CN112982655B - 一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构，包括塔楼主体外伸钢梁、三角桁架的上弦杆和下弦杆、空间飘带纵向主杆、空间飘带横向主杆、空间飘带纵向单次杆、空间飘带纵向双次杆和局部斜拉杆；空间飘带纵向主杆和均匀分布的空间飘带横向主杆纵横交错刚性连接，形成具有一定刚度的单层网壳结构；空间飘带单次杆和空间飘带双次杆分别铰接支承于空间飘带横向主杆上；空间飘带下端的横向主杆位于水平面上的起坡线处，直接与主体结构竖向构件刚接；空间飘带上端的横向主杆经过扭曲和翻转后变为竖直向，与楼层处的外伸构件刚性连接。本申请为环绕塔楼并呈螺旋状上升的异形空间飘带状结构提供一套完整的结构解决方案。

Description

一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构
技术领域
本申请涉及建筑设计技术领域，具体涉及一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构。
背景技术
高层建筑塔楼通常在首层沿周圈设置平面悬挑钢雨棚，随着建筑师对雨棚流线和动感的不断追求，当他们通过扭曲和翻转的变化设计将平面雨棚和塔楼立面的幕墙连系起来形成空间飘带时，传统的单层网壳在跨度较大时无法满足玻璃面板对变形的要求，而采用双层网壳时又不经济，为了弥补两者存在的不足，结合塔楼可提供的约束边界条件，提出了采用三角桁架和单层网壳共同受力的空间飘带状钢结构体系，解决了网壳面大跨度时变形较大的问题，提高了飘带状结构的整体稳定性，达到了结构轻盈、建筑空间通透的效果。
发明内容
本申请提供一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构，为环绕塔楼并呈螺旋状上升的异形空间飘带状结构提供一套完整的结构解决方案。
本申请提供一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构，包括塔楼主体外伸钢梁、三角桁架的上弦杆和下弦杆、空间飘带纵向主杆、空间飘带横向主杆、空间飘带纵向单次杆、空间飘带纵向双次杆和局部斜拉杆；
空间飘带纵向主杆和均匀分布的空间飘带横向主杆纵横交错刚性连接，形成具有一定刚度的单层网壳结构；空间飘带单次杆和空间飘带双次杆分别铰接支承于空间飘带横向主杆上；空间飘带下端的横向主杆位于水平面上的起坡线处，直接与主体结构竖向构件刚接，此时主体结构的外伸钢梁兼做空间飘带横向主杆；空间飘带上端的横向主杆经过扭曲和翻转后变为竖直向，与塔楼结构在飘带上端横向主杆高度范围内的楼层处的外伸构件刚性连接。
在一些实施例，所述三角桁架部分由连系塔楼主体和单层网壳飘带的上弦杆和下弦杆组成，选取塔楼主体内平面位置基本相同而标高不同的两处位置分别作为上弦杆的上连接点和下弦杆的上连接点，选取空间飘带纵向主杆和横向主杆相交点作为三角桁架上、下弦杆共有的下连接点。
在一些实施例，所述外伸构件支承飘带的部位，在塔楼主体外伸钢梁上方加设局部斜拉杆，下端铰接连接飘带纵向主杆与横向主杆的交点，上端铰接连接塔楼竖向构件或塔楼外伸构件。
在一些实施例，所述三角桁架依附于塔楼主体，为飘带大悬挑和大跨度段提供面外支承点。
在一些实施例，所述空间飘带纵向主杆和空间飘带横向主杆在飘带曲面上有规律的均匀布置并刚性连接，形成纵横交错的有一定面外刚度的空间网格，并通过空间飘带横向主杆与塔楼主体刚性连接。
在一些实施例，三角桁架弦杆与主体和飘带单层网壳面采用铰接连接。
依据上述实施例，相对于现有技术，本发明具有以下特点和有益效果：
本发明突破传统的单层网壳加斜拉杆的设计思路，采用三角桁架与单层网壳共同受力的结构体系，解决了单层网壳在大跨度情况下变形较大及吸风整体稳定性问题，达到了结构轻盈、建筑空间通透的效果；
本发明解决了复杂空间飘带外挑较大时中部无支承点或弱支承点的结构受力问题，具有整体性好、结构美观轻盈等优点；
本发明根据空间飘带的受力特点，采用纵向主杆和纵向次杆相结合的方式，充分利用各类构件的承载能力，降低结构单位用钢量，使结构轻盈通透；
本发明可广泛应用于环绕高层塔楼的大悬挑和大跨度空间飘带钢结构工程中。
附图说明
图1是本发明附着塔楼的空间飘带钢结构平面投影示意图
图2是本发明空间飘带钢结构的三维示意图
图3是本发明空间飘带效果图
附图标记：塔楼主体外伸钢梁1、空间飘带纵向主杆2、空间飘带横向主杆 3、空间飘带纵向单次杆4、空间飘带纵向双次杆5、三角钢桁架上弦杆6、三角钢桁架下弦杆7、局部斜拉杆8、塔楼主体外框柱9、塔楼主体范围10。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
本发明公开了一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构体系；该结构的单层网壳部分由纵向和横向两个方向构件组成，网壳下端的横向杆位于水平面上的起坡线处，直接与主体结构竖向构件相连，网壳上端的横向杆经过扭曲和翻转后变为竖直向，与主体塔楼结构中不同楼层处的外伸构件相连。
其中，网壳的横向杆在考虑装饰面板材料的影响因素后沿纵向均匀布置，网壳的纵向杆可结合建筑效果的要求，分为主杆件和次杆件。纵向主杆件和均匀分布的横向杆纵横交错刚性相连，形成具有一定刚度的单层网壳结构。次杆件用来分割装饰面板的大小，以适应不断变化的面板单元尺寸。该结构的三角桁架部分由连系塔楼主体和单层网壳飘带的上弦杆和下弦杆组成。
根据结构荷载和纵横杆件的大小，选定几处纵向杆和横向杆相交点作为三角桁架的下连接点；根据主体塔楼竖向构件的相对位置，选取不同楼层标高处的外伸构件或直接选取竖向构件不同标高点分别作为三角桁架上弦杆和下弦杆与塔楼的连接点，尽可能使三角桁架所在平面与下端连接的横向杆之间的水平夹角最小。对局部负荷范围较大且仅采用主体结构外伸构件支承飘带的部位，在外伸构件上方加设局部斜拉杆连系飘带中部与塔楼竖向构件，同外伸构件一起承受竖向荷载。
本发明突破了传统单层网壳加斜拉杆的雨棚设计思路，采用三角桁架与单层网壳共同受力的方法，解决了单层网壳在大跨度情况下变形较大及吸风整体稳定性问题，达到了结构轻盈、建筑空间通透的效果。
具体地，如图1和图2，一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构体系，包括塔楼主体外伸钢梁1、空间飘带纵向主杆2、空间飘带横向主杆3、空间飘带纵向单次杆4、空间飘带纵向双次杆5、三角钢桁架上弦杆6、三角钢桁架下弦杆7、局部斜拉杆8。
空间飘带纵向主杆2和均匀分布的空间飘带横向主杆3纵横交错刚性连接，形成具有一定刚度的单层网壳结构。空间飘带单次杆4和空间飘带双次杆5分别铰接支承于空间飘带横向主杆3上。空间飘带下端的横向主杆3位于水平面上的起坡线处，直接与主体结构外框柱9刚接，此时主体结构的外伸钢梁1兼做空间飘带横向主杆3。空间飘带上端的横向主杆3经过扭曲和翻转后变为竖直向，与塔楼结构在飘带上端横向主杆3高度范围内的楼层处的外伸钢梁1刚性连接。
该结构的三角桁架部分由连系塔楼主体和单层网壳飘带的上弦杆6和下弦杆7组成。选取塔楼主体内平面位置基本相同而标高不同的两处位置分别作为上弦杆6的上连接点和下弦杆7的上连接点，选取空间飘带纵向主杆2和横向主杆3相交点作为三角桁架上弦杆6和下弦杆7共有的下连接点；选取三角桁架弦杆的上、下连接点时，可能使三角桁架的水平投影与下连接点处的横向主杆水平投影的平面夹角最小。
对局部负荷范围较大且仅采用主体结构外伸构件2支承飘带的部位，在塔楼主体外伸钢梁2上方加设局部斜拉杆8，下端铰接连接飘带纵向主杆2与横向主杆3的交点，上端铰接连接塔楼外框柱9或塔楼外伸钢梁1。
采用三角桁架连接空间飘带面和塔楼主体结构，不但能提供较大的竖向支承刚度，而且可以充分发挥桁架弦杆钢材的拉、压性能，构件占用空间小，能达到结构轻盈、建筑空间通透的效果。
三角桁架上弦杆与下弦杆的夹角控制在30°～60°范围内，三角桁架下弦杆与其下端连接点附近的飘带曲面夹角控制在10°～25°范围内，这样可使三角桁架构件(6和7)的效率相对更高。
选取三角桁架弦杆(6和7)的上、下连接点时，尽可能使三角桁架的水平投影与下连接点处的横向主杆3水平投影的平面夹角最小，对上弦杆和下弦杆共同的下节点上的纵向主杆2和横向主杆3受力更为合理，且节点连接做法相对容易实现。从建筑视觉而言，三角桁架弦杆(6和7)与横向主杆3的水平投影接近一直线时，结构看起来更有规律和韵味。
空间飘带横向主杆3为直杆，系根据建筑装饰面板的最大单元尺寸确定，其沿着飘带纵向的间距宜控制在3m左右，均匀布置。这样可以提高单层网壳构件的使用效率，相对节省用钢量。
空间飘带纵向单次杆4和空间飘带纵向双次杆5属于飘带面上仅用来支承装饰面板的次结构构件。根据建筑对纵向装饰肋条的间距要求，合理选择使用，即：根据空间飘带纵向次杆件的间距，选用空间飘带纵向单次杆4。由于空间飘带纵向单次杆4和空间飘带双次杆5的数量相对较多，且规格相对统一，合理的构件截面可明显减轻钢结构自重，有效节约用钢量。
空间飘带下端局部有外框柱9位的横向主杆3，可利用塔楼主体外伸钢梁1 兼做横向主杆3。为适用飘带曲面逐渐上面的变化，塔楼主体外伸钢梁1需要向上略微倾斜，确保外伸钢梁1在飘带曲面内。
空间飘带下端塔楼主体外伸钢梁1负荷范围相对较大且其受三角桁架(6 和7)有利效应的影响较小时，在其对应位置加设局部斜拉杆8连接塔楼主体和飘带横向主杆3中部与纵向主杆2的交点，与外伸钢梁1共同承受飘带面上荷载。
空间飘带上端横向主杆4在其竖向高度范围内应充分地利用塔楼主体每个楼层的楼面外伸钢梁1与其刚性相连，以便为空间飘带提供足够的抗侧刚度和抗扭刚度。
空间飘带钢结构主要由塔楼主体外伸钢梁和三角桁架共同支承的单层网壳承担竖向荷载。两组及以上的三角桁架由于各组弦杆间的空间相对关系，连同单层网壳可以共同形成较好的抗侧和抗扭刚度，满足结构整体稳定性要求。
以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种由三角桁架和单层网壳组合的空间钢结构，包括塔楼主体外伸钢梁、三角桁架的上弦杆和下弦杆、空间飘带纵向主杆、空间飘带横向主杆、空间飘带纵向单次杆、空间飘带纵向双次杆和局部斜拉杆；
空间飘带纵向主杆和均匀分布的空间飘带横向主杆纵横交错刚性连接，形成具有一定刚度的单层网壳结构；空间飘带单次杆和空间飘带双次杆分别铰接支承于空间飘带横向主杆上；空间飘带下端的横向主杆位于水平面上的起坡线处，直接与主体结构竖向构件刚接，此时主体结构的外伸钢梁兼做空间飘带横向主杆；空间飘带上端的横向主杆经过扭曲和翻转后变为竖直向，与塔楼结构在飘带上端横向主杆高度范围内的楼层处的外伸构件刚性连接；
所述横向主杆由两组超长三角钢桁架和绕塔楼主体从底部水平面经扭曲、翻转逐渐变化到上端竖直面的空间钢网壳组合而成的飘带结构复杂造型；
所述三角桁架部分由连系塔楼主体和单层网壳飘带的上弦杆和下弦杆组成，选取塔楼主体内平面位置基本相同而标高不同的两处位置分别作为上弦杆的上连接点和下弦杆的上连接点，选取空间飘带纵向主杆和横向主杆相交点作为三角桁架上、下弦杆共有的下连接点；
所述外伸构件支承飘带的部位，在塔楼主体外伸钢梁上方加设局部斜拉杆，下端铰接连接飘带纵向主杆与横向主杆的交点，上端铰接连接塔楼竖向构件或塔楼外伸构件；
所述三角桁架依附于塔楼主体，为飘带大悬挑和大跨度段提供面外支承点；
所述空间飘带纵向主杆和空间飘带横向主杆在飘带曲面上有规律的均匀布置并刚性连接，形成纵横交错的有一定面外刚度的空间网格，并通过空间飘带横向主杆与塔楼主体刚性连接；
三角桁架弦杆与主体和飘带单层网壳面采用铰接连接；
所述横向主杆的底部水平壳面宽度较窄，围绕主体建筑塔楼螺旋上升，并伴随着扭曲、翻转的形态，壳面逐渐变宽直至上端的竖直面，与主体幕墙贴合。
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