CN111519763B - 一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系及应用，包括高网壳、低网壳、网壳间连接腹杆、封闭桁架、钢支撑筒。高、低网壳相对叠合组成中心支撑构架，均为由径向落地弧形管桁架经旋转阵列、径向平移、环向管桁架连接后外四切边而成的四角落地网壳，中心设有类椭圆形开口；网壳间连接腹杆位于高、低网壳的平面重合区域；封闭桁架位于高、低网壳外四切边交汇处；钢支撑筒为双层叠合网壳的竖向支撑。本发明基于高、低网壳的叠合整体受力模式，并通过封闭桁架的围合和钢支撑筒的竖向支撑，构件组成模块明确，传力清晰，具有高整体刚度、高承载力特点，应用范围较广。

Description

一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系及 应用

技术领域

本发明属于结构工程技术领域，尤其涉及一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系。大跨度指跨度不小于60米。

背景技术

管桁架体系是一种新型的空间大跨度桁架结构体系，属于刚性结构范畴，一般是由贯通的较大截面主管和多根与其相贯焊接连接并规则性布置的较小截面支管所构成。由于其体系轻盈、受力合理、刚度较大、外观优美，主要应用于体育场馆、机场候机楼、展览馆等大跨度空间建筑的屋盖结构体系中。

落地弧形管桁架体系是其中一类较为重要的空间大跨度结构形式。实际工程中，由于建筑和幕墙外观造型的需要，建筑屋盖和侧墙往往会连为一体且呈现较多的曲面形式。对于此类建筑，该类结构体系通过将屋盖管桁架进行弧形延伸至地面并进行固定，构成屋盖和侧墙为一体的整体管桁架结构形式；基于整体体系受力模式，使其能在较小自重的前提下跨越极大的空间跨度，同时给建筑内部空间功能的设置带来更好的发挥余地。

多榀弧形管桁架构成的整体结构体系一般有单层网壳、双层网壳和多层网壳形式。当空间跨度较大时，单层网壳体系的层高和构件尺寸对应也会很大，造成结构体系刚度、变形挠度难以满足规范要求，同时也为施工吊装和焊接操作带来巨大的困难。多层网壳体系由于构件密集、重量大，引起结构占用空间大、节点复杂、建筑透光性差等问题，其应用也受到很大的限制。因而合理有效的网壳体系设计方案是保证其承载性能和实施可行性的一个重要因素。

双层叠合网壳体系设计方案可较好地解决上述由多榀落地弧形管桁架构成的单层网壳体系、多层网壳体系所存在的诸多缺陷。该体系通过两个单层网壳体系在重合区域的腹杆连接而形成整体受力体系，在非重合区域仍各自呈现为单层网壳形式，具有重量轻、跨度大、刚度大的优点。

此外，当双层叠合网壳体系同时涉及大跨度、大悬挑、大开洞等复杂建筑功能时，结构体系将存在汇交构件较多、部件拼装复杂、体系受力复杂以及节点加强处理等问题，合理有效的叠合网壳体系形式设计及拼装方案也是保证其承载性能的一个重要因素。

综上所述，研究一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系的形式及设计方法，以适用于内部椭圆形露天开口的大跨度复杂空间建筑的屋盖结构体系及承载是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系，可以实现内部类椭圆形露天开口的大跨度复杂空间建筑的屋盖结构体系设计及承载。

该结构体系构件组成模块明确，构造合理，有效符合整体受力模式的设计原则，在充分发挥结构体系较大整体刚度和较轻自重的同时，基于由落地弧形管桁架旋转阵列生成并经外切边、类椭圆内开口边界处理的高低双层网壳叠合构成方案实现大跨度(跨度不小于60米)、大悬挑(悬挑不小于20米)、大开洞(开洞不小于20米)的大跨空间建筑造型及功能。

本发明的设计思路基于经类椭圆内开口、外四切边处理的高低双层叠合网壳的有效结合和整体受力模式：

首先，以径向布置的落地弧形管桁架为基本单元，分成4个不同圆心定位的圆弧区，分别进行旋转阵列并将落地端径向移至同一外圆上组成多榀管桁架，经环向杆件连接构成满足建筑外观造型需要的高、低单层网壳体系；其次，通过类椭圆内开口、外四切边方式对高、低网壳进行边界处理，并按一定规则进行叠合拼装，有效结合为整体受力模式的双层叠合网壳体系；最后，通过非线性稳定极限性能分析，并控制体系变形、构件应力等，保障结构体系的整体承载性能，避免出现失稳破坏。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用的技术方案是：

一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系，其特征在于，包括高网壳、低网壳、网壳间连接腹杆、封闭桁架、钢支撑筒。

所述高网壳位于双层叠合网壳体系的外层，分成4个不同圆心定位的圆弧区，分别间隔一定角度旋转阵列并将落地端径向移至同一外圆上，组成若干榀径向落地弧形管桁架组合体，再经过环向管桁架连接后外四切边处理而成；所述低网壳位于双层叠合网壳体系的内层，构件组成方式同高网壳，并共同组成中心支撑构架；所述网壳间连接腹杆位于高、低网壳之间的平面重合区域，包括径向连接腹杆、环向连接腹杆；所述封闭桁架位于高、低网壳外四切边的8个交汇处，包括径向桁架、环向桁架、弧边界桁架；所述钢支撑筒位于高网壳4个落地端平面重合区域的西北、西南、东北、东南四个方位，钢支撑筒上端则通过球铰支座竖向支撑在低网壳下弦层对应位置节点上。

进一步地，所述高网壳、低网壳均以径向落地弧形管桁架为基本单元，高网壳、低网壳的径向落地弧形管桁架配对设置，每对的高网壳、低网壳的径向落地弧形管桁架对应处于同一径向位置；分成4个不同圆心定位的圆弧区，分别间隔一定角度对径向落地弧形管桁架基本单元进行旋转阵列，并将落地端径向移至同一外圆上，组成径向落地弧形管桁架组合体。南、北两侧对应类椭圆长轴两端的2个圆弧区，圆心定位点位于类椭圆内部的长轴上，圆弧区半径较小，间隔角度相对较大，一般为4°～8°；东、西两侧对应类椭圆短轴两端的2个圆弧区，圆心定位点位于类椭圆外部的短轴延长线上，圆弧区半径较大，间隔角度相对较小，一般为1°～3°。本实施例南、北两侧圆弧区的间隔角度为6°，东、西圆弧区的间隔角度为2°，共计78榀径向落地弧形管桁架基本单元。该种方式生成的径向落地弧形管桁架组合体，每一圈的环向连接杆件均趋于类椭圆形，与内开口形式对应，可尽量减少小尺寸平面三角形网格的出现，便于整体体系的结构受力。

进一步地，以所述高网壳、低网壳的若干榀径向落地弧形管桁架组合体为基础，在其各榀基本单元之间通过环向弦杆、环向腹杆相贯连接成整体结构；高网壳、低网壳采用夹角成45°的两个正方形的边线进行外四切边处理；其中，东、西两侧为类椭圆内开口的短轴端，高网壳的正方形直线外切边替换为内凹的弧线外切边，使得高网壳、低网壳的重合区域仅局限在内环附近，避免网壳间连接腹杆范围过大，减轻结构体系自重和连接复杂度。

进一步地，高网壳、低网壳的4个外切边均设置为外切边弧形管桁架进行结构支撑，以增大整体结构的边界刚度；外切边弧形管桁架为两端落地支撑形式，由外切边桁架上弦杆、外切边桁架腹杆、外切边桁架下弦杆所组成；外切边弧形管桁架的上下弦主管、腹杆支管的尺寸，参照径向落地弧形管桁架的主管、支管的尺寸进行大一号选取。

进一步地，高网壳、低屋面网壳的四个落地端的两侧分别设置2道径向水平支撑，共计16道水平支撑；其中每道水平支撑包括连接两榀径向管桁架的上弦层水平支撑、下弦层水平支撑，整体呈现为由内环边界延伸至落地处的径向布置，以分别提高高网壳、低网壳的各自整体结构扭转刚度；2道环向水平支撑分别设置于类椭圆内边界处、外圆落地弧形管桁架拐角处，每道环向水平支撑包括连接两榀环向管桁架的上弦层斜支撑、下县城斜支撑，整体呈现为内圈环形、外圈圆弧段布置，其中类椭圆内开口环向水平支撑包括高网壳的上弦层、下弦层和低网壳的上弦层、下弦层的斜支撑，外圆环向水平支撑各自设置在高网壳、低网壳落地端的上弦层、下弦层。

进一步地，网壳间连接腹杆位于高网壳、低网壳之间，平面位置为外四切边、类椭圆内开口之间的平面重合区域，包括径向连接腹杆、环向连接腹杆；为提高整体结构体系的刚度，各外切边中心距离类椭圆内开口边界的平面重合区域不小于3个网格尺寸。高、低网壳叠合连接成整体体系后，重合区域表现为三层网壳结构、非重合区域表现为单层网壳结构。

进一步地，高网壳、低网壳、网壳间连接腹杆组装完成后，最终形成的单榀径向落地弧形管桁架基本单元由高网壳径向管桁架上弦杆、高网壳径向管桁架腹杆、高网壳径向管桁架下弦杆、高低网壳的径向连接腹杆、低网壳径向管桁架上弦杆、低网壳径向管桁架腹杆、低网壳径向管桁架下弦杆七部分构件组成；分为高网壳局部切割型、低网壳局部切割型、高低网壳切割型三种结构组成形式。

进一步地，双层叠合网壳体系的总厚度实际对应为三层网壳层高，包括高网壳层高、网壳间连接层高、低网壳层高；双层叠合网壳体系的总厚度一般为总跨度的1/12-1/20，对应单层网壳厚度为1/36～1/60。构件截面一般为圆管形式，连接节点为相贯连接节点；落地弧形管桁架基本单元的主管尺寸一般为400mm～700mm，支管尺寸一般为100mm～400mm；相贯连接节点处支管尺寸不大于主管尺寸；相贯连接节点强度不足时，增设隔板等方式进行加强。

进一步地，对于网壳间连接腹杆，类椭圆内开口边界第一个网格内的径向连接腹杆可不设置，以作为建筑内环观光走廊使用。

进一步地，所述封闭桁架位于高、低网壳外四切边的8个交汇处，由径向桁架、环向桁架、弧边界桁架所组成；在每个交汇处，径向桁架以中心定位点为旋转中心，间隔一定角度进行旋转阵列生成径向管桁架组合体，结构形式为落地弧形管桁架，间隔角度一般为3°～7°；本实施例中间隔角度为4.5°，每个交汇处共计3榀径向桁架。环向桁架对应高、低网壳的径向管桁架网格间距设置。

进一步地，所述封闭桁架的靠近高网壳外切边一端位于高网壳的下弦杆内侧，采用伸入高网壳的外切边以内进行连接，伸入距离为3m-10m；伸入边界设置弧边界桁架，并在平面上与外切边平行，弧边界桁架的下端部分与高网壳下弦杆位于同平面圆弧上，可直接与其下弦杆连接即可；弧边界桁架的上端部分与高网壳下弦杆为脱开状态，增设腹杆进行悬挂连接至其下弦杆上。

进一步地，所述封闭桁架的靠近低网壳外切边一端位于低网壳的上弦杆、下弦杆之间，径向桁架、环向桁架的端部均直接与低网壳的外切边弧形管桁架的弦杆、腹杆连接即可。

进一步地，径向桁架和环向桁架正交布置构成双向桁架体系，同时承载侧向和竖向的荷载作用。与双层叠合网壳体系的主体构件截面形式对应，封闭桁架的构件截面一般也为圆管截面，由于布置相对较密，构件尺寸相对较小，主管一般为200mm～400mm，支管一般为100mm～200mm；落地径向桁架的间距为10m～15m，以满足底部大空间的建筑入口功能；环向桁架间距为3m-6m，布置相对较密一些，以增大双向桁架体系的整体刚度。

进一步地，所述钢支撑筒位于高网壳4个落地端平面重合区域的四个方位，平面可为L形或四边形，钢支撑筒由钢支撑筒竖框柱、钢支撑筒水平梁、钢支撑筒斜支撑所组成，结构形式为中心支撑钢框架结构；钢支撑筒上端通过转换支座竖向支撑在低网壳下弦层对应位置节点上。

进一步地，为满足抗震要求，转换支座形式为抗震球铰支座，以将上部钢屋盖结构与下部钢支撑筒脱离开；由于竖向支撑力一般较大，球铰支座上端设置有内部加强隔板的支座贯通柱墩，管桁架下弦层主管断开并连接至支座贯通柱墩上。

进一步地，钢支撑筒的设置是可选方案；当建筑跨度不大且双层叠合网壳体系的整体刚度足够时，可不设置钢支撑筒，即不考虑竖向内部支撑。当建筑跨度较大且整体刚度较弱时，钢支撑筒在作为双层叠合网壳体系的竖向支撑结构的同时，也可作为建筑电梯、楼梯井道功能使用。

进一步地，双层叠合网壳体系的类椭圆内开口尺寸、外四切边位置均可根据建筑造型要求进行适当调整，在保证落地端刚度的前提下，高网壳、低网壳的外四切边也可为矩形和多弧边形式，并不会影响本发明双层叠合网壳体系的各部件组成和拼装方式。

本发明还提供一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系在内部类椭圆形露天开口的大跨度复杂空间建筑的屋盖结构体系设计及承载中的应用，所述大跨度复杂空间建筑为跨度不小于60米且满足特殊建筑功能、特殊曲面幕墙造型的大空间公共民用建筑。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系，其结构体系构造合理，可以实现内部类椭圆形露天开口的大跨度复杂空间建筑的屋盖结构体系设计及承载，充分发挥双层叠合网壳体系的高整体刚度、高承载性能优点。该结构体系以径向布置的落地弧形管桁架为基本单元，分成4个不同圆心定位的圆弧区，通过旋转阵列、移至同一外圆并相互环向连接，构成满足建筑外观造型需要的高、低网壳；基于经过不同外四切边、类椭圆内开口边界处理的高、低网壳的叠合整体受力模式，可达到在尽量减轻自重的前提下，跨越极大的空间跨度。基于非线性稳定极限承载力性能分析，本发明的结构便于通过整体刚度(变形值控制)、承载力(应力比控制)等指标控制，来进一步保证整体结构体系的合理有效。该结构体系的构件组成模块明确，传力清晰，整体体系刚度大、承载力高，在大跨度复杂空间建筑的屋盖结构体系中具有广阔的应用前景。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1a-1d分别是本发明类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系实施例的结构示意图、高网壳示意图、低网壳示意图、网壳间连接腹杆示意图。

图1e、1f分别是封闭桁架示意图、钢支撑筒示意图。

图2是本发明双屋面叠合网壳体系实施例的俯视平面图，即图1中A-A剖切的示意图；

图3是本发明双屋面叠合网壳体系实施例的剖切侧视图，即图1中B-B剖切的示意图；

图4a-4d分别是图2的高网壳上弦层、高网壳下弦层、低网壳上弦层、低网壳下弦层的俯视平面展开图；

图5是图2的单榀径向落地弧形管桁架C-C剖面图；

图6是图2的单榀径向落地弧形管桁架D-D剖面图；

图7是图2的高网壳的外切边弧形管桁架E-E剖面图；

图8是图2的低网壳的外切边弧形管桁架F-F剖面图；

图9a是图2东南角处(27-36所在位置)的封闭桁架结构示意图，图9b～9c分别是图9a封闭桁架的径向桁架G-G剖面图、环向桁架H-H剖面图；

图10a是图2东南角处(43-45所在位置)的钢支撑筒结构示意图，图10b～10c分别是图10a钢支撑筒的J-J剖切侧视图、K-K剖切俯视图；

图11是钢支撑筒顶端转换支座46的结构构造示意图；

图12是双屋面叠合网壳体系实施例的部件拼装流程图。

图13是双屋面叠合网壳体系的双重非线性稳定荷载收敛曲线图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

1.高网壳径向管桁架上弦杆；2.高网壳径向管桁架腹杆；3.高网壳径向管桁架下弦杆；4.高网壳环向桁架上弦杆；5.高网壳环向桁架腹杆；6.高网壳环向桁架下弦杆；7.高网壳上弦层径向水平支撑；8.高网壳下弦层径向水平支撑；9.高网壳外圈上弦层环向水平支撑；10.高网壳外圈下弦层环向水平支撑；11.高网壳内圈上弦层环向水平支撑；12.高网壳内圈下弦层环向水平支撑；13.低网壳径向管桁架上弦杆；14.低网壳径向管桁架腹杆；15.低网壳径向管桁架下弦杆；16.低网壳环向桁架上弦杆；17.低网壳环向桁架腹杆；18.低网壳环向桁架下弦杆；19.低网壳上弦层径向水平支撑；20.低网壳下弦层径向水平支撑；21.低网壳外圈上弦层环向水平支撑；22.低网壳外圈下弦层环向水平支撑；23.低网壳内圈上弦层环向水平支撑；24.低网壳内圈下弦层环向水平支撑；25.网壳间径向连接腹杆；26.网壳间环向连接腹杆；27.封闭桁架的径向桁架上弦杆；28.封闭桁架的径向桁架腹杆；29.封闭桁架的径向桁架下弦杆；30.封闭桁架的环向桁架上弦杆；31.封闭桁架的环向桁架腹杆；32.封闭桁架的环向桁架下弦杆；33.封闭桁架的弧边界桁架上弦杆；34.封闭桁架的弧边界桁架腹杆；35.封闭桁架的弧边界桁架下弦杆；36.封闭桁架与高网壳边界连接腹杆；37.高网壳外切边桁架上弦杆；38.高网壳外切边桁架腹杆；39.高网壳外切边桁架下弦杆；40.低网壳外切边桁架上弦杆；41.低网壳外切边桁架腹杆；42.低网壳外切边桁架下弦杆；43.钢支撑筒竖框柱；44.钢支撑筒水平梁；45.钢支撑筒斜支撑；46.钢支撑筒顶部转换支座；47.中心定位点；48.圆弧定位点一；49.圆弧定位点二；50.圆弧定位点三；51圆弧定位点四；52.弧线外切边；53.支座贯通柱墩；54.内部加强隔板。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明所述一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系的技术方案进行详细说明。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的。

如图1a-1f以及图2、3所示，本发明的一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系包括高网壳、低网壳、网壳间连接腹杆、封闭桁架、钢支撑筒。所述高网壳(图1b)位于双层叠合网壳体系的外层，分成4个不同圆心定位的圆弧区，是分别间隔一定角度旋转阵列并将落地端径向移至同一外圆上，组成若干榀径向落地弧形管桁架组合体，再经过环向管桁架连接后外四切边处理而成的四角落地网壳；所述低网壳(图1c)位于双层叠合网壳体系的内层，构件组成方式同高网壳，并与其相对叠合组成中心支撑构架；所述网壳间连接腹杆(图1d)位于高、低网壳之间的平面重合区域，包括径向连接腹杆、环向连接腹杆，用于连接高网壳和低网壳；所述封闭桁架(图1e)位于高、低网壳外四切边的8个交汇处，包括径向桁架、环向桁架、弧边界桁架组成，用于封闭高网壳、低网壳的外四切边交汇处的缺口；所述钢支撑筒(图1f)位于高网壳4个落地端平面重合区域的西北、西南、东北、东南四个方位，钢支撑筒上端通过球铰支座竖向支撑在低网壳下弦层对应位置节点上。

上述的相对叠合是指高网壳位于中心支撑构架的上层或外层，低网壳位于中心支撑构架的下层或内层，高网壳、低网壳在平面布置上相互呈45°夹角设置。

具体地，如图1b、图4a-4b所示，所述高网壳以由高网壳径向管桁架上弦杆1、高网壳径向管桁架腹杆2、高网壳径向管桁架下弦杆3组成的单榀径向落地弧形管桁架为高网壳基本单元；分成4个不同圆心定位的圆弧区，分别间隔一定角度对径向落地弧形管桁架基本单元进行旋转阵列，并将落地端径向移至同一中心定位点47的外圆上，组成高网壳径向落地弧形管桁架组合体。南、北两侧对应类椭圆长轴两端的2个圆弧区，圆心定位点位于类椭圆内部的长轴上，分别为圆弧定位点二49、圆弧定位点一48，圆弧区半径较小，间隔角度相对较大，优选为4°～8°；东、西两侧对应类椭圆短轴两端的2个圆弧区，圆心定位点位于类椭圆外部的短轴延长线上，分别为圆弧定位点四51、圆弧定位点三50，圆弧区半径较大，间隔角度相对较小，优选为1°～3°。

如图1c、图4c-4d所示，所述低网壳以由低网壳径向管桁架上弦杆13、低网壳径向管桁架腹杆14、低网壳径向管桁架下弦杆15组成的单榀径向落地弧形管桁架为低网壳基本单元；类似地，分成4个不同圆心定位的圆弧区，不同圆弧区的低网壳径向落地弧形管桁架基本单元的圆心定位点、径向移至外圆、间隔角度均与高网壳相同，组成低网壳径向落地弧形管桁架组合体。每个高网壳、低网壳的径向落地弧形管桁架配对设置，每对的高网壳、低网壳的径向落地弧形管桁架对应处于同一径向位置。本实施例南、北两侧圆弧区的间隔角度为6°，东、西两侧圆弧区的间隔角度为2°，共计78榀径向落地弧形管桁架基本单元。该种方式生成的径向落地弧形管桁架组合体，每一圈的环向连接杆件均趋于类椭圆形，与内开口形式对应，可尽量减少小尺寸平面三角形网格的出现，便于整体体系的结构受力。

如图1b-1c所示，以所述高网壳的高网壳径向落地弧形管桁架组合体为基础，在其各榀高网壳基本单元之间通过高网壳环向桁架上弦杆4、高网壳环向桁架腹杆5、高网壳环向桁架下弦杆6进行相贯连接以提供侧向支撑，并构成高网壳整体受力结构，即四角落地网壳，四角落地网壳中心设有类椭圆形开口。类似地，以所述低网壳的低网壳径向落地弧形管桁架组合体为基础，在其各榀低网壳基本单元之间通过低网壳环向桁架上弦杆16、低网壳环向桁架腹杆17、低网壳环向桁架下弦杆18进行相贯连接以提供侧向支撑，并构成低网壳整体受力结构，即四角落地网壳，同样地，四角落地网壳中心设有类椭圆形开口。

如图1b-1c、图2所示，高网壳、低网壳分别采用夹角成45°的两个正方形的边线进行外四切边处理；其中，东、西两侧为类椭圆内开口的短轴端，高网壳的正方形直线外切边替换为内凹的弧线外切边52，使得高网壳、低网壳的重合区域仅局限在内环附近，避免网壳间连接腹杆范围过大，减轻结构体系自重和连接复杂度。作为优选方案，为提高整体结构体系的刚度，各外切边中心距离类椭圆内开口边界的最短重合区域距离不小于3个网格尺寸，每个网格尺寸为3m～6m。

如图1b、图7，高网壳的4个外切边均设置为外切边弧形管桁架形式进行边界支撑，以增大整体结构的边界刚度；高网壳外切边弧形管桁架为两端落地弧形支撑形式，由高网壳外切边桁架上弦杆37、高网壳外切边桁架腹杆38、高网壳外切边桁架下弦杆39所组成。

如图1c、图8，低面网壳的4个外切边均设置为外切边弧形管桁架形式进行边界支撑；类似地，低网壳外切边弧形管桁架为两端落地弧形支撑形式，由低网壳外切边桁架上弦杆40、低网壳外切边桁架腹杆41、低网壳外切边桁架下弦杆42所组成。

作为优选方案，高网壳外切边弧形管桁架、低网壳外切边弧形管桁架的上下弦杆主管(37、39、40、42)、腹杆支管(38、41)的尺寸分别参照高网壳、低网壳径向落地弧形管桁架的上下弦杆主管(1、3、13、15)、腹杆支管(2、14)的尺寸进行大一号初步选取，并通过后续受力性能分析进行最终确定。

如图2、图4所示，高网壳、低网壳分别设置8道径向水平支撑、2道环向水平支撑，以分别提高高网壳、低网壳的各自整体结构体系扭转刚度。8道径向水平支撑分别设置在高网壳、低网壳的4个落地端两侧，每道径向水平支撑包括连接两榀径向管桁架的上弦层水平支撑、下弦层水平支撑，整体呈现为由内环类椭圆开口边界延伸至落地处的径向布置；高网壳的每道水平支撑由高网壳上弦层径向水平支撑7、高网壳下弦层径向水平支撑8所组成，低网壳的每道水平支撑由低网壳上弦层径向水平支撑19、低网壳下弦层径向水平支撑20所组成。

如图2、图4所示，环向水平支撑分别设置于类椭圆内开口边界处、外援落地弧形管桁架拐角处。每道环向水平水平支撑包括连接两榀环向管桁架的上弦层斜支撑、下弦层斜支撑，整体呈现为内圈环形、外圈圆弧段布置。类椭圆内开口环向水平支撑位于内圈同一平面位置，包括高网壳的高网壳内圈上弦层环向水平支撑11、高网壳内圈下弦层环向水平支撑12和低网壳的低网壳内圈上弦层环向水平支撑23、低网壳内圈下弦层环向水平支撑24。外圆环向水平支撑各自设置在高网壳、低网壳的4个落地端弧形拐角处，包括高网壳的高网壳外圈上弦层环向水平支撑9、高网壳外圈下弦层环向水平支撑10和低网壳的低网壳外圈上弦层环向水平支撑21、低网壳外圈下弦层环向水平支撑22。

如图1a、1d所示，网壳间连接腹杆位于高网壳、低网壳之间，平面位置为外四切边、类椭圆内开口之间的重合区域(图2)，包括网壳间径向连接腹杆25、网壳间环向连接腹杆26。为提高整体结构体系的刚度，各外切边中心距离内圆开口边界的重合区域距离不小于3个网格尺寸。高、低网壳叠合连接成整体体系后，重合区域表现为三层网壳结构、非重合区域表现为单层网壳结构。

如图5、图6所示，高网壳、低网壳、网壳间连接腹杆组装完成后，最终形成的单榀径向落地弧形管桁架基本单元由高网壳径向管桁架上弦杆1、高网壳径向管桁架腹杆2、高网壳径向管桁架下弦杆3、高低网壳的径向连接腹杆25、低网壳径向管桁架上弦杆13、低网壳径向管桁架腹杆14、低网壳径向管桁架下弦杆15七部分构件组成；分为高网壳局部切割型(图5)、低网壳局部切割型(图6)、高低网壳同时局部切割型三种结构组成形式。

作为优选方案，由于双层叠合网壳体系的总厚度对应为三层网壳层高，包括高网壳层高、网壳间连接层高、低网壳层高，体系总厚度优选为跨度的1/12-1/20，对应每个单层网壳厚度优选为跨度的1/36～1/60。构件截面一般为圆管形式，连接节点对应为相贯节点；落地弧形管桁架基本单元的主管尺寸一般为400mm～700mm，支管尺寸一般为100mm～400mm；相贯节点处支管尺寸一般小于主管尺寸；相贯节点连接强度不足时，增设隔板等方式进行节点加强。

如图5、图6所示，作为可选方案，对于网壳间连接腹杆，类椭圆内开口边界第一个网格内的网壳间径向连接腹杆25可不设置，以作为建筑内环形观光走廊使用。

如图1e、图9所示，所述封闭桁架位于高、低网壳外四切边的8个交汇处，由径向桁架、环向桁架、弧边界桁架所组成，其中径向桁架、环向桁架正交设置，构成双向桁架整体受力体系。径向桁架由径向桁架上弦杆27、径向桁架腹杆28、径向桁架下弦杆29构成，环向桁架由环向桁架上弦杆30、环向桁架腹杆31、环向桁架下弦杆32构成，弧边界桁架由弧边界桁架上弦杆33、弧边界桁架腹杆34、弧边界桁架下弦杆35构成。

如图1a、1e、图9所示，在每个交汇处，径向桁架以中心定位点47为旋转中心，间隔一定角度进行旋转复制生成径向管桁架组合体，结构形式为落地弧形管桁架，间隔角度一般为3°～8°；本实施例中间隔角度为4.5°，每个入口共计3榀径向平面桁架。环向桁架对应高、低网壳的径向落地弧形管桁架网格间距设置。

如图1a、图2、图9所示，所述封闭桁架的靠近高网壳外切边桁架一端位于高网壳的径向管桁架下弦杆3内侧，采用伸入高网壳的外切边桁架以内进行连接，伸入距离为3m-10m；伸入边界设置弧边界桁架，并在平面上与外切边平行，弧边界桁架的下端部分与高网壳不同网格处的环向桁架下弦杆6对应位于同平面圆弧上，直接与其相贯连接；弧边界桁架的平面位置与外切边弧形管桁架的平面位置平行，其上端部分与高网壳不同网格处的径向管桁架下弦杆3、环向桁架下弦杆6、外切边桁架下弦杆36均为脱开状态，增设封闭桁架与高网壳边界连接腹杆36进行悬挂相贯连接。

如图1a、图2、图9所示，所述封闭桁架的靠近低网壳外切边桁架一端位于低网壳的径向管桁架上弦杆13、径向管桁架下弦杆15之间的内部范围，径向桁架、环向桁架的端部均与低网壳外切边弧形管桁架的外切边桁架上弦杆40、外切边桁架腹杆41、外切边桁架下弦杆42直接相贯连接即可。

作为优选方案，径向桁架和环向桁架正交布置构成双向桁架体系，同时承载侧向和竖向的荷载作用。与双层叠合网壳体系的主体构件截面形式对应，封闭桁架的构件截面一般也为圆管截面，由于布置相对较密，构件尺寸相对较小，主管一般为200mm～400mm，支管一般为100mm～200mm；落地径向平面桁架的间距为10m～15m，以适应底部大空间的建筑入口功能；环向桁架间距为3m-6m，相对布置较密一些，以增大双向桁架体系的整体刚度。

如图1a、图1f、图10所示，所述钢支撑筒位于高网壳4个落地端的平面重合区域，分为东南、西南、东北、西北四个平面方位，平面可为L形或四边形；钢支撑筒由钢支撑筒竖框柱43、钢支撑筒水平梁44、钢支撑筒斜支撑45所组成，结构形式为中心支撑钢框架结构。钢支撑筒的上端设置钢支撑筒顶部转换支座46，对低网壳下弦层也即低网壳径向管桁架下弦杆15的对应位置节点进行竖向支撑。

如图11所示，所述钢支撑筒顶部转换支座46为抗震球铰支座形式，以满足结构抗震要求，并将上部钢屋盖结构与下部钢支撑筒脱离开；为满足较大竖向支撑力作用，球铰支座上端设置有内部加强隔板54的支座贯通柱墩53，管桁架下弦杆15为主管断开并连接至支座贯通柱墩53上。

作为优选方案，当建筑跨度较大且整体刚度较弱时，钢支撑筒在作为双层叠合网壳体系的竖向支撑结构的同时，也可作为建筑电梯、楼梯井道功能使用，以通向内环观光走廊；但当建筑跨度不大且双层叠合网壳体系的整体刚度足够时，也可不设置钢支撑筒，即不考虑竖向内部支撑。

作为优选方案，双层叠合网壳体系的类椭圆内开口、外四切边位置均可根据建筑造型要求进行适当调整，在保证落地端刚度的前提下，高网壳、低网壳的外四切边也可为矩形和多弧边形式，并不会影响本发明双层叠合网壳体系的各部件组成和拼装方式。

如图12所示，本发明所述双层叠合网壳体系的具体部件拼装焊接流程如下：

(1)径向管桁架上弦杆1、径向管桁架腹杆2、径向管桁架下弦杆3组成高网壳落地弧形管桁架基本单元；径向管桁架上弦杆13、径向管桁架腹杆14、径向管桁架下弦杆15组成低网壳落地弧形管桁架基本单元；

(2)外切边桁架上弦杆37、外切边桁架腹杆38、外切边桁架下弦杆39组成高网壳外切边弧形管桁架；外切边桁架上弦杆40、外切边桁架腹杆41、外切边桁架下弦杆42组成低网壳外切边弧形管桁架；

(3)步骤(1)组成的高网壳、低网壳基本单元，分成4个不同圆弧定位(48、49、50、51)的圆弧区，间隔一定角度进行旋转阵列，并径向移至中心定位点47的同一外圆，生成落地弧形管桁架组合体；高网壳、低网壳的各榀基本单元之间，分别连接环向桁架上弦杆(4、16)、环向桁架腹杆(5、17)、环向桁架下弦杆(6、18)构成高网壳、低网壳整体结构；

(4)高网壳整体结构、低网壳整体结构分别以步骤(2)组成的高网壳外切边弧形管桁架、低网壳外切边弧形管桁架为外切边，进行结构边界切割处理；

(5)在步骤(4)外切边处理后的高网壳、低网壳体系基础上，前者设置上下弦层的径向水平支撑(7、8)环向水平支撑(9、10、11、12)，后者设置上下弦层的径向水平支撑(19、20)、环向水平支撑(21、22、23、24)，以提高整体结构扭转刚度；

(6)在高网壳、低网壳体系的平面叠合区域，连接径向连接腹杆(25)、环向连接腹杆(26)，构成双层叠合网壳的整体受力体系；

(7)径向桁架上弦杆27、径向桁架腹杆28、径向桁架下弦杆29拼装为径向桁架，环向桁架上弦杆30、环向桁架腹杆31、环向桁架下弦杆32拼装为环形桁架；径向桁架、环向桁架正交布置组装为封闭桁架；

(8)封闭桁架的靠近高网壳一端，通过弧边界桁架上弦杆33、弧边界桁架腹杆34、弧边界桁架下弦杆35拼装的弧边界桁架，直接连接或通过连接腹杆36连接至高网壳的径向管桁架下弦杆3、环向桁架下弦杆6、外切边桁架下弦杆36。封闭桁架的靠近低网壳一端，直接连接至外切边桁架上弦杆40、外切边桁架腹杆41、外切边桁架下弦杆42；

(9)钢支撑筒竖框柱43、钢支撑筒水平梁44、钢支撑筒斜腹杆支撑45组装成钢支撑筒，上端通过钢支撑筒顶部转换支座节点46支撑双层叠合网壳体系。

如图13所示，双层叠合网壳体系实施例的双重非线性轴压稳定荷载收敛曲线为极值点失稳破坏，失稳后不能继续承载，极限失稳荷载系数为2.88，具有较好的非线性稳定承载性能。其中，所施加初始缺陷为第1阶屈曲模态，缺陷幅值300mm，即叠合网壳最大悬挑跨度45m的1/150，构件材料为理想弹塑性。

本发明还提供一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系在内部类椭圆形露天开口的大跨度复杂空间建筑的屋盖结构体系设计及承载中的应用，所述大跨度复杂空间建筑为跨度不小于60米且满足特殊建筑功能、特殊曲面幕墙造型的大空间公共民用建筑。

相比于现有技术的不足，本发明提供的一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系基于经过不同外四切边、类椭圆内边界处理的高、低网壳的叠合整体受力模式，并通过封闭桁架的围合和钢支撑筒的竖向支撑，可达到在尽量减轻自重的前提下跨越极大的空间跨度。该结构体系构件组成模块明确，传力清晰，有效符合整体受力及承载模式的设计原则，可实现涉及大跨度(跨度不小于60米)、大悬挑(悬挑不小于20米)、大开洞(开洞不小于20米)等复杂大跨空间建筑造型及功能的屋盖结构体系设计及承载。基于非线性稳定极限承载力性能分析，通过整体变形刚度、应力比承载、极限稳定等整体性能控制，可进一步保障本发明双层叠合网壳体系的高整体刚度、高承载性能优点。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系，其特征在于，包括高网壳、低网壳、网壳间连接腹杆、封闭桁架、钢支撑筒；

所述高网壳、低网壳均为四角落地网壳，四角落地网壳由径向落地弧形管桁架经旋转阵列、径向平移、环向管桁架连接后外四切边而成，中心设有类椭圆形开口，所述高网壳、低网壳分别位于外层、内层并共同构成中心支撑构架；所述网壳间连接腹杆位于高、低网壳的平面重合区域，包括径向连接腹杆、环向连接腹杆；所述封闭桁架位于高、低网壳外四切边交汇处，包括径向桁架、环向桁架、弧边界桁架；所述钢支撑筒作为双层叠合网壳体系的竖向支撑；

所述高网壳由高网壳径向管桁架上弦杆、腹杆和下弦杆构成高网壳径向落地弧形管桁架，低网壳由低网壳径向管桁架上弦杆、腹杆和下弦杆构成低网壳径向落地弧形管桁架；所述高网壳和低网壳分别分为4个不同圆弧定位点的圆弧区，径向落地弧形管桁架在南北区、东西区分别间隔4°~8°、1°~3°进行旋转阵列，并将落地端径向平移至同一圆弧定位点的外圆上，高网壳、低网壳的径向落地弧形管桁架配对设置，每对的高网壳、低网壳的径向落地弧形管桁架对应处于同一径向位置；各榀径向落地弧形管桁架之间通过环向管桁架相贯连接；

所述四角落地网壳采用夹角成45°的正方形边线进行外四切边处理，对应类椭圆短轴端的东、西两侧，高网壳的正方形直外切边替换为内凹的弧线外切边；平面重合区域仅局限在外四切边、类椭圆内环之间，最短距离不小于3个网格，网格尺寸3m~6m；四角落地网壳的4个外切边均设置有外切边弧形管桁架，为两端落地支撑形式；

所述四角落地网壳分别设置有8道径向水平支撑和2道环向水平支撑；所述8道径向水平支撑分别设置于高、低网壳落地端两侧，每道径向水平支撑包括连接两榀径向管桁架的上弦层斜支撑、下弦层斜支撑，整体呈现为由内环边界延伸至落地处的径向布置；所述2道环向水平支撑分别设置于高、低网壳的内圈边界、外圈弧形管桁架拐角处，每道环向水平支撑包括连接两榀环向管桁架的上弦层斜支撑、下弦层斜支撑，整体呈现为内圈环形、外圈圆弧段布置；

所述网壳间连接腹杆设置于高网壳、低网壳之间，平面位置为外四切边、类椭圆内环之间的重合区域，包括网壳间径向连接腹杆、网壳间环向连接腹杆；

双层叠合网壳体系的重合区域、非重合区域分别表现为三层、单层网壳形式；三层、单层网壳的厚度分别为跨度的1/12~1/20、1/36~1/60；构件截面为圆管，节点形式为相贯连接；

所述封闭桁架为正交双向桁架体系，位于高、低网壳外四切边的8个交汇处，包括径向、环向桁架；靠高网壳一端，封闭桁架伸入外切边以内，端部设置有弧边界桁架，并与高网壳桁架下弦杆连接；靠低网壳一端，封闭桁架位于低网壳径向管桁架上弦杆、下弦杆之间，并与外切边弧形管桁架相贯连接；

所述钢支撑筒位于高网壳4个落地端的平面重合区域，平面为L形，由钢支撑筒竖框柱、钢支撑筒水平梁、钢支撑筒斜支撑组成，为中心支撑钢框架形式；在钢支撑筒顶部转换支座处设置抗震球铰支座，支撑在低网壳下弦层节点上，上部管桁架下弦杆断开并连接至支座贯通柱墩。

2.权利要求1所述的类椭圆内开口的大跨度外四切边双屋面叠合网壳体系在内部类椭圆形露天开口的大跨度复杂空间建筑的屋盖结构体系设计及承载中的应用。

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