CN220377625U - 波浪形薄拱壳结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种波浪形薄拱壳结构，包括：结构本体；结构本体的任一横断面为拱形，结构本体的任一纵断面的轮廓线采用波浪形曲线；纵断面的轮廓线具有第一段和第二段，第一段沿结构本体的径向外凸，第二段沿结构本体的径向内凹，第一段和第二段依次交替连接；其中，第一段的顶点至第一段的端点的径向距离为f1，第一段在结构本体的轴向上的投影长度为L1，则满足f1/L1≥0.125。如此配置，结构本体的横断面为拱形，使得结构在竖向荷载作用下，以压弯受力为主；同时，结构本体的纵断面的轮廓线采用波浪形曲线，提高了结构本体的抗弯惯性矩，进一步减小了结构在竖向荷载作用下的拉应力，使得整体结构无需配置钢筋。

Description

波浪形薄拱壳结构

技术领域

本实用新型涉及建筑结构领域，尤其涉及一种波浪形薄拱壳结构。

背景技术

传统的拱壳结构采用普通钢筋混凝土建造，壳体厚重，支模困难，钢筋绑扎工作繁琐且效率低，钢筋混凝土壳浇筑后，壳体表面一般需要再进行装饰面层的施工，工序复杂且效率低下。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种波浪形薄拱壳结构，以解决现有的拱壳结构壳体厚重、支模困难、工序复杂且效率低下的问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种波浪形薄拱壳结构，包括：结构本体；

所述结构本体的任一横断面均为拱形，所述结构本体的任一纵断面的轮廓线均为波浪形；

所述纵断面的轮廓线具有交替连接的第一段和第二段，所述第一段沿所述结构本体的径向外凸，所述第二段沿所述结构本体的径向内凹；

其中，所述第一段的顶点至端点的径向距离为f1，所述第一段沿所述结构本体的轴向上的投影长度为L1，且f1/L1≥0.125。

可选的，所述第二段的顶点至端点的径向距离为f2，所述第二段沿所述结构本体的轴向上的投影长度为L2，且f2/L2≥0.125。

可选的，f1＝f2。

可选的，L1＝L2。

可选的，所述结构本体采用超高性能混凝土制成。

可选的，所述结构本体的横断面的跨度为10m～14m。

可选的，所述结构本体在自身径向上的长度为40mm～60mm。

综上所述，在本实用新型提出的波浪形薄拱壳结构中，结构本体的任一横断面为拱形，使得结构在竖向荷载作用下，以压弯受力为主，所述结构本体的任一纵断面的轮廓线采用波浪形曲线，提高了结构本体的抗弯惯性矩，进一步减小了结构在竖向荷载作用下的拉应力，使得整体结构无需配置钢筋；所述纵断面的轮廓线具有第一段和第二段，所述第一段沿所述结构本体的径向外凸，所述第二段沿所述结构本体的径向内凹，所述第一段和所述第二段依次交替连接；其中，所述第一段的顶点至所述第一段的端点的径向距离为f1，所述第一段在所述结构本体的轴向上的投影长度为L1，则满足f1/L1≥0.125，整个结构融合了建筑的几何造型美学和结构力学，结合拱造型和波浪线造型建立大空间建筑，实现结构装饰一体化。

附图说明

图1为本实用新型实施例中提出的结构本体的示意图；

图2为图1中的结构本体的横断面示意图；

图3为图1中的结构本体的纵断面示意图；

图4为本实用新型实施例中提出的第一段的顶点应力与矢跨比的关系示意图；

图5为本实用新型实施例中提出的第二段的顶点应力与矢跨比的关系示意图；

图6为本实用新型实施例中提出的结构屈曲因子与矢跨比的关系示意图。

其中，各附图标记的说明如下：

1-结构本体；2-第一段；3-第二段。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本说明书中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。术语“上”、“下”、“顶”、“底”通常是按重力方向进行排布的相对位置关系；术语“竖向、竖直方向”通常是指沿重力方向，其一般垂直于地面，“水平向、水平面方向”通常是沿平行于地面的方向；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。

本实用新型的目的在于提供一种拱壳结构，以解决现有的拱壳结构壳体厚重、支模困难、工序复杂且效率低下的问题。

以下参考附图进行描述。

请参考图1至图3，本实用新型提供一种波浪形薄拱壳结构，包括：结构本体1；结构本体1的任一横断面均为拱形，结构本体1的任一纵断面的轮廓线均为波浪形；纵断面的轮廓线具有第一段2和第二段3，第一段2沿结构本体1的径向外凸，第二段3沿结构本体1的径向内凹，第一段2和第二段3依次交替连接；其中，第一段2的顶点至第一段2的端点的径向距离为f1，第一段2在结构本体1的轴向上的投影长度为L1，则满足f1/L1≥0.125。需要说明的，结构本体1的横断面为垂直于结构本体1的轴向上的截面，在图1中为A-A方向上的剖面，结构本体1的纵断面为平行于结构本体1的轴向上的截面，在图1中为B-B方向上的剖面；结构本体1的轴向在图3中沿水平方向延伸，结构本体1的径向在图3中沿竖直方向延伸；由于第一段2沿结构本体1的径向外凸，因此，第一段2呈现开口向下的抛物线状，故第一段2的顶点为第一段2在结构本体1的径向上的最高点(在图3中为沿竖直方向上的最高点)。

作为一种优选的实施例，第一段2和第二段3的分布密度用“矢跨比”作为参数进行表示，当矢跨比(f1/L1)接近于0时，即结构纵断面的轮廓线比较平坦时，波浪形结构的应力随着矢跨比的增大迅速减小，矢跨比达到一定数值之后，矢跨比对拱壳的受力影响较小。

请参考图4，在一个可选的实施例中，以横断面跨度Lt＝12m，ft＝6m，壳体厚度为50mm的波浪形拱壳为例；分析第一段2的顶点至第一段2的端点的径向距离f1和第一段2在结构本体1的轴向上的投影长度L1的比值f1/L1对壳体的应力影响，经计算，当f1/L1≥0.125时，矢跨比(f1/L1)的变化对壳体应力的影响很小，壳体在设计荷载组合作用下的应力小于超高性能混凝土抗拉强度；请参考图6，分析第一段2的顶点至第一段2的端点的径向距离f1和第一段2在结构本体1的轴向上的投影长度L1的比值f1/L1对壳体稳定性的影响，经计算，当f1/L1＜0.125时，壳体的第Ⅰ阶模态的屈曲因子随着f1/L1的增大而增大，当f1/L1≥0.125时，壳体的第Ⅰ阶模态的屈曲因子和f1/L1的曲线逐渐变缓；当f1/L1＝0.125时，波浪形薄拱壳的屈曲因子为150，考虑几何非线性、材料非线性和初始缺陷的荷载因子为11.5，波浪形薄拱壳的稳定性满足设计要求；基于结构力学参数分析的结论，建筑设计的几何造型考虑建筑的美学要求同时满足f1/L1≥0.125的条件，则能够实现无钢筋的薄拱壳结构。

本领域技术人员可以理解的，本实施例中的结构横断面采用压弯受力为主的拱形结构，结构纵断面的轮廓线采用波浪线形状以提高结构的抗弯惯性矩，使得结构在竖向荷载作用下，截面以压应力为主，拉应力小于超高性能混凝土的抗拉强度，因此免除了壳体钢筋，进而实现无需配筋的超高性能混凝土薄拱壳结构。该结构体系结合了建筑的几何造型美学和结构力学，利用拱形造型和波浪形造型建立大空间建筑，实现结构装饰一体化。除此之外，该结构无需配置钢筋，节省了时间成本的同时，也降低了造价，提升了施工效率。

进一步的，第二段3的顶点至第二段3的端点的径向距离为f2，第二段3在结构本体1的轴向上的投影长度为L2，则满足f2/L2≥0.125。需要说明的，由于第二段3沿结构本体1的径向内凹，因此，第二段3呈现开口向上的抛物线状，故第二段3的顶点为第二段3在结构本体1的轴向上的最低点(在图3中为沿竖直方向上的最低点)。作为一种可选的实施例，请参考图5，依然以横断面跨度Lt＝12m，ft＝6m，壳体厚度为50mm的波浪形拱壳为例；依次分析第二段3的顶点至第二段3的端点的径向距离f2和第二段3在结构本体1的轴向上的投影长度L2的比值f2/L2对壳体的应力影响和对壳体稳定性的影响，得到与前述第一段2相似的分析结果，即基于结构力学参数分析的结论，建筑设计的几何造型考虑建筑的美学要求同时满足f2/L2≥0.125的条件，则能够实现无钢筋的薄拱壳结构。本领域技术人员可以理解的，若采用不同的横断面参数以及壳体厚度的参数，得到的矢跨比的临界值可能存在一定的差异，本领域技术人员可根据具体的结构本体1的参数配置对矢跨比的临界值进行计算，本实施例对此不限。

请参考图3，在一个可替换的实施例中，f1＝f2；L1＝L2。需要说明的，在图3示出的示范例中，结构本体1的纵断面的轮廓线分别具有三个第一段2和三个第二段3，且第一段2和第二段3的参数均相等，并依次交替连接。本领域技术人员可以理解的，基于结构力学参数分析和建筑几何美学的分析，结构本体1的纵断面的轮廓线具有沿结构本体1的轴向相对称的形态为较优的实施例，在一些其他的实施例中，基于结构本体1的跨度的不同，以及各个截面的参数配置的不同，第一段2和第二段3的数量可以更少或更多，纵断面的轮廓线也可以相对于结构本体1的轴向不完全对称，本领域技术人员可对此进行灵活配置。

作为一种可选的实施例，结构本体1采用超高性能混凝土制成。本领域技术人员可以理解的，超高性能混凝土(UHPC)与普通混凝土(NSC)相比，具有较强的耐久性和较高的力学性能，其能够在保证结构本体1的强度的前提下，减少后期维护加固的成本，同时，受超高性能混凝土(UHPC)的高力学性能影响，结构本体1的厚度相对于普通混凝土壳能够进一步减小，缩减了建造成本的同时，也克服了传统拱壳结构壳体厚重、支模困难的弊端。在其他一些实施例中，本领域技术人员也可以根据实际情况采用其他具有高力学性能的材料来制备结构本体1以减小壳体的厚度，本实施例对此不限。

作为一种可选的实施例，结构本体1的横断面的跨度为10m～14m。在图1～图2示出的示范例中，结构本体1的横断面为A-A剖面，结构本体1的横断面的跨度为Lt，本领域技术人员可以理解的，考虑到建筑结构的稳定性以及建筑几何造型美学，薄拱壳结构通常采用现场喷射混凝土的方式成型，具体应用在小型展厅或公园内的休息驿站等跨度为10m左右的空间结构中。

在一些可替换的实施例中，结构本体1在自身径向上的厚度为40mm～60mm。需要说明的，在对结构本体1的几何参数进行结构力学分析的过程中，通过在结构优选参数范围内进行建筑造型设计，例如结构本体1的跨度为10m～14m，结构本体1的厚度为40mm～60mm，以实现建筑造型美学和结构力学相统一的波浪形薄拱壳结构，该结构在设计荷载下，应力小于超高性能混凝土强度，薄拱壳的稳定性满足设计要求。

作为一种可选的实施例，操作者需要基于波浪形薄拱壳结构的尺寸制作模具；并基于模具利用喷射工艺制备波浪形薄拱壳结构。

需要说明的，在制备波浪形薄拱壳结构的过程中，本领域技术人员需要根据力学参数分析的结果，确定结构优选参数范围，并结合实际情况，在结构优选参数范围内确定波浪性拱壳结构的结构参数，并制作对应的模具；同时，在制作模具的过程中，还应该考虑到制作时混凝土的损失以及养护前后的差异。

作为一种优选的实施例，利用数字化制模技术制造模具。需要说明的，数字化制模技术是指用数字化信息控制模具加工，可以使模具的制造质量、精度得以提高，适合复杂造型曲面建筑模具的制作。具体喷射混凝土时，需要使用模具来使拱壳结构的尺寸以及纵断面曲线更加精准。

在一个可替换的实施例中，采用混凝土喷射工艺制备波浪形薄拱壳结构。本领域技术人员可以理解的，与普通混凝土施工工艺相比，混凝土喷射工艺具有施工速度快，在施工作业方式上，灵活多变，可在高空、深坑或狭小的工作区间向任意方向制作薄壁或复杂造型的结构，占地面积小，机动灵活，尤其是在制作如本实施例中的不规则构件时，更加方便。作为一种可选的实施例，可采用单面模具喷射混凝土制备波浪形薄拱壳结构。

综上，在本实用新型实施例提供的一种波浪形薄拱壳结构中，所述波浪形薄拱壳结构包括：结构本体；所述结构本体的任一横断面为拱形，所述结构本体的任一纵断面的轮廓线采用波浪形曲线；所述纵断面的轮廓线具有第一段和第二段，所述第一段沿所述结构本体的径向外凸，所述第二段沿所述结构本体的径向内凹，所述第一段和所述第二段依次交替连接；其中，所述第一段的顶点至所述第一段的端点的径向距离为f1，所述第一段在所述结构本体的轴向上的投影长度为L1，则满足f1/L1≥0.125。

如此配置，结构本体的横断面为拱形，使得结构在竖向荷载作用下，以压弯受力为主；同时，结构本体的纵断面的轮廓线采用波浪形曲线，提高了结构本体的抗弯惯性矩，进一步减小了结构在竖向荷载作用下的拉应力，使得整体结构无需配置钢筋；除此之外，整个结构融合了建筑的几何造型美学和结构力学，结合拱造型和波浪线造型建立大空间建筑，实现结构装饰一体化。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种波浪形薄拱壳结构，其特征在于，包括：结构本体；

所述结构本体的任一横断面均为拱形，所述结构本体的任一纵断面的轮廓线均为波浪形；

所述纵断面的轮廓线具有交替连接的第一段和第二段，所述第一段沿所述结构本体的径向外凸，所述第二段沿所述结构本体的径向内凹；

其中，所述第一段的顶点至端点的径向距离为f1，所述第一段在所述结构本体的轴向上的投影长度为L1，且f1/L1≥0.125。

2.如权利要求1所述的波浪形薄拱壳结构，其特征在于，所述第二段的顶点至端点的径向距离为f2，所述第二段在所述结构本体的轴向上的投影长度为L2，且f2/L2≥0.125。

3.如权利要求2所述的波浪形薄拱壳结构，其特征在于，f1＝f2。

4.如权利要求2所述的波浪形薄拱壳结构，其特征在于，L1＝L2。

5.如权利要求1所述的波浪形薄拱壳结构，其特征在于，所述结构本体采用超高性能混凝土制成。

6.如权利要求1所述的波浪形薄拱壳结构，其特征在于，所述结构本体的横断面的跨度为10m～14m。

7.如权利要求1所述的波浪形薄拱壳结构，其特征在于，所述结构本体在自身径向上的长度为40mm～60mm。