝下的弧形结构,下肢的开口朝上,下肢的两端分别与上肢的两端固接,上肢与下肢围成空腔结构,该空腔结构内相对于回转轴对称安装有两台消能减振装置;所有变截面跨中双肢空腔巨型拱中的消能减振装置位于同一圆周上;
所有变截面跨中双肢空腔巨型拱构成的基础结构上固接有环形的第一环桁架,第一环桁架位于上肢与下肢的分肢处;拱肢相邻的两个变截面跨中双肢空腔巨型拱之间的环向间隔内均匀设有至少两根巨型变截面立体桁架,该至少两根巨型变截面立体桁架将该环向间隔等分为相同的多个空间;所有巨型变截面立体桁架上端均与第一环桁架固接;第一环桁架上覆盖有第一穹顶表面单层网壳,第一穹顶表面单层网壳与第一环桁架以及所有上肢的上弦固接;
每个空间上均覆盖有第二穹顶表面单层网壳,第二穹顶表面单层网壳的上端与第一环桁架固接,第二穹顶表面单层网壳和巨型变截面立体桁架相接触的部位与该巨型变截面立体桁架固接,第二穹顶表面单层网壳和变截面跨中双肢空腔巨型拱相接触的部位与该变截面跨中双肢空腔巨型拱固接。
本发明超大跨度穹顶结构根据结构形态学的特别创新,使主要受力体系区别于传统超大跨度结构,极大的改善了受力性能,使结构刚度均匀、节点构造相对简单。同时将变截面跨中双肢空腔巨型拱形成的空间提供给整个穹顶结构内部空间的设备用房,使800~1000m超大跨度穹顶结构可以应用于超大空间公共建筑中。该超大跨度穹顶结构具有如下优点:
1)采用变截面跨中双肢空腔巨型拱,可有效改善穹顶结构跨中部分刚度,防止穹顶跨中部分曲率大,薄膜应力较小,呈弯曲状态,跨中部分局部呈下凹状态。
2)在结构形态方面相对于现有技术中的常用体系有较大改进,几何稳定性良好,不会在建造过程中产生较大的几何非线性变形,结构找形、找态简单易行。
3)刚度相对现有常用体系有较大提升,对半跨荷载或局部荷载不敏感,在半跨荷载或局部荷载作用下稳定承载力高,结构整体极限承载力高。
4)具有足够的耗能能力及相应减振消能装置,当结构遭遇超过设防水准的强震、飓风时,能保证具有足够的剩余承载力。
5)穹顶表面采用单层网壳,网格相对稀疏,建筑视觉通透性强。
6)主要受力依靠巨型拱,结构冗余度较高,可有效实现防连续倒塌性能。辅助以刚性环桁架、巨型变截面立体桁架及环桁架可形成竖向多重备用传力体系保证在爆炸、冲击等荷载作用下当局部破坏后可立即进行内力重分布,不对整体结构造成重大影响。
附图说明
图1是本发明超大跨度穹顶结构的三维立体轴侧图。
图2是本发明超大跨度穹顶结构的构成图。
图3是本发明超大跨度穹顶结构变截面跨中双肢空腔巨型拱的立面图。
图4是本发明超大跨度穹顶结构的三维立体剖面图。
图中:1.变截面跨中双肢空腔巨型拱,2.第一环桁架,3.巨型变截面立体桁架,4.第二环桁架,5.第一穹顶表面单层网壳,6.消能减振装置,7.设备用房,8.上肢,9.下肢,10.拱肢,11.第三环桁架,12.第四环桁架,13.第五环桁架,14.第二穹顶表面单层网壳;
L1.穹顶结构跨度,L2.穹顶结构高度,L3.拱脚高度,L4.上肢高度,L5.下肢高度,L6.空腔部位最大净高,L7.双肢部位沿跨度方向长度,L8.减振消能部件沿跨度方向间距。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1~图4所示,本发明超大跨度穹顶结构,包括多个变截面跨中双肢空腔巨型拱1,该多个变截面跨中双肢空腔巨型拱1组成的基础结构类似于撑开的伞骨架,即该多个变截面跨中双肢空腔巨型拱1具有共同回转轴;变截面跨中双肢空腔巨型拱1由弧形的上肢8、弧形的下肢9和两个拱肢10组成,拱肢10的宽度从上往下逐渐变宽,两个拱肢10的上端分别与上肢8的两端固接,两个拱肢10和上肢8构成开口朝下的一体的弧形结构,下肢9的开口朝上,下肢9的两端分别与上肢8的两端固接,上肢8与下肢9围成一个空腔结构,该空腔结构内相对于回转轴对称安装有两台消能减振装置6;所有变截面跨中双肢空腔巨型拱1中的消能减振装置6位于同一圆周上。
所有变截面跨中双肢空腔巨型拱1构成的基础结构上固接有环形的第一环桁架2,第一环桁架2位于上肢8与下肢9的分肢处;拱肢10相邻的两个变截面跨中双肢空腔巨型拱1之间的环向间隔内均匀设有两根巨型变截面立体桁架3,该两根巨型变截面立体桁架3将环向间隔等分为三个空间;所有巨型变截面立体桁架3的上端均与第一环桁架2固接,巨型变截面立体桁架3的高度自下而上逐渐变宽。该基础结构上还固接有第二环桁架4、第三环桁架11、第四环桁架12、第五环桁架13和两个第六环桁架,其中一个第六环桁架位于所有消能减振装置6与上肢8的连接处,另一个第六环桁架位于所有消能减振装置6与下肢9的连接处;第五环桁架13的直径大于第四环桁架12的直径;第二环桁架4与上肢8固接,第三环桁架11与下肢固接,且第二环桁架4位于与上肢8固接的第六环桁架和第一环桁架2之间,第三环桁架11位于与下肢9固接的第六环桁架和第一环桁架2之间;第一环桁架2上覆盖有第一穹顶表面单层网壳5,第一穹顶表面单层网壳5与第一环桁架2以及所有上肢8的上弦固接,所有下肢9的下弦上固接有第三穹顶表面单层网壳15;第三穹顶表面单层网壳15和第一穹顶表面单层网壳5围成设备用房7。
每个空间上均覆盖有第二穹顶表面单层网壳14,第二穹顶表面单层网壳14的上端与第一环桁架2固接,第二穹顶表面单层网壳14还与第四环桁架12和第五环桁架13固接,第二穹顶表面单层网壳14和巨型变截面立体桁架3相接触的部位与该巨型变截面立体桁架3固接,第二穹顶表面单层网壳14和变截面跨中双肢空腔巨型拱1相接触的部位与该变截面跨中双肢空腔巨型拱1固接。
第一环桁架2的杆件与变截面跨中双肢空腔巨型拱1连接。第一环桁架2的投影平面为圆形,外轮廓直径为L7。本实施例中第一环桁架2采用五边形立体桁架。
巨型变截面立体桁架3采用三角形立体桁架或四边形立体桁架。
第二环桁架4、第三环桁架11、第四环桁架12、第五环桁架13和第六环桁架均采用三角形立体桁架或四边形立体桁架。
图2所示的本发明超大跨度穹顶结构的一种实施例中采用6榀三角形立体桁架的变截面跨中双肢空腔巨型拱1。变截面跨中双肢空腔巨型拱1的两端均支承于基础。其几何参数为穹顶结构跨度L1=1000m;穹顶结构高度L2=300m;拱脚高度L3=50m;上肢高度L4=10m;下肢高度L5=10m;空腔部位最大净高L6=60m;双肢部位沿跨度方向长度L7=400m;减振消能部件沿跨度方向间距L8=100m,见图3。变截面跨中双肢空腔巨型拱1变截面部分采用平滑曲线过渡。第一环桁架2、巨型变截面立体桁架3、第二环桁架4、第三环桁架11、第四环桁架12、第五环桁架13和第六环桁架的截面参数根据变截面跨中双肢空腔巨型拱1的几何参数确定,在相同截面时几何高度一致。
本发明超大跨度穹顶结构中变截面跨中双肢空腔巨型拱1的下端和巨型变截面立体桁架3的下端均支承于基础上。
本发明超大跨度穹顶结构的投影平面为直径800m~1000m的圆形。根据不同地区及荷载状况不同,该穹顶机构的几何特性为:矢跨比(L2/L1)为1/3~1/5;变截面跨中双肢空腔巨型拱1的拱肢高度与跨度比值L3/L1为1/250~1/125,巨型变截面立体桁架3支撑于基础部位的高度同拱肢的高度;变截面跨中双肢空腔巨型拱1的空腔部位的矢跨比(L4+L5+L6)/L7为1/12.5~1/10,上肢高跨比L4/L1为1/100~3/200,下肢高跨比L5/L1为1/100~3/200,双肢部位沿跨度方向长度与总跨度比L7/L1为3/10~1/2,消能减振装置沿跨度方向间距与总跨度比L8/L1为1/10~3/20,消能减振装置上下两端必须与上下肢桁架节点处相连。变截面跨中双肢空腔巨型拱1变截面部分采用平滑曲线过渡,相应第一环桁架2、巨型变截面立体桁架3和第二环桁架4的截面参数根据变截面跨中双肢空腔巨型拱几何参数确定,在相同截面时几何高度一致。
变截面跨中双肢空腔巨型拱1、第一环桁架2、巨型变截面立体桁架3以及其它环桁架构成主要结构受力体系。所有变截面跨中双肢空腔巨型拱1所形成的空腔部分具有实际的建筑用途。
本发明超大跨度穹顶结构主要适用于跨度800m~1000m的超大跨度穹顶具有结构形态新颖、结构受力合理、结构矢跨比小、有很强的跨越能力、结构抗连续倒塌能力等优点,同时结构建造简单,具有较强的可实施性。

Claims (4)

1.一种超大跨度穹顶结构,其特征在于,包括具有共同回转轴的多个变截面跨中双肢空腔巨型拱(1),变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)由弧形的上肢(8)、弧形的下肢(9)和两个拱肢(10)组成,两个拱肢(10)的上端分别与上肢(8)的两端固接,两个拱肢(10)和上肢(8)构成开口朝下的弧形结构,下肢(9)的开口朝上,下肢(9)的两端分别与上肢(8)的两端固接,上肢(8)与下肢(9)围成空腔结构,该空腔结构内相对于回转轴对称安装有两台消能减振装置(6);所有变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)中的消能减振装置(6)位于同一圆周上;
所有变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)构成的基础结构上固接有环形的第一环桁架(2),第一环桁架(2)位于上肢(8)与下肢(9)的分肢处;拱肢(10)相邻的两个变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)之间的环向间隔内均匀设有至少两根巨型变截面立体桁架(3),该至少两根巨型变截面立体桁架(3)将该环向间隔等分为相同的多个空间;所有巨型变截面立体桁架(3)上端均与第一环桁架(2)固接;第一环桁架(2)上覆盖有第一穹顶表面单层网壳(5),第一穹顶表面单层网壳(5)与第一环桁架(2)以及所有上肢(8)的上弦固接;
每个空间上均覆盖有第二穹顶表面单层网壳(14),第二穹顶表面单层网壳(14)的上端与第一环桁架(2)固接,第二穹顶表面单层网壳(14)和巨型变截面立体桁架(3)相接触的部位与该巨型变截面立体桁架(3)固接,第二穹顶表面单层网壳(14)和变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)相接触的部位与该变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)固接。
2.如权利要求1所述的超大跨度穹顶结构,其特征在于,所述的该基础结构上还固接有第二环桁架(4)、第三环桁架(11)、第四环桁架(12)、第五环桁架(13)和两个第六环桁架,其中一个第六环桁架位于所有消能减振装置(6)与上肢(8)的连接处,另一个第六环桁架位于所有消能减振装置(6)与下肢(9)的连接处;第二环桁架(4)与上肢(8)固接,第三环桁架(11)与下肢固接,且第二环桁架(4)位于与上肢(8)固接的第六环桁架和第一环桁架(2)之间,第三环桁架(11位于与下肢(9)固接的第六环桁架和第一环桁架(2)之间。
3.如权利要求1所述的超大跨度穹顶结构,其特征在于,所有下肢(9)的下弦上固接有第三穹顶表面单层网壳(15),第三穹顶表面单层网壳(15)和第一穹顶表面单层网壳(5)围成设备用房(7)。
4.如权利要求1所述的超大跨度穹顶结构,其特征在于,所述的超大跨度穹顶结构的矢跨比为1/3~1/5;变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)的拱肢高度与跨度比为1/250~1/125,巨型变截面立体桁架(3)支撑于基础部位的高度同拱肢的高度;变截面跨中双肢空腔巨型拱(1)的空腔部位矢跨比为1/12.5~1/10,上肢(8)高跨比为1/100~3/200,下肢(9)高跨比为1/100~3/200,双肢部位沿跨度方向长度与总跨度比为3/10~1/2,消能减振装置(6)沿跨度方向间距与总跨度比为1/10~3/20。
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