CN211735996U - 大开口内环钢桁架索穹顶结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大开口内环钢桁架索穹顶结构，包括内环刚性桁架、索穹顶结构以及外环刚性结构；所述内环刚性桁架由外上弦环杆、外下弦环杆、至少一层内弦环杆以及用于连接内外环杆的连接杆组成中部大开口形式的空间钢桁架结构；所述索穹顶结构包括上脊索、下斜索、环索以及撑杆，屋面覆盖材料设置于柔性的上脊索上。本实用新型中的索穹顶结构为全张力体系，结构受力从内到外逐级传力，无论采用何种形式的索穹顶，每级结构的撑杆高度有限，并配合柔性的轻质膜材屋面，不仅结构受力高效合理，特别适合于大跨度空间，同时可解决最内环撑杆较高带来的诸多不利影响。

Description

大开口内环钢桁架索穹顶结构

技术领域

本实用新型属于建筑结构工程技术领域，特别涉及一种大开口内环钢桁架索穹顶结构。

背景技术

1962年美国著名建筑师Fuller提出了由索杆体系组成的张拉整体结构(Tensegrity Systems)的思想。80年代，美国著名工程师Geiger对Fuller的思想进行演变和发展，提出了索穹顶结构体系(Cable Domes)，该体系被成功运用于汉城奥运会体操馆(直径134m)、亚特兰大奥运会主体育馆(240m×193m)等多项工程中。国内从2009年开始在无锡科技交流中心建有20m跨度的试点性索穹顶结构，随后2012年在鄂尔多斯市建成了跨度72m肋环型索穹顶体育馆屋盖，2016年在天津理工大学建成了跨度82m的复合式索穹顶体育馆屋盖。同年在四川雅安天全建成了跨度77.3m的索穹顶体育馆屋盖。国内外的索穹顶结构普遍用于封闭屋盖体育馆设计。非封闭式的体育建筑，例如体育场、足球场等，屋盖中部往往有较大的开口，且该类建筑的屋盖属于大跨度空间结构。针对此特点，国内外的工程师们提出采用车辐式张拉结构体系。该体系为张拉结构，受力高效，配合柔性的轻质膜材屋面，建筑效果美观。国内外应用于非封闭式的优秀体育建筑案例较多，如波兰华沙国家体育场(314m×280m)、釜山体育场(180m×152m)、巴西马拉卡纳体育场(298m×260m)以及国内的深圳宝安体育场(230m×237m)和佛山世纪莲体育场(直径310m)等。但随着悬挑长度的增加，为保证结构受力效率，索桁架悬挑端部上弦索与下弦索之间的距离增大，受压撑杆高度较高，造成一定的设计困难，且容易对观众视野造成一定影响。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于中部大开口的非封闭建筑(如体育场、足球场等)的新型索穹顶结构体系，可用于非封闭式大跨度空间结构建筑。

本实用新型技术的技术方案是这样实现的：大开口内环钢桁架索穹顶结构，其特征在于：包括内环刚性桁架、索穹顶结构以及外环刚性结构；

所述内环刚性桁架由外上弦环杆、外下弦环杆、至少一层内弦环杆以及用于连接内外环杆的连接杆组成中部大开口形式的空间钢桁架结构；

所述索穹顶结构包括上脊索、下斜索、环索以及撑杆，所述索穹顶结构最外圈上脊索与其下方对应的最外圈下斜索铰接在外环刚性结构的同一位置，所述索穹顶结构最内圈上脊索铰接在内环刚性桁架的外上弦环杆，最内圈下斜索铰接在内环刚性桁架的外下弦环杆，最内圈上脊索与最内圈下斜索分别与内环刚性桁架的连接节点之间设置有刚性撑杆，所述内环刚性桁架与外环刚性结构之间的各级撑杆上端与对应上脊索端部铰接，其下端与环索以及对应下斜索端部铰接，屋面覆盖材料设置于柔性的上脊索上。

本实用新型所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其所述内弦环杆为单层结构，所述内弦环杆分别与外上弦环杆和外下弦环杆连接的连接杆沿环向呈连续的V形布置。

本实用新型所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其在所述内环刚性桁架的外上弦环杆和外下弦环杆之间设置有斜向腹杆或拉索。

本实用新型所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其所述索穹顶结构设置有多级环索，所述内环刚性桁架与外环刚性结构之间的各级撑杆分别在对应环索上沿其环向间隔布置，所述撑杆的上端部通过铰接地多向连接头分别与对应级的上脊索和下斜索端部铰接，所述撑杆的下端部通过铰接地节点夹具与对应级的环索和下斜索端部铰接。

本实用新型所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其所述内环刚性桁架与外环刚性结构之间的索穹顶结构采用葵花型布置或肋环型布置或复合布置。

本实用新型中的索穹顶结构为全张力体系，结构受力从内到外逐级传力，无论采用何种形式的索穹顶，每级结构的撑杆高度有限，并配合柔性的轻质膜材屋面，不仅结构受力高效合理，特别适合于大跨度空间，同时可解决最内环撑杆较高带来的诸多不利影响。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中内环刚性桁架的结构示意图。

图3是本实用新型中索穹顶结构的结构示意图。

图4是本实用新型中外环刚性结构的结构示意图。

图5是本实用新型中索穹顶结构的局部构成示意图。

图6是本实用新型中撑杆与上脊索连接节点示意图。

图7是本实用新型中撑杆与环索连接节点示意图。

图8是本实用新型中索穹顶与外环刚性结构的连接节点示意图。

图9是本实用新型中索穹顶与内环刚性桁架的连接节点示意图。

图10是本实用新型中索穹顶结构葵花式布置示意图。

图11是本实用新型中索穹顶结构肋环式布置示意图。

图12是本实用新型中索穹顶结构复合式布置示意图。

图中标记：1为内环刚性桁架，1a为外上弦环杆，1b为外下弦环杆，1c为内弦环杆，1d为连接杆，2为索穹顶结构，2a为上脊索，2b为下斜索，2c为环索，2d为撑杆，2e为多向连接头，2f为节点夹具，3为外环刚性结构。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定实用新型。

如图1至9所示，大开口内环钢桁架索穹顶结构，包括内环刚性桁架1、索穹顶结构2以及外环刚性结构3，所述内环刚性桁架1由外上弦环杆1a、外下弦环杆1b、至少一层内弦环杆1c以及用于连接内外环杆的连接杆1d组成中部大开口形式的空间钢桁架结构，所述索穹顶结构2包括上脊索2a、下斜索2b、环索2c以及撑杆2d，所述索穹顶结构2最外圈上脊索2a与其下方对应的最外圈下斜索2b铰接在外环刚性结构3的同一位置，所述索穹顶结构2最内圈上脊索2a铰接在内环刚性桁架1的外上弦环杆1a，最内圈下斜索2b铰接在内环刚性桁架1的外下弦环杆1b，最内圈上脊索2a与最内圈下斜索2b分别与内环刚性桁架1的连接节点之间设置有刚性撑杆2d，所述内环刚性桁架1与外环刚性结构3之间的各级撑杆2d上端与对应上脊索2a端部铰接，其下端与环索2c以及对应下斜索2b端部铰接，屋面覆盖材料设置于柔性的上脊索2a上。

在本实施例中，所述内弦环杆1c为单层结构，所述内弦环杆1c分别与外上弦环杆1a和外下弦环杆1b连接的连接杆1d沿环向呈连续的V形布置，在所述内环刚性桁架1的外上弦环杆1a和外下弦环杆1b之间设置有斜向腹杆或拉索。其中，所述索穹顶结构2设置有多级环索2c，所述内环刚性桁架1与外环刚性结构3之间的各级撑杆2d分别在对应环索2c上沿其环向间隔布置，所述撑杆2d的上端部通过铰接地多向连接头2e分别与对应级的上脊索2a和下斜索2b端部铰接，所述撑杆2d的下端部通过铰接地节点夹具2f与对应级的环索2c和下斜索2b端部铰接。

如图10、11和12所示，所述内环刚性桁架1与外环刚性结构3之间的索穹顶结构2根据需要采用葵花型布置或肋环型布置或复合布置。即索穹顶结构采用葵花型布置时，所述索穹顶结构中的上脊索和下斜索交叉布置而形成葵花形；索穹顶结构采用肋环型布置时，所述索穹顶结构中的上脊索和下斜索均沿径向布置而形成肋环形；索穹顶结构采用复合布置时，所述索穹顶结构中靠内层的上脊索和下斜索沿径向布置，靠外层的上脊索和下斜索交叉布置，形成肋环形和葵花形相结合的复合形式。

本实用新型的受力原理及结构特点：该结构具有张拉结构体系的特点，通过在拉索中施加预张力，使索穹顶上脊索、下斜索、下环索及内环刚性桁架受拉，外环结构受压，各级撑杆受压，整个结构处于一种张拉状态，具有很好的结构刚度。结构由内向外呈逐级受力状态，从整体受力上看，当结构受到向下的荷载时，上脊索及内环桁架上弦杆内力减小，下斜索、下环索及内环桁架下弦杆内力增大；当结构受到向上的荷载时，下斜索、下环索及内环桁架下弦杆内力减小，上脊索及内环桁架上弦杆内力增大；若需要进一步增加结构竖向刚度时，可增加撑杆高度，若需进一步增加结构抗扭刚度时，可在内环桁架的上下弦杆之间布置斜向腹杆或拉索，增加内环桁架的刚度。

另一方面，张拉结构的成立必须依赖足够刚度的边界条件。封闭式索穹顶结构的边界条件为外压力环；中部大开口非封闭式索穹顶结构自身的边界条件包含了外压力环与内拉力环两个部分。从局部受力上看，可通过调整内环桁架的宽度或高度，达到改变内环桁架的环向刚度作用，以满足索穹顶受力需求。该大开口索穹顶结构采用刚性桁架作为内环大开口边的边缘构件，保证了大开口索穹顶的整体刚度。该结构相对索桁架在相同悬挑跨度下可大幅减小内环或外环桁架高度，即减小了撑杆高度，在保证受力效率的同时，有效的解决了传统车辐式张拉结构撑杆较高，影响场内空间的不足。该结构体系主要以轴向力抵抗外荷载，受力效率高，有利于减小材料用量。该结构体系在体育场、足球场等大型公共非封闭式体育建筑中具有广泛的适用性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.大开口内环钢桁架索穹顶结构，其特征在于：包括内环刚性桁架(1)、索穹顶结构(2)以及外环刚性结构(3)；

所述内环刚性桁架(1)由外上弦环杆(1a)、外下弦环杆(1b)、至少一层内弦环杆(1c)以及用于连接内外环杆的连接杆(1d)组成中部大开口形式的空间钢桁架结构；

所述索穹顶结构(2)包括上脊索(2a)、下斜索(2b)、环索(2c)以及撑杆(2d)，所述索穹顶结构(2)最外圈上脊索(2a)与其下方对应的最外圈下斜索(2b)铰接在外环刚性结构(3)的同一位置，所述索穹顶结构(2)最内圈上脊索(2a)铰接在内环刚性桁架(1)的外上弦环杆(1a)，最内圈下斜索(2b)铰接在内环刚性桁架(1)的外下弦环杆(1b)，最内圈上脊索(2a)与最内圈下斜索(2b)分别与内环刚性桁架(1)的连接节点之间设置有刚性撑杆(2d)，所述内环刚性桁架(1)与外环刚性结构(3)之间的各级撑杆(2d)上端与对应上脊索(2a)端部铰接，其下端与环索(2c)以及对应下斜索(2b)端部铰接，屋面覆盖材料设置于柔性的上脊索(2a)上。

2.根据权利要求1所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其特征在于：所述内弦环杆(1c)为单层结构，所述内弦环杆(1c)分别与外上弦环杆(1a)和外下弦环杆(1b)连接的连接杆(1d)沿环向呈连续的V形布置。

3.根据权利要求2所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其特征在于：在所述内环刚性桁架(1)的外上弦环杆(1a)和外下弦环杆(1b)之间设置有斜向腹杆或拉索。

4.根据权利要求1所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其特征在于：所述索穹顶结构(2)设置有多级环索(2c)，所述内环刚性桁架(1)与外环刚性结构(3)之间的各级撑杆(2d)分别在对应环索(2c)上沿其环向间隔布置，所述撑杆(2d)的上端部通过铰接地多向连接头(2e)分别与对应级的上脊索(2a)和下斜索(2b)端部铰接，所述撑杆(2d)的下端部通过铰接地节点夹具(2f)与对应级的环索(2c)和下斜索(2b)端部铰接。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的大开口内环钢桁架索穹顶结构，其特征在于：所述内环刚性桁架(1)与外环刚性结构(3)之间的索穹顶结构(2)采用葵花型布置或肋环型布置或复合布置。

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