CN112663793B - 一种高稳定性的预应力钢结构 - Google Patents

Abstract

本方案属于预应力钢结构领域，公开了一种高稳定性的预应力钢结构，包括弦支穹顶和支座，所述弦支穹顶包括单层网壳、撑杆、径向拉索和环向拉索；所述单层网壳包括承重杆、环向杆和径向杆，所述环向杆和径向杆相互交叉的节点中至少有一个节点设置有减震球，所述减震球内设有密封缸，所述密封缸包括缸壳和缸芯，所述缸芯内设有活塞，缸芯内设有油液，所述缸芯内设有出油管道和进油管道，所述活塞上连接有径向杆和环向杆，所述径向杆和环向杆上设有挡板，所述挡板通过弹簧与减震球相连。本方案可使得单层网壳在遭受地震等外力的情况下能够自我调整减小或者吸收压力，避免整个弦支穹顶结构受到损害。

Description

一种高稳定性的预应力钢结构

技术领域

本方案属于预应力钢结构领域，具体涉及一种高稳定性的预应力钢结构。

背景技术

预应力钢结构是指在结构上施加荷载以前，对钢结构或构件用特定的方法预加初应力，其应力方向与荷载引起的应力方向相反；当施加荷载时，以保证结构的安全和正常使用，结构或构件先抵消初应力。

近年来随着预应力钢结构的发展，涌现出了一大批新型结构体系。如附图1所示的弦支穹顶结构，弦支穹顶是将张拉整体部分和单层网壳结合在一起而形成的新结构，单层网壳增大了屋面刚度，而且非常美观。但弦支穹顶的单层网壳内力由下层拉索或者外荷载作用下被动产生，使得上层单层网壳环向杆和径向杆大部分被动受压，不能自我调整以减小压力。当地震突发时，单层网壳容易受地震波的冲击而断裂，造成结构坍塌。

公开号为CN106968383A的发明专利公开了一种弦支穹顶和索穹顶组合穹顶，包括弦支穹顶和索穹顶，所述弦支穹顶在外，所述索穹顶在内，所述索穹顶的最外圈斜索和脊索和所述弦支穹顶的最内圈环向的刚性杆相连。

该发明提出的弦支穹顶和索穹顶组合穹顶，充分发挥了弦支穹顶和索穹顶的优点，避免了两者的缺点，力学性能好，整体用钢量和支座反力小，所需拉索截面和预应力小，施工张拉方便。但是并不能使得弦支穹顶在遭受地震等外力的情况下能够自我减小压力以提高预应力钢结构的稳定性，避免钢结构的稳定性受到损害。

发明内容

本方案提供一种高稳定性的预应力钢结构，以解决地震等外力作用下，预应力钢结构稳定性降低的问题。

为了达到上述目的，本方案提供一种高稳定性的预应力钢结构，包括弦支穹顶和支座，所述弦支穹顶包括单层网壳、撑杆、径向拉索和环向拉索，所述单层网壳包括环向杆、径向杆和承重杆，所述环向杆、径向杆和承重杆交叉处焊接为节点，所述撑杆的上端与相对应的节点相铰接，所述径向拉索上端与相对应的节点连接，所述径向拉索下端与撑杆下端和环向拉索连接；所述承重杆和径向拉索与支座连接；所述环向杆和径向杆相互交叉的节点中至少有一个节点设置有减震球，所述减震球内设有密封缸，所述密封缸包括缸壳和缸芯，所述缸壳与减震球的壳体密封连接组成第一空间，所述缸芯内设有活塞，所述活塞与缸芯密封连接组成第二空间，所述第二空间内设有油液，所述缸芯上设有出油管道和进油管道，所述出油管道内设有出油单向阀，所述进油管道内设有进油单向阀，所述活塞与径向杆或环向杆连接，与活塞连接的径向杆或环向杆与减震球球壳滑动连接，所述径向杆和环向杆上设有挡板，所述挡板通过弹簧与减震球相连。

本方案的原理：当弦支穹顶不受外力时，由支座通过承重杆支撑单层网壳及撑杆和拉索的重量。当弦支穹顶遇到向下的外荷载作用时，荷载通过上端的单层网壳传到下端撑杆上；再通过撑杆传给拉索；拉索受力后，产生对支座的反向拉力，使单层网壳不会因为外荷载的压力而往下移动导致结构损坏。当弦支穹顶遇到环向地震时，环向地震冲击波对支座产生作用力，使得支座对承重杆产生作用力，承重杆则对环向杆产生作用力，环向杆上的弹簧通过挡板被压缩，同时弹簧给环向杆一个反作用力，使得环向杆所受的作用力被抵消掉一部分，同时环向杆上剩余的作用力则通过活塞压缩第二空间，使得出油单向阀打开，第二空间内的油液通过出油管道进入第一空间内，当地震冲击波作用过后，弹簧通过自身形变恢复原来的长度，将环向杆朝远离减震球的方向拉动，此时进油单向阀打开，第一空间内的油液通过进油管道进入第二空间，使得环向杆恢复原来的位置，而不将力传递引起摇动。当弦支穹顶遇到纵向地震时，纵向杆的减震原理与环向杆相同。

因为承重杆担负着承重的功能，因此未在环向杆和径向杆与承重杆相交叉的节点上设置减震球，而环向杆和径向杆相互交叉的节点中在至少一个节点上设置有减震球，为了保证弦支穹顶具有原本的稳定性和坚固性的同时，还具有吸收地震波的能力。

本方案的有益效果：通过在环向杆和径向杆相交的节点上处设置密封缸、活塞和单向阀，使得弦支穹顶在遭受地震等外力的情况下能够自我调整减小或者吸收压力以提高预应力钢结构的稳定性，避免钢结构的稳定性受到损害。

进一步，所述环向杆、径向杆和承重杆设有多个，设在所述承重杆左端的径向杆为第一径向杆，设在所述承重杆右端的径向杆为第二径向杆，所述环向杆、径向杆和承重杆相交处的节点为第一节点，所述环向杆和径向杆相交处的节点为第二节点，所述第二节点上间隔设有减震球。在第二节点上间隔减震球使得弦支穹顶的减震效果更好。

进一步，所述减震球设在相邻两根承重杆之间位于中心的第二节点上。因为位于中心的第二节点前后左右的第二节点都是对称，受到的力也是相同的，会使得减震球在吸收力的时候使整个弦支穹顶更加稳定，而且无论是来自环向还是纵向的地震冲击力最终都在位于中心的第二节点交汇，使得中心的第二节点能够将地震冲击力全部吸收或者最大力度的减小。

进一步，所述减震球内设有的密封缸为三个，所述减震球上端的第一径杆与密封缸上的活塞相连；所述减震球下端的第一径向杆与减震球焊接；所述减震球上端的第二径向杆与减震球焊接；所述减震球下端的第二径向杆与密封缸上的活塞相连；所述减震球左端的环向杆与减震球焊接；所述减震球右端的环向杆与密封缸上的活塞相连。与减震球连接的径向杆和环向杆共有六个连接点，其中三个连接点分与三个密封缸的活塞相连，另外三个连接点与减震球焊接，设置三个密封缸而不是六个密封缸的原因是因为六个连接点两两相对称，而力是沿直线传播，减震球内同一个方向上设置一个密封缸即可完成地震波的减小或者吸收，节约了材料又保证了结构的稳定性。

进一步，所述密封缸的材质和减震球与密封缸相对应的部分材质为钢化玻璃，所述缸芯上对应油液顶部的地方设有刻度线。可通过钢化玻璃查看缸芯上的油液是否处于刻度线上，如果低于刻度线则表示密封缸的缸壳或者缸芯存在漏气现象；如果密封缸存在漏气现象，那么环向杆和径向杆在对减震球作用力的时候，环向杆和径向杆通过活塞使缸芯内的油液从第二空间进入第一空间后，弹簧的作用力并不能使得环向杆和径向杆恢复到移动前的位置，导致减震球的减震功能降低，那么此时就应该及时更换掉坏掉的减震球以确保减震球的减震效果。

进一步，所述弹簧包括第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧的寿命比第二弹簧长，所述第二弹簧为密封空心管道，所述第二弹簧内设有红色的荧光颜料。当第二弹簧到达使用寿命后断裂，第二弹簧内的红色荧光颜料会掉落，因为是荧光颜料，即使是晚上也非常容易看到，工作人员看见后会及时进行更换第一弹簧和第二弹簧，确保减震球的减震功能不受影响。

进一步，所述环向杆的直径和径向杆的直径均比承重杆小，因为承重杆起到承担重力的作用，承重杆的直径比环向杆及径向杆的直径大能够使承重杆更好的支撑整个单层网壳的重量。

进一步，所述承重杆、环向杆和径向杆皆为空心钢管。空心钢管重量轻并且坚固，能够使得整个单层网壳的重量更轻，支座和承重杆的承重压力更小，使用寿命更长。

进一步，所述第一节点和第二节点皆为空心球体。空心球体在焊接时可方便焊接各杆件，同时空心球体的重量小，对单层网壳的承重情况影响不大。

附图说明

图1为现有技术的弦支穹顶的结构示意图。

图2为本发明实施例的弦支穹顶结构示意图。

图3为本发明实施例的单层网壳结构示意图。

图4为本发明实施例的密封缸结构剖视图。

图5为本发明实施例的减震球结构剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：单层网壳1、撑杆2、径向拉索3、环向拉索4、支座5、承重杆6、环向杆7、第一径向杆8、第二径向杆9、第一节点10、第二节点11、减震球12、缸壳13、缸芯14、活塞15、油液16、出油管道17、进油管道18、挡板19、第一弹簧20、第二弹簧21。

实施例基本如附图2-3所示：

一种高稳定性的预应力钢结构，包括弦支穹顶和支座5，弦支穹顶包括单层网壳1、撑杆2、径向拉索3和环向拉索4，单层网壳1包括多个承重杆6、环向杆7、第一径向杆8和第二径向杆9。多个承重杆6在单层网壳1的中心点处交汇，设置在承重杆6左侧的径向杆为第一径向杆8，设置在承重杆6右侧相的径向杆为第二径向杆9。

承重杆6与环向杆7和径向杆相交处焊接为第一节点10，环向杆7和径向杆之间相交处焊接成第二节点11。第一节点10和第二节点11皆为空心球体，在焊接时可方便焊接各杆，同时空心球体的重量小，对单层网壳的承重情况影响不大。

撑杆2的上端与单层网壳1上相对应的第一节点10和第二节点11相铰接，径向拉索3上端与相对应的第一节点10和第二节点11连接，径向拉索3下端与撑杆2下端和环向拉索4连接；承重杆6和径向拉索3与支座5相铰接。整个弦支穹顶结构的重量由支座5通过承重杆6支撑，当弦支穹顶遇到外荷载作用时，荷载通过上端的单层网壳1传到下端撑杆2上；再通过撑杆2传给拉索；拉索受力后，产生对支座5的反向拉力，使单层网壳1不会因为外荷载的压力而往下移动导致结构损坏。承重杆6、环向杆7、第一径向杆8和第二径向杆9均为空心钢管。空心钢管重量轻并且坚固，能够使得整个单层网壳1的重量更轻，支座5和承重杆6的承重压力更小，使用寿命更长。而且环向杆7的直径和径向杆的直径均比承重杆6小，因为承重杆6担负承担重力的作用，直径比环向杆7的直径以及径向杆的直径大能够使承重杆6更好的支撑整个单层网壳1的重量。

实施例基本如附图4-5所示：

相邻两根承重杆之间位于中心的第二节点11上设有减震球12，减震球12内设有密封缸，密封缸包括缸壳13和缸芯14，缸壳13与减震球12的壳体密封连接组成第一空间，缸芯14内设有活塞15，活塞15与缸芯14密封连接组成第二空间，第二空间内设有油液16，缸芯14内设有出油管道17和进油管道18，出油管道17内设有出油单向阀，进油管道18内设有进油单向阀，活塞15上连接有径向杆和环向杆7，与活塞15连接的径向杆或环向杆7与减震球12球壳滑动连接。当与活塞15连接的杆受到外界压力时，通过活塞15挤压第二空间使得出油单向阀打开，第二空间内的油液16通过出油管道17进入第一空间内，当与活塞15连接径向杆或环向杆7受界的拉力时，第二空间内压强变小，此时进油单向阀打开，第一空间内的油液16通过进油管道18进入第二空间，使得径向杆或环向杆7恢复至原来的位置，而不将力传递引起摇动。

将减震球12设置在相邻两根承重杆6之间位于中心的第二节点11上，因为位于中心的第二节点11的前后左右第二节点11都是对称的，受到的力也是相同的，会使得减震球12在吸收力的时候使整个弦支穹顶更加稳定，而且无论是来自环向还是纵向的地震冲击力最终都在位于中心的第二节点11交汇，使得位于中心的第二节点11能够将地震冲击力全部吸收或者最大力度的减小，同时也保证弦支穹顶具有原本的稳定性和坚固性。

减震球12内设有的密封缸为三个，减震球12上端的第一径向杆8与密封缸上的活塞15相连；减震球12下端的第一径向杆8与减震球12焊接；减震球12上端的第二径向杆9与减震球12焊接；减震球12下端的第二径向杆9与密封缸上的活塞15相连；减震球12左端的环向杆7与减震球12焊接；减震球12右端的环向杆7与密封缸上的活塞15相连。与空心球体连接的径向杆和环向杆7共有六个连接点，其中三个连接点分与三个密封缸的活塞15相连，另外三个连接点与减震球12焊接，设置三个密封缸而不是六个密封缸的原因是因为六个连接点两两相对称，而力是沿直线传播，减震球12内同一个方向上设置一个密封缸即可完成地震波的减小或者吸收，节约了材料又保证了结构的稳定性。

密封缸的材质和减震球12与密封缸相对应的部分材质为钢化玻璃，缸芯14上对应油液顶部的地方设有刻度线。可通过钢化玻璃查看缸芯14上的油液是否处于刻度线上，如果低于刻度线则表示密封缸的缸壳13或者缸芯14存在漏气现象；如果密封缸存在漏气现象，那么环向杆7和径向杆在对减震球12作用力的时候，环向杆7和径向杆通过活塞15使缸芯14内的油液16从第二空间进入第一空间后，弹簧的作用力并不能使得环向杆7和径向杆恢复到移动前的位置，导致减震球12的减震功能降低，那么此时就应该及时更换掉坏道的减震球12以确保减震球12的减震效果。

与密封缸的活塞15连接的径向杆和环向杆7上设有挡板19，挡板19通过第一弹簧20和第一弹簧21与减震球12相连。第一弹簧20的寿命比第二弹簧21长，第二弹簧21为密封空心管道，第二弹簧21内设有红色的荧光颜料。当第二弹簧21到达使用寿命后断裂，第二弹簧21内的红色荧光颜料会掉落，因为是荧光颜料，即使是晚上也非常容易看到，工作人员看见后会及时进行更换第一弹簧20和第二弹簧21，确保减震球12的减震功能不受影响。

具体操作：

首先将多个承重杆6的相交处焊接形成一个中心点，然后将多个承重杆6与环向杆7和径向杆相交处焊接成多个第一节点10，将环向杆7和径向杆之间相交处焊接成多个第二节点11。然后撑杆2的上端与单层网壳1上相对应的第一节点10和第二节点11相铰接，径向拉索3上端与相对应的第一节点10和第二节点11连接，径向拉索3下端与撑杆2下端和环向拉索4连接；承重杆6和径向拉索3与支座5相铰接。整个弦支穹顶结构的重量由支座5通过承重杆6支撑，当弦支穹顶遇到外荷载作用时，荷载通过上端的单层网壳1传到下端撑杆2上；再通过撑杆2传给拉索；拉索受力后，产生对支座5的反向拉力，使单层网壳1不会因为外荷载的压力而往下移动从而影响预应力钢结构的稳定性。

然后在相邻两根承重杆6之间位于中心的第二节点11上设置减震球12，减震球12内设有三个密封缸，减震球12上端的第一径向杆8、减震球12下端的第二径向杆9和减震球12右端的环向杆7分别与活塞15相连，减震球12下端的第一径向杆8、减震球12上端的第二径向杆9和减震球12左端的环向杆7分别与减震球12焊接，与密封缸的活塞15连接的径向杆和环向杆7上分别设有挡板19，挡板19通过第一弹簧20和第一弹簧21与减震球12相连。

当弦支穹顶遇到环向地震时，环向地震冲击波对支座5产生作用力，使得支座5对承重杆6产生作用力，承重杆6则对环向杆7产生作用力，环向杆7上的弹簧通过挡板19被压缩，同时弹簧给环向杆7一个反作用力，使得环向杆7所受的作用力被抵消掉一部分，同时环向杆7上剩余的作用力则通过活塞15压缩第二空间，使得出油单向阀打开，第二空间内的油液16通过出油管道17进入第一空间内，当地震冲击波作用过后，弹簧通过自身形变恢复原来的长度，将环向杆7往远离减震球12的方向拉动，此时第二空间内压强变小，进油单向阀打开，第一空间内的油液16通过进油管道18进入第二空间，使得环向杆7恢复原来的位置，而不将力传递引起摇动。当弦支穹顶遇到纵向地震时，纵向杆的减震原理与环向杆7相同。

可通过钢化玻璃查看缸芯14上的油液是否处于刻度线上，如果低于刻度线则表示密封缸的缸壳13或者缸芯14存在漏气现象，应该及时更换掉坏掉的减震球12以确保减震球12的减震效果。

如果看到第二弹簧21内的红色荧光颜料掉落，也应及时进行更换第一弹簧20和第二弹簧21，确保减震球12的减震功能不受影响。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种高稳定性的预应力钢结构，包括弦支穹顶和支座（5），所述弦支穹顶包括单层网壳（1）、撑杆（2）、径向拉索（3）和环向拉索（4），所述单层网壳（1）包括环向杆（7）、径向杆和承重杆（6），所述环向杆（7）、径向杆和承重杆（6）交叉处焊接为节点，所述撑杆（2）的上端与相对应的节点相铰接，所述径向拉索（3）上端与相对应的节点连接，所述径向拉索（3）下端与撑杆（2）下端和环向拉索（4）连接；所述承重杆（6）和径向拉索（3）与支座（5）连接；其特征在于：所述环向杆（7）和径向杆相互交叉的节点中至少有一个节点设置有减震球（12），所述减震球（12）内设有密封缸，所述密封缸包括缸壳（13）和缸芯（14），所述缸壳（13）与减震球（12）的壳体密封连接组成第一空间，所述缸芯（14）内设有活塞（15），所述活塞（15）与缸芯（14）密封连接组成第二空间，所述第二空间内设有油液（16），所述缸芯（14）上设有出油管道（17）和进油管道（18），所述出油管道（17）内设有出油单向阀，所述进油管道（18）内设有进油单向阀，所述活塞（15）与径向杆或环向杆（7 ）连接，与所述活塞（15）连接的径向杆或环向杆（7）与减震球（12）球壳滑动连接，所述径向杆和环向杆（7）上设有挡板（19），所述挡板（19）通过弹簧与减震球（12）相连。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述环向杆（7）、径向杆和承重杆（6）设有多个，设在所述承重杆（6）左端的径向杆为第一径向杆（8），设在所述承重杆（6）右端的径向杆为第二径向杆（9），所述环向杆（7）、径向杆和承重杆（6）相交处的节点为第一节点（10），所述环向杆（7）和径向杆相交处的节点为第二节点（11），所述第二节点（11）上间隔设有减震球（12）。

3.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述减震球（12）设在相邻两根承重杆（6）之间位于中心的第二节点（11）上。

4.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述减震球（12）内设有的密封缸为三个，所述减震球（12）上端的第一径向杆（8）与密封缸上的活塞（15）相连；所述减震球（12）下端的第一径向杆（8）与减震球（12）焊接；所述减震球（12）上端的第二径向杆（9）与减震球（12）焊接；所述减震球（12）下端的第二径向杆（9）与密封缸上的活塞（15）相连；所述减震球（12）左端的环向杆（7）与减震球（12）焊接；所述减震球（12）右端的环向杆（7）与密封缸上的活塞（15）相连。

5.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述密封缸的材质和减震球（12）与密封缸相对应的部分材质为钢化玻璃，所述缸芯（14）上对应油液（16）顶部的地方设有刻度线。

6.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述弹簧包括第一弹簧（20）和第二弹簧（21），所述第一弹簧（20）的寿命比第二弹簧（21）长，所述第二弹簧（21）为密封空心管道，所述第二弹簧（21）内设有红色的荧光颜料。

7.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述环向杆（7）的直径和径向杆的直径均比承重杆（6）小。

8.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述承重杆（6）、环向杆（7）和径向杆皆为空心钢管。

9.根据权利要求1所述的一种高稳定性的预应力钢结构，其特征在于：所述第一节点（10）和第二节点（11）皆为空心球体。

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