CN112523358A - 一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系及应用 - Google Patents

一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系及应用 Download PDF

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CN112523358A CN202010919366.4A CN202010919366A CN112523358A CN 112523358 A CN112523358 A CN 112523358A CN 202010919366 A CN202010919366 A CN 202010919366A CN 112523358 A CN112523358 A CN 112523358A
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Abstract

本发明公开了一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系及应用,包括双向斜交索桁架组合体、双层内环拉索组合体、单层外环压梁、斜交落地支撑柱。双向斜交索桁架组合体是由沿环向顺向组、逆向组斜交索桁架交叉汇合并共用竖向撑杆构成,具有极大抗扭刚度;双层内环拉索组合体包括上内环索、下内环索、内环撑杆和内环斜拉索,斜拉索用以屋盖曲面造型;单层外环压梁为受压状态,沿外环边界整圈布置;斜交落地支撑柱为索桁架体系提供竖向支撑。本发明基于由双向斜交索桁架、内环拉索、外环压梁构成的轮辐式张拉自平衡体系的协同模式,并支撑在斜交落地支撑柱上,构件组成模块明确,传力清晰,具有高抗扭刚度、高承载力特点,应用范围较广。

Description

一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系及应用
技术领域
本发明属于结构工程技术领域,尤其涉及一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系。
背景技术
索杆梁膜体系是一种新颖的刚柔性组合空间大跨结构体系,通过索、膜柔性构件的预应 力设置和杆、梁刚性构件的支撑作用构成具有特定初始几何形态和整体承载刚度的受力模式。 由于其自重轻、跨度大,兼具结构的受力合理性和建筑造型的艺术表现力,广泛应用于体育 场馆等大跨空间屋盖结构体系中。
张拉自平衡体系是其中一类较为重要的空间大跨结构形式,通过按一定规则组合的拉力 构件与边界受压刚性构件共同构成自平衡结构型式。该类体系在尽量减轻自重的前提下,充 分利用了拉索的高强度性能,实现超大跨度空间的结构跨越。同时,由于其为自平衡体系, 结构受力模式自成一体,结构边界不存在侧推力的影响,这为竖向支承结构的设计和形式带 来了极大的便利和可选的余地。
轮辐式索桁架体系作为典型的张拉自平衡体系,源于自行车的车轮辐条形式,通过按一 定角度径向辐射状布置的索桁架或索拱单元连接内环拉索和外环压梁,并施加预应力形成初 始形态和承载刚度。其中索桁架一般为径向布置,环向无连接或通过侧向支撑连接,整体抗 扭刚度相对较弱。因而合理有效的索桁架布置形式是保证其承载性能和实施可行性的一个重 要因素。
双向斜交组合形式的轮辐式索桁架布置可有效解决抗扭刚度较弱这一重要问题。通过双 向对称设置的斜径向索桁架和平面交汇处的共用撑杆,构成整体受力模式。该种组合形式抗 扭刚度较大,但也存在节点汇交构件多、连接构造复杂、体系受力复杂、施工张拉成形要求 高等问题,合理有效的形式构造及施工张拉方案也是保证其承载性能的一个重要因素。
此外,屋盖整体曲面造型可通过曲线构造的内环拉索或外环压梁形式来实现,局部的屋 面造型则可通过局部索拱、弧梁支撑等结构形式来处理。
综上所述,研究一种双向斜交组合的轮辐式张拉自平衡索桁架体系的形式及设计方法, 以适用于内开口的大跨度轻型复杂曲面空间建筑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双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,可以实现内开口的 大跨度轻型复杂曲面空间建筑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,有效符合整体张拉自平衡受力模式的设计原 则,在充分发挥结构体系整体刚度和较轻自重的同时,通过共用竖向撑杆的双向斜交索桁架 组合形式实现体系的极大抗扭刚度,通过内环斜拉索的长度调节控制内环空间曲线以实现体 系的曲面造型,达到大跨度(跨度不小于100米)轻型复杂曲面空间屋盖建筑造型及功能。
本发明的设计思路基于双向斜交索桁架的有效组合和整体受力模式:
首先,沿整圈环向呈一定夹角分别设置顺向组、逆向组斜交索桁架,通过交叉汇合并共 用竖向撑杆形式构成具有极大整体抗扭刚度的双向斜交索桁架组合体;其次,在索桁架两端 分别连接内侧受拉的双层内环拉索组合体和外侧受压的单层外环压梁,组成张拉自平衡整体 受力体系,并竖向支撑于斜交落地支撑柱上;最后,在给定初始预应力形成体系初始刚度的 前提下,通过非线性分析保障结构体系的整体承载性能,避免出现坍塌破坏。
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:
一种双向斜交组合的轮辐式张拉自平衡索桁架体系,包括双向斜交索桁架组合体、双层 内环拉索组合体、单层外环压梁、斜交落地支撑柱。
所述双向斜交索桁架组合体是由沿环向呈一定夹角设置的顺向组、逆向组斜交索桁架交 叉汇合构成,竖向撑杆对应各组索桁架共用,组成具有极大整体抗扭刚度的中心支撑构架; 所述双层内环拉索组合体包括上内环索、下内环索、撑杆和斜拉索,上、下内环索均为受拉, 斜拉索则为屋盖曲面造型提供可能;所述单层外环压梁沿外环边界整圈布置,相对构件截面 较大,主要承受轴压作用;所述斜交落地支撑柱位于外环压梁下方,为屋盖张拉自平衡索桁 架体系提供竖向支撑。本发明基于由双向斜交索桁架、内环拉索、外环压梁构成的轮辐式张 拉自平衡体系的协同作用模式,并通过斜交落地支撑柱的竖向支撑,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。
进一步地,所述顺向组、逆向组斜交索桁架均以斜径向布置的单榀索桁架为基本单元, 顺向组、逆向组的单榀斜径向索桁架配对设置,分别构成顺时针、逆时针旋转斜径向平面布 置索桁架体系;单榀斜径向索桁架与内环拉索的平面夹角一般为30°~60°,以便于拉索节 点的连接构造;由于索桁架的辐射状布置引起其环向间距逐渐增大,各榀斜交索桁架在内环 拉索处的环向间距控制为5m~10m,则对应在外环压梁处的间距为10m~20m。更进一步地, 顺向组、逆向组斜交索桁架与内环拉索的夹角均为41°,为交叉对称布置,分别共计36榀 斜径向索桁架。
进一步地,单榀斜径向索桁架由上径索、下径索和竖向撑杆所组成。顺向组、逆向组斜 交索桁架的各个平面交叉位置均通过共用竖向撑杆形式进行连接,构成具有极大抗扭刚度的 整体受力体系。更进一步地,除外环压梁端部外,单榀斜径向索桁架内部共计6道竖向撑杆; 对于单榀斜径向索桁架来说,竖向撑杆也可适当进行加密布置,并不限于整体体系的平面交 叉点位置。
进一步地,单榀斜径向索桁架与双层内环拉索组合体之间通过共用竖向撑杆的形式来连 接,即索桁架的内环端竖向撑杆与双层内环拉索组合体的竖向撑杆为共用构件。单榀斜径向 索桁架的外环端汇合成单个节点,并与外环压梁连接。
进一步地,各个单榀斜径向索桁架的剖面变化形式基本一致,但其具体曲线定位并不相 同,这是由双层内环拉索组合体的空间曲线定位引起的,并构成了大跨屋面复杂曲面造型。 斜交索桁架的拉索相对内环拉索的拉力一般要小一些,对应拉索截面也相对较小,一般为直 径50mm~100mm。
进一步地,所述双层内环拉索组合体可为具有高差变化的空间曲线形式设置,这一过程 是通过调节斜拉索的长度以控制单个网格的四边形形状变化来实现的,斜拉索沿四边形短对 角线设置,为受拉状态,斜拉索受力较大时可进一步加密网格。由于顺向组、逆向组的单榀 斜径向索桁架在双层内环拉索组合体处的连接节点存在竖向高差,其上径索、下径索的平面 交叉位置实际也存在高差,竖向撑杆的上、下端分别取对应上径索、下径索的中点位置进行 平均化处理考虑。
进一步地,内环拉索受力在所有拉索中一般较大,对应拉索截面也相对较大,一般为直 径100mm~200mm。斜拉索的设置使得内环拉索由一系列三角形网格构成形状固定的空间曲 线形式。
进一步地,部分关键拉索构件采用变长度可调节的构件形式,通过旋转套筒连接来伸长 或压缩拉索构件的长度,控制其初始预应力,以产生后续可承载的体系初始刚度和初始形态, 拉索构件的预应力数值通过测量段数据显示的长度变化换算获得。
进一步地,所述外环压梁沿外环边界整圈布置,主要承受轴压作用,一般设置为抗压强 度较高的钢筋混凝土环梁。外环压梁的截面一般为矩形,截面高度为1000mm~2000mm。拉 索与外环压梁的连接通过预埋锚板的形式来处理。
进一步地,所述斜交落地支撑柱由一系列环向设置的单榀倒三角钢网格结构连接构成整 体竖向支撑体系。单榀倒三角钢网格由斜柱、横梁、斜撑构件组成,钢网格形状为正三角形, 钢网格构件截面为箱型钢管或圆管,截面尺寸400mm~800mm。钢网格下端固支于基础或转 接于地下室柱上,上端则通过抗震球铰支座对张拉自平衡的索桁架屋盖体系进行竖向支撑。 支撑节点处节点板件加厚并设置内隔板进行节点加强处理。
进一步地,由于外环压梁、索桁架、内环拉索构成张拉自平衡体系,斜交落地支撑柱无 侧向力作用,设计时仅需考虑竖向支撑即可。
进一步地,本发明所述斜交落地支撑柱为优选方案,根据建筑造型也可变化为曲线形式 的钢网格结构,这并不会影响本发明轮辐式张拉索桁架体系的各部件组成和拼装方式。
本发明还提供一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系在内开口的大跨度轻型复杂曲 面空间建筑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100 米且满足特助建筑功能和造型的大空间公共民用建筑。
本发明具有以下有益效果:
本发明提供的双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其结构体系构造合理,可以实现 内开口的大跨度复杂曲面空间建筑屋盖结构体系设计及承载,充分发挥斜交组合索桁架体系 的高抗扭刚度、高承载力和无侧推力优点。该结构体系以单榀斜径向索桁架为基本单元,通 过沿环向设置顺向组、逆向组斜交索桁架,并交叉汇合、共用竖向撑杆构成一体;通过两端 连接于内环拉索、外环压梁组成张拉自平衡整体受力模式,并通过斜交落地支撑柱进行竖向 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。基于非线性极限承载性能分 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 系抗扭刚度大、承载力高,在大跨度复杂空间建筑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-1e分别是本发明双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系实施例的结构示意图、顺 向组斜交索桁架、逆向组斜交索桁架、双层内环拉索组合体和单层外环压梁、斜交落地支撑 柱;
图2是本发明轮辐式张拉索桁架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是本发明轮辐式张拉索桁架体系实施例的剖切正视图,即图1中B-B剖切的示意图;
图4本发发明轮辐式张拉索桁架体系实施例的剖切右视图,即图1中C-C剖切的示意图;
图5图2的逆向组单榀斜径向索桁架的D-D剖面图;
图6图2的顺向组单榀斜径向索桁架的E-E剖面图;
图7a是图1d的双层内环拉索组合体结构示意图,图7b-7c分别是图7a的F-F剖切正视 图、G-G剖切右视图;
图8a是图1e的斜交落地支撑柱的H-H剖切正视图,图8b是图8a的斜交落地支撑柱上 端支座节点17处的抗震球铰支座构造示意图;
图9是变长度可调节拉索构件的构造示意图;
图10是本发明轮辐式张拉索桁架体系实施例的部件拼装流程图。
附图中,各标号所代表的部件如下:
1.顺向组斜交索桁架上径索;2.顺向组斜交索桁架下径索;3.斜交索桁架竖向撑杆;4.逆 向组斜交索桁架上径索;5.逆向组斜交索桁架下径索;6.上内环索;7.下内环索;8.内环竖向 撑杆(索桁架端部竖向撑杆);9.内环斜拉索;10.内环曲线最低定位点;11.内环曲线最高定 位点;12.外环压梁;13.斜交索桁架的外环汇交节点;14.斜交落地支撑柱斜柱;15.斜交落地 支撑柱横梁;16.斜交落地支撑柱斜撑;17.斜交落地支撑柱上端支座节点;18.斜交落地支撑 柱下端支座节点;19.中心定位点;20.抗震球铰支座;21.节点加劲板;22.可调节拉索构件段; 23.可调节拉索测量段;24.可调节拉索套筒;25.可调节拉索连接节点。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图,对本发明所述一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系 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-1e以及图2、3所示,本发明的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系包括 双向斜交索桁架组合体、双层内环拉索组合体、单层外环压梁、斜交落地支撑柱。所述双向 斜交索桁架组合体是由沿环向呈一定夹角设置的顺向组斜交索桁架(图1b)、逆向组斜交索 桁架(图1c)交叉汇合构成,斜交索桁架竖向撑杆3对应顺向组、逆向组斜交索桁架共用, 组成具有极大整体抗扭刚度的中心支撑构架;所述双层内环拉索组合体(图1d的内环部分) 包括上内环索、下内环索、内环撑杆和内环斜拉索,内环上、下索均为受拉,通过斜拉索长 度的调节控制内环空间曲线形式以实现屋盖体系的曲面造型;所述单层外环压梁(图1d的外 环部分)沿外环边界整圈布置,相对构件截面较大,主要承受轴压作用;所述斜交落地支撑 柱(图1e)位于外环压梁下方,通过球铰支座为屋盖张拉自平衡索桁架体系提供竖向支撑。
具体地,如图1b所示,所述顺向组斜交索桁架由绕中心定位点19顺时针方向平面旋转 阵列布置的一系列单榀斜径向索桁架所组成,包括顺向组斜交索桁架上径索1、顺向组斜交 索桁架下径索2、斜交索桁架竖向撑杆3。
如图1c所示,所述逆向组斜交索桁架由绕中心定位点19逆时针平面旋转阵列布置的一 系列单榀斜径向索桁架所组成,包括逆向组斜交索桁架上径索4、逆向组斜交索桁架下径索5、 斜交索桁架竖向撑杆3。
如图1a、图2所示,顺向组、逆向组斜交索桁架的单榀斜径向索桁架配对设置,斜交索 桁架竖向撑杆3位于平面交叉位置并处于共用状态;顺向组、逆向组的单榀斜径向索桁架与 内环拉索的平面夹角均优选为30°~60°,对称设置为优选方案,该交叉汇合形式构成的双 向斜交索桁架组合体具有便于拉索节点连接构造和整体抗扭刚度形成的优点。本实施例顺向 组、逆向组斜交索桁架与内环拉索的夹角均为41°,为交叉对称布置,分别共计36榀单榀 斜径向索桁架。
如图2所示,由于斜交索桁架的辐射状布置引起其交叉汇合节点的环向间距逐渐增大, 相邻单榀斜径向索桁架在内环拉索处的环向间距控制为5m~10m,对应在外环压梁处的间距 则为10m~20m。
如图5、图6所示,单榀斜径向索桁架由顺向组斜交索桁架上径索1或逆向组斜交索桁 架4、顺向组斜交索桁架下径索2或逆向组斜交索桁架5和斜交索桁架竖向撑杆3所组成。顺向组、逆向组斜交索桁架的各个平面交叉位置(图2)均通过共用斜交索桁架竖向撑杆3的形式进行连接,构成具有极大抗扭刚度的整体受力体系。本实施例中,除外环压梁端部外, 单榀斜径向索桁架内部共计6道竖向撑杆;对于单榀斜径向索桁架来说,竖向撑杆也可适当 进行加密布置,并不限于整体体系的平面交叉点位置。
如图1a、图5、图6所示,单榀斜径向索桁架与双层内环拉索组合体(图7a)之间通过共用内环竖向撑杆(索桁架端部竖向撑杆)8的形式来连接,即索桁架的内环端竖向撑杆与双层内环拉索组合体的内环竖向撑杆为共用构件。单榀斜径向索桁架的外环端则汇合成斜交 索桁架的外环汇交节点13,并与外环压梁12通过锚板进行铰接连接。
如图5、图6所示,各个单榀斜径向索桁架的剖面变化形式基本一致,但其具体曲线形 式并不相同,这是由双层内环拉索组合体的空间曲线定位(内环曲线最低定位点10、内环曲 线最高定位点11)引起的,并构成了大跨屋面复杂曲面造型(图3、图4)。斜交索桁架的拉 索相对内环拉索的拉力一般要小一些,对应拉索截面也相对较小,一般为直径50mm~100mm。
如图1d、图7a~7c所示,所述双层内环拉索组合体由上内环索6、下内环索7、内环竖 向撑杆(索桁架端部竖向撑杆)8和内环斜拉索9所组成,上、下内环索均为受拉状态。双层内环拉索组合体的形式可为具有高差变化的空间曲线形式设置,这一过程是通过调节内环 斜拉索9的长度以控制单个网格的四边形形状变化来实现的,斜拉索沿四边形短对角线设置, 为受拉状态,斜拉索受力较大时可进一步加密网格。
如图1a、图2所示,由于顺向组、逆向组的单榀斜径向索桁架在双层内环拉索组合体处 的连接竖向撑杆(索桁架端部竖向撑杆)8及其对应端节点存在竖向高差,其顺向组斜交索 桁架上径索1或逆向组斜交索桁架4、顺向组斜交索桁架下径索2或逆向组斜交索桁架5的 平面交叉位置实际也存在高差,斜交索桁架竖向撑杆3的上、下端分别取对应上径索1或4、 下径索2或5的中点位置进行平均化处理考虑。
如图7a所示,所述双层内环拉索组合体的上内环索6、下内环索7的所受拉力在所有拉 索中一般较大,对应拉索截面也相对较大,一般为直径100mm~200mm。内环斜拉索9的设 置使得内环拉索由一系列三角形网格构成形状固定的空间曲线形式。
如图9所示,作为优选方案,部分关键拉索构件采用变长度可调节的构件形式,由可调 节拉索构件段22、可调节拉索测量段23、可调节拉索套筒24、可调节拉索连接节点25所组 成。通过可调节拉索套筒24的旋转来伸长或压缩拉索构件长度,控制其初始预应力,以产生 后续可承载的体系初始刚度和初始形态,拉索构件的预应力数值通过可调节拉索测量段23数 据显示的长度变化换算获得。
如图1d所示,所述单层外环压梁沿外环边界整圈布置,主要承受轴压作用,一般设置为 抗压强度较高的钢筋混凝土环梁。作为优选方案,外环压梁12的截面一般为矩形,截面高度 为1000mm~2000mm。斜交索桁架的拉索与外环压梁12在斜交索桁架的外环汇交节点13处 通过预埋锚板的形式来连接处理。
如图1e、8a所示,所述斜交落地支撑柱由一系列环向设置的单榀倒三角钢网格结构连接 构成整体竖向支撑体系,支撑于单层的外环压梁12上,为屋盖张拉自平衡索桁架体系提供竖 向支撑。单榀倒三角钢网格则由斜交落地支撑柱斜柱14、斜交落地支撑柱横梁15、斜交落地 支撑柱斜撑16构件所组成,网格形状为正三角形。作为优选方案,钢构件截面一般为箱型钢 管或圆钢管,截面尺寸400mm~800mm。外环压梁一般为平面圆形或椭圆形式(图8a),以充 分发挥其轴压承载性能。
如图1e、图8a~8b所示,单榀倒三角钢网格的斜交落地支撑柱下端支座节点18固支于 基础或转接于地下室柱上,斜交落地支撑柱上端支座节点17则通过抗震球铰支座20对张拉 自平衡的斜交索桁架屋盖体系进行竖向支撑。支撑节点处节点板件加厚并设置节点加劲板21 进行节点加强处理。本实施例中每个单榀倒三角网格的下端为单个支座节点,上端为三个支 座节点,上端两侧节点相互连接。
如图1a、1e所示,由于所述斜交索桁架组合体、双层内环拉索组合体、单层外环压梁构 成张拉自平衡体系,斜交落地支撑柱不存在侧向推力作用,设计时仅需考虑竖向支撑即可, 这为竖向支撑构件的轻型化和小截面化提供了便利。
如图8a所示,本发明所述由单榀倒三角钢网格结构形式构成的斜交落地支撑柱为优选方 案,根据建筑造型也可变化为曲线形式的钢网格结构形式,这并不会影响本发明轮辐式张拉 索桁架体系的各部件组成和拼装方式。
如图10所示,本发明所述双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系具体部件拼装流程如下:
(1)顺向组斜交索桁架上径索1、顺向组斜交索桁架下径索2、斜交索桁架竖向撑杆3 组成顺向斜交索桁架基本单元,并基于中心定位点19旋转阵列组成顺向组斜交索桁架;
(2)逆向组斜交索桁架上径索4、逆向组斜交索桁架下径索5、斜交索桁架竖向撑杆3 组成逆向斜交索桁架基本单元,并基于中心定位点19旋转阵列组成逆向组斜交索桁架;
(3)步骤(1)、(2)的顺向组、逆向组斜交索桁架交叉汇合,共同组成具有极大抗扭刚 度的中心支撑构架;其中斜交索桁架竖向撑杆3对应顺向组、逆向组共用;可调节拉索构件 由可调节拉索构件段22、可调节拉索测量端23、可调节拉索套筒24、可调节拉索连接节点 25索组成,通过调节长度控制拉索预应力;
(4)双层内环拉索组合体与索桁架内环端连接,由上内环索6、下内环索7、内环竖向 撑杆(索桁架端部竖向撑杆)8、内环斜拉索9所组成;内环拉索承受拉力作用,内环竖向撑 杆8同时也是索桁架内侧端部竖向撑杆;
(5)通过内环斜拉索9的长度调节控制双层内环拉索组合体的曲线形状,典型定位点包 括内环曲线最低定位点10、内环曲线最高定位点11;
(6)斜交索桁架在外环端汇合为斜交索桁架的外环汇交节点13,并通过锚板锚固在外 环压梁12上,外环压梁承受压力作用;
(7)斜交落地支撑柱由斜交落地支撑柱斜柱14、斜交落地支撑柱横梁15、斜交落地支 撑柱斜撑16所组成,位于双向斜交索桁架体系的下方,其斜交落地支撑柱上端支座节点17 处设置经节点加劲板21加强后的抗震球铰支座20,以对双向斜交索桁架体系进行竖向支撑, 斜交落地支撑柱下端支座节点18处则固支于地下室顶板梁上。
本发明还提供一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系在内开口的大跨度轻型复杂曲 面空间建筑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100 米且满足特助建筑功能和造型的大空间公共民用建筑。
相比于现有技术的不足,本发明提供的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系基于 顺向组、逆向组斜交索桁架的双向交叉汇合及端部连接于内环拉索、外环压梁组成的张拉自 平衡整体受力模式,并通过斜交落地支撑柱进行竖向支撑,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,其体系抗扭刚度大、承载力高,可实现涉及大跨度(跨度不小于100米) 且满足特殊建筑造型及功能的复杂大跨空间屋盖结构体系设计及承载。基于非线性极限承载 性能分析,通过整体变形刚度、应力比承载等整体性能控制,可进一步保障本发明双向斜交 组合的轮辐式张拉索桁架体系的高整体刚度、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 (9)

1.一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,包括双向斜交索桁架组合体、双层内环拉索组合体、单层外环压梁、斜交落地支撑柱;
所述双向斜交索桁架组合体是由沿环向呈一定夹角设置的顺向组、逆向组斜交索桁架交叉汇合构成,通过共用竖向撑杆组成中心支撑构架;所述双层内环拉索组合体包括上内环索、下内环索、竖向撑杆和斜拉索,通过斜拉索控制内环曲线以实现屋盖曲面造型;所述单层外环压梁沿外环边界整圈布置,构件截面相对较大并以轴压承载为主;所述斜交落地支撑柱位于单层外环压梁下方,为屋盖张拉自平衡索桁架体系提供竖向支撑。
2.根据权利要求1所述的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,所述顺向组、逆向组斜交索桁架分别由绕中心定位点(19)顺时针、逆时针方向平面旋转阵列布置的一系列单榀斜径向索桁架所组成,包括斜交索桁架上径索(1)、下径索(2)和竖向撑杆(3),竖向撑杆(3)为共用状态;顺向组、逆向组的单榀斜径向索桁架与内环拉索的平面夹角均为30°~60°,交叉对称配对设置;相邻同向单榀索桁架的内环间距为5m~10m,外环间距为10m~20m。
3.根据权利要求1所述的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,所述单榀斜径向索桁架在内环端通过共用内环竖向撑杆(8)连接至双层内环拉索组合体,在外环端汇合成外环汇交节点(13)并锚支于外环压梁(12);单榀斜径向索桁架的剖面具体形式由内环曲线最低定位点(10)和内环曲线最高定位点(11)确定,竖向撑杆(3)的端节点位置为对应上径索(1、4)、下径索(2、5)的中点;斜交索桁架的拉索一般为直径50mm~100mm圆钢,竖向撑杆(3)根据体系刚度需要可加密布置。
4.根据权利要求1所述的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,所述双层内环拉索组合体由上内环索(6)、下内环索(7)、内环竖向撑杆(8)和内环斜拉索(9)组成,内环斜拉索(9)沿四边形短对角线设置,通过调节内环斜拉索(9)的长度以实现具有高差变化的内环空间曲线形式;双层内环拉索组合体的上内环索(6)、下内环索(7)为直径100mm~200mm圆钢。
5.根据权利要求1所述的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,部分内环斜拉索、索桁架径向索采用变长度可调节构件形式,由构件段(22)、测量段(23)、套筒(24)、连接节点(25)组成;通过套筒(24)的旋转来伸长或压缩拉索构件长度,以控制其初始预应力并产生初始体系刚度,预应力数值通过测量段(23)显示的长度变化换算获得。
6.根据权利要求1所述的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,所述单层外环压梁沿外环边界整圈布置,为钢筋混凝土环梁;外环压梁(12)的截面为矩形1000mm~2000mm;斜交索桁架的拉索与外环压梁(12)在外环汇交节点(13)处通过预埋锚板形式连接;外环压梁为平面圆形或椭圆形式,以充分发挥其轴压承载性能。
7.根据权利要求1所述的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,所述斜交落地支撑柱由一组环向布置的单榀倒三角钢网格结构连接构成,位于单层外环压梁(12)下方,为张拉自平衡索桁架体系提供竖向支撑;单榀倒三角钢网格由斜交落地支撑柱斜柱(14)、横梁(15)、斜撑(16)组成,构件截面为箱型钢管或圆钢管,截面400mm~800mm。
8.根据权利要求1所述的一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系,其特征在于,单榀倒三角钢网格的下端支座节点(18)固支于基础或转接于地下室柱上,上端支座节点(17)通过抗震球铰支座(20)提供竖向支撑;支撑节点处节点板件加厚并设置节点加劲板(21)进行节点加强;斜交落地支撑柱不存在侧向推力作用,设计时仅需考虑竖向支撑即可。
9.权利要求1-8任一所述的双向斜交组合的轮辐式张拉自平衡索桁架体系在内开口的大跨度轻型复杂曲面空间建筑屋盖结构体系设计及承载中的应用。
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