CN111441477A - 一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构 - Google Patents

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孙桐海
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Abstract

本发明涉及大跨度体育场罩棚结构领域，尤其是涉及一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构。该轮辐式索桁架结构包括：径向索桁架以及设置在所述径向索桁架两端的内拉环和外压环；其中，所述径向索桁架由上径向索、下径向索和索桁架撑杆组成；所述内拉环由上环索、下环索、环索撑杆和内环交叉索组成；所述内环交叉索为碳纤维索。本申请在轮幅式索桁架结构的内环索平面内增加碳纤维交叉索；经上述改良后，轮幅式索桁架结构竖向刚度大幅增强，在风荷载等作用下响应明显降低。碳纤维索截面和刚度小，对内拉环索力的影响小，能显著降低索夹不平衡力，简化索夹构造，因而无需增设平衡索等措施解决索夹承载力不足的问题。

Description

一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构
技术领域
本发明涉及大跨度体育场罩棚结构领域，尤其是涉及一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构。
背景技术
在足球场、田径场等体育建筑中，常采用轮辐式索桁架结构作为其屋顶的结构形式。轮辐式索桁架结构主要由径向索桁架、内拉环以及外压环07构成。径向索桁架由上径向索01、下径向索02和索桁架撑杆03构成；内拉环由上环索04、下环索05和环索撑杆06组成，其作用是平衡上、下径向索拉力。外压环07用于承担索桁架拉力，并将屋顶荷载传至下部结构(如图1和图2所示)。索桁架撑杆03与上、下径向索以及环索撑杆06与上、下环索之间均通过索夹连接(如图3和图4所示)，高强螺栓08对索夹和索体施加预压力。当索夹两侧索体拉力不同时，会引起索夹的不平衡力。高强螺栓施加的预压力产生摩擦力，抵抗索夹的不平衡力。当摩擦力大于不平衡力时，索体不会产生滑移；而当摩擦力小于不平衡力时，索体产生滑移，索夹随之失效。如图5所示，上、下环索和环索撑杆组成的网格010形状为矩形，这样的构型竖向刚度小，协调整个屋顶竖向不均匀变形的能力差。在承受较大不均匀动力荷载(如强台风)时，动力荷载可能会激发结构竖向不对称振动模态，产生共振，显著放大结构的内力和变形，危害结构安全。
为解决上述问题，可在内拉环平面内增加内环交叉索09，使上环索04、下环环05、环索撑杆06和内环交叉索09形成竖向桁架(如图6所示)。该桁架具备较强竖向刚度，可提高屋盖抵抗竖向不均匀荷载的能力。工程实践表明，通过增加内环交叉索09，结构整体刚度明显提高，动力响应显著降低。
目前，轮辐式索桁架结构用索为钢索。钢索密度和弹性模量都较大，与钢材的对应参数相近。内拉环交叉索若采用钢索，首先会在结构悬挑端增加较大的重量，对结构设计不利。其次钢索较大的弹性模量会造成上、下环索内力均匀性变差，而相邻网格环索内力的明显差异，会在网格之间的索夹上产生较大不平衡力。这种不平衡力对结构相当不利，在较大荷载作用下，索夹的承载力甚至无法满足不平衡力的要求，须增设平衡索等复杂的措施以抵抗上述过大的不平衡力。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，包括：径向索桁架以及设置在所述径向索桁架两端的内拉环和外压环；其中，
所述径向索桁架由上径向索、下径向索和索桁架撑杆组成；所述内拉环由上环索、下环索、环索撑杆和内环交叉索组成；所述内环交叉索为碳纤维索。
作为一种进一步的技术方案，所述碳纤维索由索体以及固定在所述索体两端的锚具构成。
作为一种进一步的技术方案，所述径向索桁架呈外凸或内凹型。
作为一种进一步的技术方案，所述上径向索和所述索桁架撑杆之间以及所述下径向索和所述索桁架撑杆均通过径向索夹相连，索桁架撑杆通过销轴连接在所述径向索夹的径向索夹耳板上。
作为一种进一步的技术方案，所述上环索和所述上径向索、所述环索撑杆、所述碳纤维索之间以及所述下环索和所述下径向索、环索撑杆、碳纤维索之间均通过环索索夹相连，上径向索或下径向索、环索撑杆和碳纤维索分别通过销轴连接在所述环索索夹的径向索连接耳板、环索撑杆连接耳板以及碳纤维索连接耳板上。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
1.通过碳纤维索加强后，显著提高了结构的整体刚度；屋盖抵抗竖向不均匀荷载的能力得到加强，结构的静力和动力响应显著降低。
2.采用碳纤维索作为内环交叉索，可以降低上、下环索索夹的不平衡力，简化索夹的构造，无需增设平衡索等措施解决索夹承载力不足的问题。
3.采用碳纤维索作为内环交叉索，可以降低悬挑端的重量，减小结构变形和内力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中轮辐式索桁架的结构示意图；
图2为现有技术中径向索桁架的结构示意图；
图3为现有技术中径向索夹与径向索的连接结构示意图；
图4为现有技术中环索索夹与环索的连接结构示意图；
图5为现有技术中内拉环的局部结构示意图；
图6为现有技术中内拉环交叉索的局部结构示意图；
图7为本发明碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构轴测图；
图8为本发明碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构平面图；
图9为本发明径向索桁架呈外凸型的立面图；
图10为本发明径向索桁架呈内凹型的立面图；
图11为本发明环索区域的结构示意图；
图12为本发明内环交叉索的结构示意图；
图13为本发明径向索夹的结构示意图；
图14为本发明环索节点的结构示意图；
图15为本发明碳纤维索的结构示意图。
图标：01-上径向索，02-下径向索，03-索桁架撑杆，04-上环索，05-下环索，06-环索撑杆，07-外压环，08-高强螺栓，09-内环交叉索，010-网格，1-内拉环，2-径向索桁架，3-外压环，4-下径向索，5-上径向索，6-索桁架撑杆，7-上环索，8-下环索，9-内环交叉索，10-环索撑杆，11-径向索夹，12-径向索连接耳板，13-环索撑杆连接耳板，14-碳纤维索连接耳板，15-索体，16-锚具。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
结合图7至图15所示，本实施例提供一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，包括：径向索桁架2以及设置在所述径向索桁架2两端的内拉环1和外压环3；其中，
所述径向索桁架2由上径向索5、下径向索4和索桁架撑杆6组成；所述内拉环1由上环索7、下环索8、环索撑杆10和内环交叉索9组成；所述内环交叉索9为碳纤维索。碳纤维索的弹性模量、强度等性能可根据索夹的不平衡力大小、结构性能需求和内力水平确定。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述碳纤维索由索体15以及固定在所述索体15两端的锚具16构成。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述径向索桁架2呈外凸或内凹型。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述上径向索5和所述索桁架撑杆6之间以及所述下径向索4和所述索桁架撑杆6均通过径向索夹11相连，索桁架撑杆6通过销轴连接在所述径向索夹11的径向索夹耳板上。
在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述上环索7和所述上径向索5、所述环索撑杆10、所述碳纤维索之间以及所述下环索8和所述下径向索4、环索撑杆10、碳纤维索之间均通过环索索夹相连，上径向索5或下径向索4、环索撑杆10和碳纤维索分别通过销轴连接在所述环索索夹的径向索连接耳板12、环索撑杆连接耳板13以及碳纤维索连接耳板14上。
综上，该碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构具有如下优点：
相比钢索材料，碳纤维索材具有如下三个优势：首先是强度高，为钢索强度的1.5～1.9倍；其次是弹性模量低，仅为钢索弹性模量的60％～80％且可以调节；最后是密度很低，仅为钢索的三分之一左右。采用碳纤维索作为内环交叉索，可降低屋盖悬挑端的重量。碳纤维索截面和刚度小，因此对内拉环内力的影响较小，可显著降低索夹承受的不平衡力，有利于简化索夹构造，无需因索夹承载力不足增设平衡索等附加的抵抗不平衡力的措施。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，其特征在于，包括：径向索桁架以及设置在所述径向索桁架两端的内拉环和外压环；其中，
所述径向索桁架由上径向索、下径向索和索桁架撑杆组成；所述内拉环由上环索、下环索、环索撑杆和内环交叉索组成；所述内环交叉索为碳纤维索。
2.根据权利要求1所述的碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，其特征在于，所述碳纤维索由索体以及固定在所述索体两端的锚具构成。
3.根据权利要求1所述的碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，其特征在于，所述径向索桁架呈外凸或内凹型。
4.根据权利要求1所述的碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，其特征在于，所述上径向索和所述索桁架撑杆之间以及所述下径向索和所述索桁架撑杆均通过径向索夹相连，索桁架撑杆通过销轴连接在所述径向索夹的径向索夹耳板上。
5.根据权利要求1所述的碳纤维索加强的轮辐式索桁架结构，其特征在于，所述上环索和所述上径向索、所述环索撑杆、所述碳纤维索之间以及所述下环索和所述下径向索、环索撑杆、碳纤维索之间均通过环索索夹相连，上径向索或下径向索、环索撑杆和碳纤维索分别通过销轴连接在所述环索索夹的径向索连接耳板、环索撑杆连接耳板以及碳纤维索连接耳板上。
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