CN111997199A - 一种多层索网结构及其预应力加载方法 - Google Patents

一种多层索网结构及其预应力加载方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种多层索网结构及其预应力加载方法，所述多层索网结构包括第一层结构、第二层结构、以及连接第一层结构和第二层结构的中间层结构；第一层结构包括第一外环梁、第一内环梁，以及连接所述第一外环梁和所述第一内环梁的第一索列；所述第二层结构包括第二外环梁、第二内环梁，以及连接所述第二外环梁和所述第二内环梁的第二索列；所述中间层结构包括连接所述第一索列、所述第二索列的第一连接件以及连接所述第一内环梁、所述第二内环梁的第二连接件。实现了在双向正交索网面的开洞方法，同时将索网结构中常用的主索双索交叉的双向节点简化为单向主索和面外短索或短柱的简单连接，降低了建造难度，并提供了一种索网结构预应力施加方法。

Description

一种多层索网结构及其预应力加载方法
技术领域
本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种应用于建筑结构的大跨度屋顶或立面的新型多层索网结构及其预应力加载方法。
背景技术
在建筑结构领域，人们努力向着更高更大跨度的方向进行突破，对建筑覆盖的空间的使用性能也提出越来越高的要求。在大跨建筑结构领域，张拉结构是最轻盈最高效的体系。而目前比较成熟的双向正交张拉索网形式比较单一，在预应力施工、围护结构设计安装、形式变化，以及网面开洞技术等方面都不尽如人意。
常规单层索网，是典型的高效轻型大跨预应力柔性结构。其中最常见的是马鞍形双曲面双向正交单层索网。预应力通过对主索进行张拉实现，随着跨度增加，张拉力迅速增大，施工工艺复杂。
大型索网结构屋顶围护结构设计安装比较复杂，需要大量的二次结构来安装玻璃或膜结构表皮。而且如果想在索网的中间(一般用于体育场球场上方)开洞，经典的双向正交索网结构并没有很好的实现方法。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种新型的多层索网结构及其预应力加载方法，其具体的技术方案如下：
一种多层索网结构，所述多层索网结构包括第一层结构、第二层结构、以及连接所述第一层结构和所述第二层结构的中间层结构；所述第一层结构包括第一外环梁、第一内环梁，以及连接所述第一外环梁和所述第一内环梁的第一索列；所述第二层结构包括第二外环梁、第二内环梁，以及连接所述第二外环梁和所述第二内环梁的第二索列；所述中间层结构包括连接所述第一索列和所述第二索列的第一连接件、连接所述第一内环梁和所述第二内环梁的第二连接件。
可选地，所述第一索列的中间区域低于边缘区域。
可选地，所述第二索列的中间区域高于边缘区域。
可选地，所述第一内环梁还包括用于加强的第一内切弦索或第一加强索列。
可选地，所述第二内环梁还包括用于加强的第二内切弦索或第二加强索列。
可选地，所述第一外环梁、所述第二外环梁为所述索网结构的支座或支承体系，所述第一外环梁、所述第二外环梁还包括周圈的支座或与支承体系的连接件。
可选地，所述第一连接件是等长或不等长的拉索或短柱，所述第二连接件包括短柱或部分拉索。
可选地，所述第二连接件长度是零，即第一内环梁和第二内环梁合二为一。
可选地，还包括设置在所述多层索网结构内环的加强结构，所述内环的加强结构包括附加环梁及附加连接杆件，与所述第一内环梁、第二内环梁、第二连接件形成内环空间桁架或内环加强索环。
可选地，所述第一内环梁、所述第二内环梁具有圆形、椭圆形或者其它平面投影形状。
可选地，所述第一内环梁、所述第二内环梁形状不同。
可选地，所述第一内环梁、所述第二内环梁的内径为零或接近于零。
本发明还提出一种多层索网结构的预应力加载方法，所述多层索网结构包括第一层结构、第二层结构、以及连接所述第一层结构和所述第二层结构的中间层结构；所述第一层结构包括第一外环梁、第一内环梁，以及连接所述第一外环梁和所述第一内环梁的第一索列；所述第二层结构包括第二外环梁、第二内环梁，以及连接所述第二外环梁和所述第二内环梁的第二索列；所述中间层结构包括连接所述第一索列和所述第二索列的第一连接件、连接所述第一内环梁和所述第二内环梁的第二连接件；对所述第一连接件通过预应力张紧装置施加预应力。
可选地，所述预应力张紧装置包括幕墙细索或拉杆用索头。
可选地，还包括对所述第一索列、所述第二索列的端部进行张拉。
本发明将常规单层索网的两个方向索列进行上下分离，单层变双层。一般上层为中间低两端高的索列，下层为中间高两端低的索列。如有开洞，则在上下层的开洞口设置内环梁。并在上下层索之间以及上下层内环梁之间用短柱(或拉索)连接。并根据具体设计需要分别对第一、第二层结构采用第一、第二内切弦索或第一、第二加强索列进行补强，也可设置内环加强结构，或将第一内环梁与第二内环梁合二为一成为单层内环梁形式。
索网是最高效的空间结构形式之一，本发明专利实现了在索网面的开洞方法，有效拓展其使用情形。同时将索网结构中常用的双索正交的双向节点简化为单向索和短索或短柱的简单连接，显著降低了建造难度。并由此提供了一种独特的索网预应力施加方法，即可用张紧小拉索或缩紧短柱长度，替代或部分替代常规的张紧主索索列的方案。预应力施加力大小通常可降低数十倍以上。通常采用人工或便携张紧装置即可基本完成大型、超大型索网结构的预应力施加。而且只要索网间距变化不大、荷载变化不大的情况下，张拉力就基本不变。跨度越大，优势越明显。
索网由于其大变形性，最适合的围护结构是膜结构。双向索网上下分置，分别作为膜结构的张拉支撑边界，大大简化了二次结构。膜结构的安装，也会对上下层索网的协同作用起到很好的作用。
用作屋面时，索网结构的屋面组织排水比较复杂，双向索网上下分置后，自然形成的整体折板形排水通道，非常有利排水的组织。
附图说明
图1为现有技术的单层双向索网结构示意图；
图2为本发明其中一实施例的多层索网结构的上层结构示意图；
图3为本发明其中一实施例的多层索网结构的下层结构示意图；
图4为本发明其中一实施例的多层索网结构的中间层结构示意图；
图5为本发明其中一实施例的多层索网结构内环的加强结构示意图；
图6为本发明其中一实施例的多层索网结构示意图A；
图7为本发明其中一实施例的多层索网结构示意图B；
图8为本发明其中一实施例的多层索网结构上层结构的第一内切弦索补强示意图；
图9为本发明其中一实施例的多层索网结构下层结构的第二内切弦索补强示意图；
图10为本发明其中一实施例的多层索网结构上层结构的第一加强索列补强示意图；
图11为本发明其中一实施例的多层索网结构下层结构的第二加强索列补强示意图。
具体实施方式
参见图1，为常规的单层正交索网结构，该单层索网结构，需要在主索索端施加很大的预应力进行索网的张紧成型，施工难度高。且由于只有单层正交索列结构，因此不能形成开洞。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种新型的索网结构及其预应力加载方法，参见图 2-5，本发明其中一实施例，提出一种新型的多层索网结构，该多层索网结构包括第一层结构1、第二层结构2、连接所述第一层结构和所述第二层结构的中间层结构3，以及和中间层结构3共同组成内环空间桁架的内环加强结构4；其中，第一层结构1例如为上层结构，第二层结构2例如为下层结构。
参见图2，第一层结构1包括第一外环梁101、第一内环梁103，以及连接所述第一外环梁101和所述第一内环梁103的第一索列102。
参见图3，第二层结构2包括第二外环梁201、第二内环梁203，以及连接所述第二外环梁201和所述第二内环梁203的第二索列202。
参见图4，中间层结构3包括连接所述第一索列102、所述第二索列202的第一连接件 301以及连接所述第一内环梁103、所述第二内环梁203的第二连接件302。
参见图5，内环加强结构4包括附加环梁401，以及连接所述401与第一内环梁103、第二内环梁203的腹杆402。并与第一内环梁103、第二内环梁203及第二连接件302一起构成内环空间桁架
其中，第一索列102的中间区域低于边缘区域；第二索列202的中间区域高于边缘区域；第一索列102和第二索列202相互交错设置。
第一连接件301例如为竖向小拉索，采用常见的索夹具连接第一索列102及第二索列 202，且可在301上设置张紧装置，用于整体结构的预应力施加；该张紧装置例如为常见的幕墙细索或拉杆用小型可调节长度索头，造价低廉，预应力施加力降低数十倍以上，通常采用人工或便携张紧装置即可基本完成大型、超大型索网结构的预应力施加。而且只要索网间距变化不大、荷载变化不大的情况下，张拉力就基本不变。跨度越大，优势越明显。且由于形成了多层索网，可以实现在正交索网的中间开洞。
第二连接件302例如为短柱或拉索，采用常规的焊接或者铰接连接第一内环梁103及第二内环梁203。
利用本发明所制备的包括开洞的双层双向马鞍形索网结构示意图A如图6所示。
进一步地，本发明所形成的索网结构也可以不是马鞍形，而是任何的负高斯双曲面索网结构。
进一步地，还可以第二连接件302长度是零，即第一内环梁103和第二内环梁203合二为一，形成如图7所示的索网结构。
进一步地，为了增强上层结构的强度，第一层结构1还包括用于加强的第一内切弦索104或第一加强索列105，如图8、10所示。
相应地，第二层结构2也可以包括用于加强的第二内切弦索204或第二加强索列205，如图9、11所示。
该第一内切弦索104或者第二内切弦索204为沿第一内环梁103或者第二内环梁203 内侧的弦设置的首尾相接的几组拉索。
该第一加强索列105系沿着第一索列102的方向在第一内环梁103区域增设的索列；该第一加强索列105也可以是保留在第一内环梁103区域的部分第一索列102。
该第二加强索列205系沿着第二索列202的方向在第二内环梁203区域增设的索列；该第二加强索列205也可以是保留在第二内环梁203区域的部分第二索列202。
对于第一外环梁101或者第二外环梁201而言，其为索网结构的支座体系，可以直接设置于支座上或者其他支承结构上，即第一外环梁、第二外环梁还包括周圈的支座或与支承结构的连接件。
进一步地，所述第一内环梁、所述第二内环梁具有圆形、椭圆形或者其它平面投影形状。所述第一内环梁、所述第二内环梁的形状可以不同。
此外，本发明所提出的多层索网结构也可以不开洞，即第一内环梁103、第二内环梁203 的内径为零或接近于零。或所述第一、第二加强索列可以分别将第一、第二索列贯通，则可取消第一、第二内环梁即内环加强结构，成为无洞索网。
此外，利用两层索网之间的高差，进行高效的膜结构支承及排水组织。一般两层索网间的最大高差可以是第一、二索列中，索间距的1/2～1/4之间。特别是位于下层的第二索列，其中的每一根索可以是2根以上的平行索束组成，形成的索束平面可以便于排水沟的设置。所述第一索列、第二索列中，索的间距可以不相等，但差异一般不超过一倍。所述第一连接件的长度可以不相等。
此外，可在索网的开洞部分做开启屋面，第一、二加强索列可以作为滑动的轨道；也可直接在不开洞的索网上，选择一个区域(通常为方形)做开启屋面，第一、二索列作为滑动的轨道。在索网上做开启屋面，常用波浪型手风琴式折叠的膜结构。
不开启的屋面围护结构，可以不是膜结构，可以是其他金属或非金属板材或单元组件。
本发明所提出的多层索网结构可以用作屋面或墙面。
本发明还提出一种多层索网结构的预应力加载方法，通过增加中间层，只对中间层的第一连接件301上设置张紧装置，用于整体结构的预应力施加；该张紧装置例如为常见的幕墙细索或拉杆用小型可调节长度索头，造价低廉，预应力施加力降低数十倍以上，通常采用人工或便携张紧装置即可基本完成大型、超大型索网结构的预应力施加。而且只要索网间距变化不大、荷载变化不大的情况下，张拉力就基本不变。跨度越大，优势越明显。且由于形成了多层索网，可以实现在正交索网的中间开洞。
可选地，本发明也可以同时保留对第一索列102、第二索列202的端部进行张拉。
本发明专利实现了在索网面的开洞方法，有效拓展其使用情形。同时将索网结构中常用的双索正交的双向节点简化为单向短索或短柱的简单连接，显著降低了建造难度。并提供了一种独特的索网预应力施加方法，即可用张紧小拉索或缩紧短柱长度，替代常规的张紧主索索列的方案。预应力施加力降低数十倍以上，通常采用人工或便携张紧装置即可基本完成大型、超大型索网结构的预应力施加。
索网由于其大变形性，最适合的围护结构是膜结构。双向索网上下分置，分别作为膜结构的张拉支撑边界，大大简化的二次结构。膜结构的安装，也会对上下层索网的协同作用起到很好的作用。
用作屋面时，索网结构的屋面组织排水比较复杂，双向索网上下分置后，自然形成的整体折板形排水通道，非常有利排水的组织。
本发明所公开实施例的附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本新型，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本新型的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种多层索网结构，其特征在于，所述多层索网结构包括第一层结构、第二层结构、以及连接所述第一层结构和所述第二层结构的中间层结构；所述第一层结构包括第一外环梁、第一内环梁，以及连接所述第一外环梁和所述第一内环梁的第一索列；所述第二层结构包括第二外环梁、第二内环梁，以及连接所述第二外环梁和所述第二内环梁的第二索列；所述中间层结构包括连接所述第一索列和所述第二索列的第一连接件、连接所述第一内环梁和所述第二内环梁的第二连接件。
2.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，所述第一索列的中间区域低于边缘区域。
3.根据权利要求1或2所述的多层索网结构，其特征在于，所述第二索列的中间区域高于边缘区域。
4.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，所述第一内环梁还包括用于加强的第一内切弦索或第一加强索列。
5.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，所述第二内环梁还包括用于加强的第二内切弦索或第二加强索列。
6.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，所述第一外环梁、所述第二外环梁为所述索网结构的支座或支承体系，所述第一外环梁、所述第二外环梁还包括周圈的支座或与支承体系的连接件。
7.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，所述第一连接件是等长或不等长的拉索或短柱，所述第二连接件包括短柱或部分拉索。
8.根据权利要求7所述的多层索网结构，其特征在于，所述第二连接件长度是零，即第一内环梁和第二内环梁合二为一。
9.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，还包括设置在所述多层索网结构内环的加强结构，所述内环的加强结构包括附加环梁及附加连接杆件，与所述第一内环梁、第二内环梁、第二连接件形成内环空间桁架或内环加强索环。
10.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，所述第一内环梁、所述第二内环梁具有圆形、椭圆形或者其它平面投影形状。
11.根据权利要求9所述的多层索网结构，其特征在于，所述第一内环梁、所述第二内环梁形状不同。
12.根据权利要求1所述的多层索网结构，其特征在于，所述第一内环梁、所述第二内环梁的内径为零或接近于零。
13.一种多层索网结构的预应力加载方法，其特征在于：所述多层索网结构包括第一层结构、第二层结构、以及连接所述第一层结构和所述第二层结构的中间层结构；所述第一层结构包括第一外环梁、第一内环梁，以及连接所述第一外环梁和所述第一内环梁的第一索列；所述第二层结构包括第二外环梁、第二内环梁，以及连接所述第二外环梁和所述第二内环梁的第二索列；所述中间层结构包括连接所述第一索列和所述第二索列的第一连接件、连接所述第一内环梁和所述第二内环梁的第二连接件；对所述第一连接件通过预应力张紧装置施加预应力。
14.根据权利要求13所述的多层索网结构的预应力加载方法，其特征在于：所述预应力张紧装置包括幕墙细索或拉杆用索头。
15.根据权利要求13所述的多层索网结构的预应力加载方法，其特征在于：还包括对所述第一索列、所述第二索列的端部进行张拉。
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CN113638498A (zh) * 2021-05-31 2021-11-12 东南大学 一种基于广义Miura折纸的双层可折叠膜结构

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