CN109113181B - 一种大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构，涉及新型轻质大跨建筑结构领域，包括上层联方形索网、内环马鞍形索桁、下弦径向索和外受压环；所述上层联方形索网连接所述内环马鞍形索桁和所述外受压环；所述上层联方形索网包括顺时针拉索、逆时针拉索和索夹节点；所述顺时针拉索均位于所述逆时针拉索的上方或下方，并通过所述索夹节点与所述逆时针拉索连接；所述下弦径向索中的径向拉索呈径向布置；所述径向拉索通过下弦径向索内环节点与所述内环马鞍形索桁连接，通过下弦径向索外环节点与所述外受压环连接。本发明整体刚度大，能更好地抵抗风荷载；特别地，抗扭刚度大，能明显地改善传统结构抗扭不足的缺陷。

Description

一种大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构

技术领域

本发明涉及新型轻质大跨建筑结构领域，尤其涉及一种大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构。

背景技术

随着国家经济实力的不断增强，人民对体育事业的热情也明显提高，对大型体育场馆的需求变得越来越大。目前，传统体育场的屋盖结构形式主要有钢网架、钢桁架、斜拉网壳、拱支网壳等。张拉结构作为一种新型结构形式，与传统体育场屋盖结构形式相比，有如下具体优势：设计新颖、结构独特，充分利用了索的抗拉、压杆抗压、环梁受压承载能力，建筑效果更加轻盈、流畅、动感，自重轻、便于运输、工业制造和装配，耗材少、可持续性发展等等。由于其自身优势，在近些年的体育建筑作品中频繁得到应用，如2012年伦敦奥运会主体育场，更是以其轻盈的“伦敦碗”形象震撼世人。

目前，张拉结构体系的体育场建筑多采用车辐式单/双层索系结构作骨架，高强膜材作屋面，索杆系多为径向布置。这种类型的张拉结构虽然具有自重轻、造型简洁等优点，但相应地也具有如下缺点：整体刚度小，尤其是抗扭刚度极小，无法抵抗外部荷载所引起的扭转效应，易侧向倾覆继而发生大规模破坏，具有较大的潜在危险；车辐式单/双层索系结构的内环近似为平面，建筑效果单一，不能充分地满足建筑外观多样性的需求。

专利申请号为CN201710378618.5、名称为“一种轮辐式张拉体系的结构确定方法”的中国专利申请，提出了一种轮辐式张拉结构体系的确定方法及步骤。

专利申请号为CN201710367312.X、名称为“一种轮辐式张拉结构拓展体系库构建方法”的中国专利申请，提出了一种基于建筑形态和结构受力性能对轮辐式张拉结构进行拓展，改变构件布置形式，构建轮辐式张拉结构拓展体系库的方法。

专利申请号为CN201710378231.X、名称为“一种闭合轮辐式张拉结构”的中国专利申请，提出了一种包括外部维护骨架、轮辐式张拉主体和中央屋盖的闭合轮辐式张拉结构。

张峥、张月强、丁洁民著的“轮辐式张拉结构几何形态及其受力分析”(建筑结构学报,2016,37(6):28-35)，对轮辐式张拉结构几何形态进行了系统分析和研究，以达到结构型式与建筑形态的融合。

张月强、张峥、丁洁民著的“内凹形轮辐式张拉结构基本体系找形与关键参数分析”(建筑结构学报,2016,37(6):36-45)，针对内凹形轮辐式张拉结构，对结构的关键参数进行参数分析。

上述文献对轮辐式结构的形态、衍变形式及受力进行分析研究，包括基本的内凹型、外凸型，基本基于径向索桁架体系进行演化。

邓华、姜群峰著的“环形张力索桁罩棚结构施工过程的形态分析”(土木工程学报,2005,38(6):1-7)，针对一种新型索杆张力结构——环形张力索桁罩棚结构的施工成型，提出了一种松弛索杆体系几何非稳定平衡形态的通用找形方法。

赵俊钊、陈务军、潘钦等著的“梁柱结构协同作用的车辐式索杆体系成形分析”(华南理工大学学报,2011,39(12):152-158)，针对车辐式张力索杆体系的张拉成形过程，建立考虑支撑结构的协同施工模拟方法。

上述文献对典型的轮辐式外凸和内凹型体育场的施工过程及模拟方法进行了研究，均为典型的径向索桁体系。

胡宗羽、王俊、赵基达著的“轮辐式交叉索结构构形研究及其预应力态分析”(土木工程学报,2017,50(9):8-15)，提出一类轮辐式交叉索结构，该类结构由双层外环压梁、双层内环拉索、内环撑杆、径向交叉布置的径向承重索、径向稳定索及它们之间的联系索杆组成。

邓华、祖义祯、沈嘉嘉等著的“月牙形索桁罩棚结构的施工成形分析和试验”(浙江大学学报,2013,47(3):488-494)，对新型月牙形空间索桁罩棚结构的施工方法进行了研究.提出一种在低空台架组装构件，并依次牵引上下径向索提升整体结构的施工方案，并进行了试验和模拟研究。

上述文献对交叉索桁架、月牙型结构体系进行了研究，特别是交叉型索桁架区别于经典的径向型结构。

专利申请号为CN201710151235.4、名称为“一种轮辐式单层索网整体提升、分批逐步锚固的施工方法”的中国专利申请，提出了一种索网结构，主要包括立柱、外压环梁、内环索和径向索，且各径向索的外端锚固节点存在明显高差。

任涛、陈务军、付功义著的“新型体育场径环向索网罩蓬整体提升过程模拟分析”(建筑结构学报,2008,29(2):32-38)，针对单层径向、环向索网体育场，建立了施工模拟方法。

上述文献对单层径向、环向索结构的结构特性、结构施工及模拟等进行了研究，该体系形式简洁，但刚度低、变形大，外环马鞍形矢高大，内环矢高很小，显著区别于双层索结构体系。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种整体刚度大、抗扭刚度大且负重能力较佳的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种整体刚度较大、建筑效果新颖独特的新型空间结构体系。

为实现上述目的，本发明提供了一种大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构，其特征在于，包括上层联方形索网、内环马鞍形索桁、下弦径向索和外受压环；所述上层联方形索网连接所述内环马鞍形索桁和所述外受压环；所述上层联方形索网包括顺时针拉索、逆时针拉索和索夹节点；所述顺时针拉索均位于所述逆时针拉索的上方或下方，并通过所述索夹节点与所述逆时针拉索连接；所述下弦径向索中的径向拉索呈径向布置；所述径向拉索通过下弦径向索内环节点与所述内环马鞍形索桁连接，通过下弦径向索外环节点与所述外受压环连接。

进一步地，所述顺时针拉索和所述逆时针拉索均通过上层联方形索网内环节点连接所述内环马鞍形索桁，均通过上层联方形索网外环节点连接所述外受压环。

进一步地，所述下弦径向索还包括下弦径向索内环节点和下弦径向索外环节点，所述径向拉索通过所述下弦径向索内环节点连接所述内环马鞍形索桁，所述径向拉索通过所述下弦径向索外环节点连接所述外受压环。

进一步地，所述内环马鞍形索桁呈马鞍形设置，包括上环索、下环索、飞柱和斜拉索；在所述上环索和所述下环索之间固定连接四组所述斜拉索，相邻两组所述斜拉索呈对称状倾斜设置；所述斜拉索和所述飞柱连接所述上环索，所述斜拉索和所述飞柱连接所述下环索。

进一步地，所述斜拉索的倾斜角度范围为30°～60°。

进一步地，所述内环马鞍形索桁还包括上铸造索夹和下铸造索夹，所述斜拉索和所述飞柱通过所述上铸造索夹连接所述上环索，所述斜拉索和所述飞柱通过所述下铸造索夹连接所述下环索，所述径向拉索通过所述下弦径向索内环节点连接所述下铸造索夹。

进一步地，所述上环索由6-8根密闭钢索通过所述上铸造索夹连接构成闭环索体，所述下环索由6-8根密闭钢索通过所述下铸造索夹连接构成闭环索体。

进一步地，所述外受压环为桁架或箱梁，连接所述上层联方形索网和所述下弦径向索。

进一步地，所述内环马鞍形索桁的平面形状为圆形或椭圆形。

进一步地，所述外受压环的平面形状为圆形或椭圆形。

本发明涉及了一种大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构，包括四部分：上层联方形索网、内环马鞍形索桁、下弦径向索、外受压环，四者构成整体张拉平衡体系。上层联方形索网由顺时针拉索和逆时针拉索连接内环马鞍形索桁和外受压环，顺时针拉索均位于逆时针拉索上或下，由索夹节点连接，索夹节点可承受拉力。内环马鞍形索桁由上环索、下环索、飞柱、斜拉索构成，斜拉索随马鞍形呈1/4对称，斜拉索和飞柱通过上、下铸造索夹连接上环索、下环索，上、下铸造索夹具有高抗节点不平衡力。与传统上、下弦同时径向布置的车幅式屋盖结构相比，该体系的优点是：整体刚度大，能更好地抵抗风荷载；特别地，抗扭刚度大，能明显地改善传统结构抗扭不足的缺陷；有规律的菱形网格索网上弦面，减小了支撑点间跨度，提高了负重能力，使得铺设金属屋面罩棚得以实现；内外马鞍形设计，呈现出新颖、飘逸独特的建筑效果。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构的结构示意图；

图2是图1所示的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构的俯视图；

图3是图1所示的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构的侧视图；

图4是图1所示的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构的另一视角侧视图；

图5是图1所示的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构的上层联方形索网的俯视图；

图6是图5所示的上层联方形索网的顺时针拉索的俯视图；

图7是图5所示的上层联方形索网的逆时针拉索的俯视图；

图8是图1所示的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构的内环马鞍形索桁的结构示意图；

图9是图8所示的内环马鞍形索桁的主视图；

图10是图1所示的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构的下弦径向索的俯视图。

其中，1-上层联方形索网，101-顺时针拉索，102-逆时针拉索，103-索夹节点，104-上层联方形索网内环节点，105-上层联方形索网外环节点，2-内环马鞍形索桁，201-上环索，202-下环索，203-飞柱，204-斜拉索，205-上铸造索夹，206-下铸造索夹，3-下弦径向索，301-径向拉索，302-下弦径向索内环节点，303-下弦径向索外环节点，4-外受压环。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1至图4所示，本发明提供一种大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构，包括四个部分：上层联方形索网1、内环马鞍形索桁2、下弦径向索3和外受压环4，四者构成整体张拉平衡体系。上层联方形索网1连接内环马鞍形索桁2和外受压环4，下弦径向索3通过节点连接内环马鞍形索桁2和外受压环4。

如图5至图7所示，上层联方形索网1包括顺时针拉索101、逆时针拉索102、索夹节点103、上层联方形索网内环节点104和上层联方形索网外环节点105。其中，顺时针拉索101均位于逆时针拉索102的上方或下方，并通过索夹节点103与逆时针拉索102连接，索夹节点103可承受拉力。在一些实施例中，如图5所示，1根顺时针拉索101与7根逆时针拉索102有交叉点(包括该顺时针拉索101的两端点上的交叉点)。上层联方形索网1由顺时针拉索101和逆时针拉索102通过上层联方形索网内环节点104连接内环马鞍形索桁2。上层联方形索网1由顺时针拉索101和逆时针拉索102通过上层联方形索网外环节点105连接外受压环4。

如图8至图9所示，内环马鞍形索桁2包括上环索201、下环索202、飞柱203、斜拉索204、上铸造索夹205和下铸造索夹206。其中，上环索201由6-8根密闭钢索通过上铸造索夹205连接构成闭环索体。下环索202由6-8根密闭钢索通过下铸造索夹206连接构成闭环索体。密闭钢索是以单股钢丝绳为内芯，外层逐次包捻一层或数层Z型、梯形或其他形状的异型钢丝(如X型钢丝、人字形钢丝、8字形钢丝等)组成的钢索。内环马鞍形索桁2呈马鞍形：内环马鞍形索桁2的一个侧视图(图3和图9)显示其两端适度上翘，中间适度下凹；内环马鞍形索桁2的另一个侧视图(图4)显示其两端适度下垂，中间适度凸起。在上环索201和下环索202之间固定连接四组斜拉索204，相邻两组斜拉索204呈对称状倾斜设置，比如，图9中示出的两组斜拉索204(以图9中正中心的飞柱203为对称轴对称设置)。斜拉索204的倾斜角度范围为30°～60°，优选为45°。斜拉索204和飞柱203通过上铸造索夹205连接上环索201，斜拉索204和飞柱203通过下铸造索夹206连接下环索202。上铸造索夹205和下铸造索夹206具有高抗节点不平衡力。

如图10所示，下弦径向索3呈径向布置，包括径向拉索301、下弦径向索内环节点302和下弦径向索外环节点303。其中，径向拉索301通过下弦径向索内环节点302连接内环马鞍形索桁2的下铸造索夹206，径向拉索301通过下弦径向索外环节点303连接外受压环4。

外受压环4为桁架或箱梁，连接上层联方形索网1和下弦径向索3。外受压环4也呈马鞍形：外受压环4的一个侧视图(图3)显示其两端适度上翘，中间适度下凹；外受压环4的另一个侧视图(图4)显示其两端适度下垂，中间适度凸起。外受压环4与内环马鞍形索桁2组成的内外马鞍形设计，呈现出新颖、飘逸独特的建筑效果。

本发明的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构，可针对不同的场地和建筑效果的需求，相应地调整建筑尺寸、结构尺寸及预张力值、索网布置方式。建筑尺寸主要包括内外环平面的形状(如圆形、椭圆形)，平面尺寸及立面矢高、桁架高度等，结构尺寸主要包括索直径、杆直径等，索网布置方式主要包括内外环分格及分格数等。

本发明的大跨上层联方形内环马鞍形双层索杆张拉结构，可针对不同的场地和建筑效果的需求，将张拉结构的平面形态设置为CC型、CE型、EC型或EE型。也即，内环马鞍形索桁的平面形状为圆形或椭圆形，外受压环的平面形状为圆形或椭圆形。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大跨上层联方形索网双层索杆张拉结构，其特征在于，包括上层联方形索网、内环马鞍形索桁、下弦径向索和外受压环；所述上层联方形索网连接所述内环马鞍形索桁和所述外受压环；所述上层联方形索网包括顺时针拉索、逆时针拉索和索夹节点；所述顺时针拉索均位于所述逆时针拉索的上方或下方，并通过所述索夹节点与所述逆时针拉索连接；所述索夹节点用于承受拉力；所述下弦径向索中的径向拉索呈径向布置；所述径向拉索通过下弦径向索内环节点与所述内环马鞍形索桁连接，通过下弦径向索外环节点与所述外受压环连接；

所述内环马鞍形索桁呈马鞍形设置，包括上环索、下环索、飞柱和斜拉索；在所述上环索和所述下环索之间固定连接四组所述斜拉索，相邻两组所述斜拉索呈对称状倾斜设置；所述斜拉索和所述飞柱连接所述上环索，所述斜拉索和所述飞柱连接所述下环索；所述内环马鞍形索桁还包括上铸造索夹和下铸造索夹，所述斜拉索和所述飞柱通过所述上铸造索夹连接所述上环索，所述斜拉索和所述飞柱通过所述下铸造索夹连接所述下环索，所述径向拉索通过所述下弦径向索内环节点连接所述下铸造索夹；所述上铸造索夹和所述下铸造索夹被配置为高抗节点不平衡力；

所述斜拉索相对所述飞柱的倾斜角度为45°；

所述外受压环为桁架或箱梁，连接所述上层联方形索网和所述下弦径向索。

2.如权利要求1所述的大跨上层联方形索网双层索杆张拉结构，其特征在于，所述顺时针拉索和所述逆时针拉索均通过上层联方形索网内环节点连接所述内环马鞍形索桁，均通过上层联方形索网外环节点连接所述外受压环。

3.如权利要求1所述的大跨上层联方形索网双层索杆张拉结构，其特征在于，所述下弦径向索还包括下弦径向索内环节点和下弦径向索外环节点，所述径向拉索通过所述下弦径向索内环节点连接所述内环马鞍形索桁，所述径向拉索通过所述下弦径向索外环节点连接所述外受压环。

4.如权利要求1所述的大跨上层联方形索网双层索杆张拉结构，其特征在于，所述上环索由6-8根密闭钢索通过所述上铸造索夹连接构成闭环索体，所述下环索由6-8根密闭钢索通过所述下铸造索夹连接构成闭环索体。

5.如权利要求1所述的大跨上层联方形索网双层索杆张拉结构，其特征在于，所述内环马鞍形索桁的平面形状为圆形或椭圆形。

6.如权利要求1至5中任一项所述的大跨上层联方形索网双层索杆张拉结构，其特征在于，所述外受压环的平面形状为圆形或椭圆形。

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