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Abstract

本发明公开了一种马鞍形半刚性索网结构，包括受力方向正向设置的张弦梁、稳定方向反向设置的张弦梁以及边界环梁，所有正向张弦梁的上弦刚性构件构成马鞍形的凹面，所有反向张弦梁的上弦拉索构成马鞍形的凸面，所有正向张弦梁的下弦拉索和所有反向张弦梁的下弦刚性构件构成下凹椭圆抛物面，在相交处，正向张弦梁和反向张弦梁共用一根撑杆，撑杆的上端与正向张弦梁的上弦刚性构件连接，下端与反向张弦梁的下弦刚性构件连接，反向张弦梁的下弦刚性构件与正向张弦梁的下弦拉索连接，反向张弦梁的上弦拉索与正向张弦梁的上弦刚性构件连接。本发明具有良好的受力性能和较高的受力效率，并且建造难度低。

Description

一种马鞍形半刚性索网结构
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，涉及一种大跨度场馆建筑屋盖结构，更具体地说涉及一种马鞍形半刚性索网结构。
背景技术
马鞍面，又叫双曲抛物面，是一种由直线运动所产生的曲面，且有两族直母线；从双曲抛物面的性质来看，曲面上任意两条异族的直母线相交。当曲面受力时，任意一条直母线均会被另一族直母线分摊受力，相互作用使得结构更加稳定，采用双曲抛物面作为结构屋盖，可以获得良好的结构受力性能。马鞍面的屋盖还具有简洁流畅的外形，用于体育场馆等大跨度建筑结构中可以获得美观的建筑造型，因此倍受设计师的青睐，越来越多地应用于实际工程中。
1953年，美国于北卡洛莱罗纳州建成Releigh体育馆首次采用了马鞍形索网结构，这不仅是世界上第一个悬索结构，也是将马鞍面用于屋盖结构的伟大尝试。近些年来，随着我国空间结构的快速发展，将马鞍形屋盖用于大跨度钢结构中的例子层出不穷，结构形式也丰富多样，常见的有索网结构、网壳结构和网架结构等。
索网结构是马鞍形屋盖使用率最高的结构形式，目前我国采用索网结构的马鞍形场馆跨度大多集中在100m左右，根据《索结构技术规程》(JGJ257-2012)中对索网结构的矢跨比的相关建议值：承重索的垂度宜取跨度的1/10～1/20，稳定索的拱度宜取跨度的1/15～1/30，我国马鞍索网结构矢跨比设置大多在该结构范围内。1968年建成的浙江人民体育馆是我国第一个马鞍形单层索网结构，其水平投影为80m*60m的椭圆平面，稳定索矢跨比为1/18，承重索垂跨比为1/20；2018年建成的苏州奥体中心游泳馆是一个跨度107m的马鞍形单层索网结构，稳定索矢跨比为1/38，承重索垂跨比为1/15；即将建成的国家速滑馆长轴跨度达198m，建成后将成为我国跨度最大的马鞍形索网结构，其稳定索的矢跨比为1/28，承重索垂跨比为1/15。
网架结构和网壳结构也常被应用于马鞍形大跨结构屋盖。目前所建马鞍形网壳结构大多采用双层网壳或单层和双层组合网壳：1994年建成的德阳体育馆是我国第一个马鞍形双层钢网壳结构，水平投影为菱形，采用直线边梁，跨度达105m，稳定方向矢跨比为1/7.28，承重方向垂跨比为1/6；2009年建成的中国石油大学体育馆采用马鞍形双层钢网壳屋盖，水平投影为椭圆形，长轴跨度达142m，稳定方向矢跨比为1/6.8，承重方向垂跨比为1/13。2009年建成的中国海洋大学综合体育馆屋盖则采用了马鞍形网架结构。
目前常用于马鞍形屋盖的结构形式各有特点。
最常使用的索网结构属于柔性结构，结构受力呈现明显的几何非线性，需对索施加合理的预应力后才具有合理的几何构型和结构刚度，从而成为可承载的结构。因此设计索网结构时需要先进行形态分析，这一过程比较复杂，需要设计人员具有一定的数学理论背景和工程经验。索网结构对施工精度具有较高的要求，施工过程中构件、节点加工精度造成的施工误差可能会导致成型后的索网形态和拉索预应力分布与设计值有所偏差，甚至有可能影响成型后索网结构的承载力。同时索网结构在施工过程中可能由于相邻索件之间存在索力差而出现索夹滑移的问题。索网结构会对边缘构件产生很大的拉力，需要在边界设置刚度较大的环梁以抵抗拉索的拉力，对边缘构件受力和刚度要求高。索网结构对于受力索的垂度和稳定索的矢高要求严格，受力索垂度和稳定索矢高越小，为结构成型所需的拉索预拉力越大，对环梁刚度要求越高，则设计和施工难度也越大，因此对于较为扁平的马鞍形屋盖，索网结构并不适合。
网壳结构和网架结构作为大跨度建筑物中常用的结构形式，具有自重轻、跨度大等特点。但是考虑到单层双曲抛物面网壳结构层较薄，结构在较强外力作用下容易发生整体失稳，《JGJ7-2010空间网格技术规程》建议“单层双曲抛物面网壳的跨度不宜大于60m，单块双曲抛物面壳体的矢跨比取跨度的1/2～1/4”，即小矢跨比的马鞍形屋盖不适宜采用单层网壳结构。双层网壳一定程度上改善了单层网壳稳定性差的问题，但将双层网壳用于马鞍形屋盖时需要保证网壳具有一定厚度，《JGJ7-2010空间网格技术规程》建议网壳厚度取短向跨度的1/20～1/50，这在一定程度上减小了建筑物室内的使用空间。网架结构整体刚度大，但用于双曲抛物面屋盖时，网架结构和双层网壳结构都存在结构形状不规则导致的网格划分不均匀、杆件种类多等问题，给构件制作和结构施工带来技术难题。
张弦梁结构是一种预应力自平衡结构，其构成形式简洁，通过给下部拉索施加预应力对上部结构产生与外荷载作用下相反的内力和变形，从而使结构获得较好的刚度和受力性能；同时张弦梁结构具有自平衡的特性，受外荷载作用时，结构受力呈闭合回路，对支承条件的要求不高，同时也可以跨越较大的跨度。但是张弦梁结构也是一种风敏感结构，张弦梁结构在风吸作用下，下部拉索内力减小，为避免拉索出现松弛而退出工作的情况，往往需要额外增加拉索预应力。另外，张弦梁结构属于平面受力体系，为保证结构平面外的稳定性，需要设置平面外支撑体系。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够适用于大跨度场馆建筑屋盖结构的马鞍形半刚性索网结构，该结构具有良好的受力性能和较高的受力效率，并且建造难度低。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：该结构的平面投影为椭圆形、圆形和菱形中的任意一种。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种马鞍形半刚性索网结构，包括受力方向正向设置的张弦梁、稳定方向反向设置的张弦梁以及边界环梁，所有正向张弦梁的上弦刚性构件构成马鞍形的凹面，所有反向张弦梁的上弦拉索构成马鞍形的凸面，所有所述正向张弦梁的下弦拉索和所有所述反向张弦梁的下弦刚性构件构成下凹椭圆抛物面，在相交处，正向张弦梁和反向张弦梁共用一根撑杆，所述撑杆的上端通过双向铰Ⅰ与所述正向张弦梁的上弦刚性构件连接，所述撑杆的下端通过双向铰Ⅱ与所述反向张弦梁的下弦刚性构件连接，所述正向张弦梁的下弦拉索与所述反向张弦梁的下弦刚性构件连接，所述反向张弦梁的上弦拉索与所述正向张弦梁的上弦刚性构件连接，所述正向张弦梁的上弦刚性构件和下弦拉索以及所述反向张弦梁的上弦拉索和下弦刚性构件分别通过支座与所述边界环梁连接。
该结构的平面投影为椭圆形、圆形和菱形中的任意一种。
所述正向张弦梁的上弦刚性构件、所述反向张弦梁的下弦刚性构件和所述撑杆是由圆钢管、方钢管和H型钢中的任意一种制成的。
所述正向张弦梁的上弦拉索和所述反向张弦梁的上弦拉索是由平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳中的任意一种制成的。
本发明具有的优点和积极效果是：
1)张弦梁结构正反双向正交布置形成的马鞍形半刚性索网结构本身的结构形状具有良好的受力性能和较高的受力效率。结构承受向下的竖向荷载时，正向放置的张弦梁，其上部刚性构件、下部拉索以及撑杆主要承载；结构受风吸作用时，稳定方向下部刚性构件、上部拉索以及撑杆构成的反向张弦梁相当于承受反向荷载，避免了一般张弦梁受风吸作用下部索松弛的情况。
2)张弦梁结构几何非线性不显著，通过正反双向正交布置所形成的马鞍形半刚性索网结构可以通过找力分析确定合理的预应力分布，从而提高受力性能，避免单一索网结构完全依赖合理的预应力分布获得结构刚度的局限性。
3)张弦梁结构正反双向正交布置形成的马鞍形半刚性索网结构给拉索施加预应力后，可以有效控制刚性构件的内力和位移，同时张弦梁的双向布置互为面外支撑，可以有效限制结构平面外失稳。
4)张弦梁结构正反双向正交布置形成的马鞍形半刚性索网结构具有较强的整体稳定性，可用于小矢跨比和小垂度的马鞍形屋盖。
5)张弦梁结构正反双向正交布置形成的马鞍形半刚性索网结构每个非支座节点需要连接的杆件数量较网架结构少，也不存在索网结构中相邻杆件索力差较大的问题，有利于节点的设计和安装。
6)张弦梁结构正反双向正交布置形成的马鞍形半刚性索网结构在两个方向分别形成一种自平衡结构体系，不会对支座产生过大的推力或拉力，有利于支座节点和下部支承结构的设计。
7)张弦梁结构正反双向正交布置形成的马鞍形半刚性索网结构杆件布置简洁有序，避免了双层网壳结构和网架结构网格分布不均匀和杆件种类繁多的问题，建筑物室内美观性得到提高。
附图说明
图1为本发明的三维立体轴侧图；
图2为本发明的上层构件布置轴侧图；
图3为本发明的下层构件布置轴侧图；
图4为本发明的平面图；
图5为本发明的受力方向单榀示意图；
图6为本发明的稳定方向单榀示意图；
图7为本发明的撑杆上节点示意图；
图8为本发明的撑杆下节点示意图。
图中：1为上弦刚性构件，2为下弦拉索，3为上弦拉索，4为下弦刚性构件，5为撑杆，6为上节点，7为下节点，8为锚固节点，9为边界环梁，10为U型索夹，11-1为双向铰Ⅰ，11-2为双向铰Ⅱ，L1为受力方向跨度，L2为稳定方向跨度，s1为稳定方向反向张弦梁间距，s2受力方向正向张弦梁间距，flt为受力方向正向张弦梁上弦刚性构件垂度，fll为受力方向正向张弦梁下弦索垂度，fst为稳定方向反向张弦梁上弦索矢高，fsl为稳定方向反向张弦梁下弦刚性构件垂度。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图6，一种马鞍形半刚性索网结构，包括受力方向正向设置的张弦梁、稳定方向反向设置的张弦梁以及边界环梁9。
所有正向张弦梁的上弦刚性构件1构成马鞍形的凹面，所有反向张弦梁的上弦拉索3构成马鞍形的凸面，所有所述正向张弦梁的下弦拉索2和所有所述反向张弦梁的下弦刚性构件4构成下凹椭圆抛物面。
在相交处，所述正向张弦梁和所述反向张弦梁共用一根撑杆5，所述撑杆5的上端通过双向铰Ⅰ11-1与所述正向张弦梁的上弦刚性构件1连接，所述撑杆5的下端通过双向铰Ⅱ11-2与所述反向张弦梁的下弦刚性构件4连接，所述正向张弦梁的下弦拉索2与所述反向张弦梁的下弦刚性构件4连接，所述反向张弦梁的上弦拉索3与所述正向张弦梁的上弦刚性构件1连接。
所述正向张弦梁的下弦拉索2可以采用U型索夹10固定在所述反向张弦梁的下弦刚性构件4上，也可以采用在下弦刚性构件4设置过索孔，让所述正向张弦梁的下弦拉索2穿越所述过索孔，来实现所述正向张弦梁的下弦拉索2与所述反向张弦梁的下弦刚性构件4的连接，请参阅图7和图8。同理，所述反向张弦梁的上弦拉索3与所述正向张弦梁的上弦刚性构件1的连接，也可以采用上述结构。
所述正向张弦梁的上弦刚性构件1和下弦拉索2以及所述反向张弦梁的上弦拉索3和下弦刚性构件4分别通过支座与所述边界环梁9连接。
上述马鞍形半刚性索网结构的平面投影可以为椭圆形、圆形和菱形中的任意一种。所述正向张弦梁的上弦刚性构件1、所述反向张弦梁的下弦刚性构件4和所述撑杆5，可以采用圆钢管、方钢管和H型钢中的任意一种制成。所述正向张弦梁的下弦拉索2和所述反向张弦梁的上弦拉索3，可以采用平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳中的任意一种制成。
上节点6为受力方向上弦刚性构件1、稳定方向上弦拉索3和撑杆5的交点。下节点7为受力方向下弦拉索2、稳定方向下弦刚性构件4和撑杆5的交点。
下面对上述马鞍形半刚性索网结构进行详细说明：
上述马鞍形半刚性索网结构是由张弦梁结构正反双向正交布置形成的，是由受力方向正向放置的张弦梁、稳定方向倒置的张弦梁以及边界环梁9共同构成的。受力方向和稳定方向的张弦梁正交布置，所有受力方向的上弦刚性构件1构成马鞍形的凹面，所有稳定方向的上弦拉索3构成马鞍形的凸面，两个方向张弦梁的下层构件构成下凹椭圆抛物面，即受力方向的下弦拉索2和稳定方向的下弦刚性构件4均下凹布置。在受力方向由上弦刚性构件1、下弦拉索2、撑杆5共同组成正向张弦梁结构，通过给下弦拉索2施加预应力，使整体结构可以抵消一部分承受外力时的内力和变形，有利于改善结构性能。在稳定方向由上弦拉索3、下弦刚性构件4、撑杆5共同组成反向张弦梁结构，通过张拉上弦拉索3，使结构能够有效抵抗风吸作用，从而解决普通张弦梁结构风吸作用下拉索失效的问题。
受力方向上弦刚性构件1和下弦拉索2、稳定方向上弦拉索3和下弦刚性构件4分别通过锚固节点8与支座连接，锚固节点8设置在支座上，支座安装在边界环梁9上，边界环梁9支承于下部主体结构。
上弦刚性构件1和稳定方向下弦刚性构件4为压弯构件、撑杆5为轴向受力构件，均按照《钢结构设计标准》(GB500017-2017)进行截面设计和验算；受力方向下弦拉索2截面和稳定方向上弦拉索3截面根据《索结构技术规程》(JGJ257-2012)进行设计和验算。
张弦梁结构正反双向正交布置形成的马鞍形半刚性索网结构两个方向的矢高可以根据建筑外观和屋顶标高确定，可用于大跨度场馆建筑屋盖结构，避免了普通索网结构垂度和矢高受限、对边界要求较高、预应力设计和施工张拉复杂的问题，同时避免了单层网壳结构整体稳定性较弱且不能用于小矢跨比屋盖的缺点，还可以避免双层网壳和网架结构用于马鞍形屋盖时杆件种类繁多、施工难度高，以及平面张弦梁结构强风吸作用下拉索可能松弛退出工作等问题。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种马鞍形半刚性索网结构，其特征在于，包括受力方向正向设置的张弦梁、稳定方向反向设置的张弦梁以及边界环梁，
所有正向张弦梁的上弦刚性构件构成马鞍形的凹面，所有反向张弦梁的上弦拉索构成马鞍形的凸面，所有所述正向张弦梁的下弦拉索和所有所述反向张弦梁的下弦刚性构件构成下凹椭圆抛物面，
在相交处，正向张弦梁和反向张弦梁共用一根撑杆，所述撑杆的上端通过双向铰Ⅰ与所述正向张弦梁的上弦刚性构件连接，所述撑杆的下端通过双向铰Ⅱ与所述反向张弦梁的下弦刚性构件连接，所述正向张弦梁的下弦拉索与所述反向张弦梁的下弦刚性构件连接，所述反向张弦梁的上弦拉索与所述正向张弦梁的上弦刚性构件连接，
所述正向张弦梁的上弦刚性构件和下弦拉索以及所述反向张弦梁的上弦拉索和下弦刚性构件分别通过支座与所述边界环梁连接。
2.根据权利要求1所述的马鞍形半刚性索网结构，其特征在于，该结构的平面投影为椭圆形、圆形和菱形中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的马鞍形半刚性索网结构，其特征在于，所述正向张弦梁的上弦刚性构件、所述反向张弦梁的下弦刚性构件和所述撑杆是由圆钢管、方钢管和H型钢中的任意一种制成的。
4.根据权利要求1所述的马鞍形半刚性索网结构，其特征在于，所述正向张弦梁的上弦拉索和所述反向张弦梁的上弦拉索是由平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳中的任意一种制成的。
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