專利名稱：具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，它是由矩形環(huán)梁，豎直撐桿，脊索、斜索，環(huán)索，中心豎直撐桿以及荷載緩和裝置組成的一種張力結構。
背景技術：
索穹頂結構是美國工程師Gerger發(fā)展和推廣Fuller張拉整體結構思想后實現(xiàn)的一種新型預應力大跨結構，它體現(xiàn)了Fuller關于“壓力的孤島存在于拉力的海洋中”的思想，是一種結構效率極高的全張力結構。目前，索穹頂結構在美國、日本、韓國、臺北等地有了比較廣泛的應用，并且顯示了其強大的優(yōu)越性。但是已經(jīng)申報專利的Levy和Geiger兩種索穹頂僅僅涉及圓形和橢圓型，矩型平面的索穹頂還沒有廣泛研究，這就限制了索穹頂?shù)膽梅秶?。另外，面對目前日益廣泛的張力結構結構，結合其自身的特點，研究一種能夠隨著外部作用變化而對結構自身進行調節(jié)，最終達到自適應和自調節(jié)功能的結構一直是人們的一個美好夢想。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，它由矩形環(huán)梁、豎直撐桿、脊索、斜索、環(huán)索、中心豎直撐桿以及荷載緩和裝置組成。由豎直撐桿、脊索、斜索構成一榀，長榀和短榀分別沿長度方向和寬度方向布置，所有的榀匯交于一點，交點處各榀共用中心豎直撐桿。每一榀的脊索一端與中心豎直撐桿鉸接，另一端與矩形環(huán)梁錨接，沿著脊索，設置多個豎直撐桿，斜索一端與豎直撐桿底部鉸接，另一端與外側相鄰豎直撐桿頂部鉸接，最外側豎直撐桿底部斜索與矩形環(huán)梁錨接。
中心豎直撐桿標高最高，豎直撐桿頂部標高環(huán)向相同，徑向由內向外遞減，同一環(huán)向上的豎直撐桿底部由環(huán)索相連。脊索，斜索，環(huán)索均為預應力拉索，外部矩形環(huán)梁為可受承壓力的矩形環(huán)梁。在斜索與環(huán)梁錨接處設置斜索緩和裝置或在環(huán)索與豎直撐桿底部鉸接處設置環(huán)索緩和裝置。
本發(fā)明與背景技術相比具有的有益效果是1)索穹頂?shù)钠矫娌贾貌辉傧拗圃趫A形，擴展到矩型平面，更加自由。
2)自重輕。結構構件較少，且主要是高強度拉索，結構自重輕。
3)充分發(fā)揮高強度材料的性能。本結構可采用高強度拉索，承壓性能優(yōu)越的砼圈梁或鋼箱梁，可充分發(fā)揮這兩種材料各自的特性。
4)受力性能優(yōu)越。結構由預應力提供剛度，拉索始終處于受拉狀態(tài)。
5)設置荷載緩和裝置后，在相同荷載作用下，結構構件的內力的增加量較沒有緩和裝置時下降20％～30％。
6)設置緩和裝置后，相同荷載作用下，該結構跨中撓度有所增大。
7)對于突發(fā)的大荷載作用下，緩和裝置可以吸收一部分能量，而且緩和裝置增大了結構的柔性，使結構產(chǎn)生較大的變形，減少了荷載作用的沖量，在一定程度范圍內避免倒塌的危險。
8)建筑效果好。由于本結構構成的構件數(shù)遠少于一般的網(wǎng)格結構，因此給人們一種簡潔明快的效果，克服了網(wǎng)格結構感觀上桿件繁多零亂的弊端。


圖1是具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構平面示意圖；圖2(a)是具有緩和功能矩型平面索穹頂結構長榀剖面示意圖；圖2(b)是具有緩和功能矩型平面索穹頂結構短榀剖面示意圖；圖3是具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構三維示意圖；圖4(a)是本發(fā)明的斜索緩和裝置結構示意圖；圖4(b)是本發(fā)明的環(huán)索緩和裝置結構示意圖；圖5是算例1中長榀脊索R31內力變化曲線；圖6是算例1中短榀脊索R32內力變化曲線；圖7是算例1中長榀斜索D31內力變化曲線；圖8是算例1中短榀斜索D32內力變化曲線；圖9是算例1中長榀豎直撐桿R31內力變化曲線；圖10是算例1中短榀豎直撐桿R32內力變化曲線；圖11是算例1中長榀環(huán)索H21內力變化曲線；圖12是算例1中短榀環(huán)索H23內力變化曲線。
圖中1、矩形環(huán)梁，2、豎直撐桿，3、脊索，4、斜索，5、環(huán)索，6、中心豎直撐桿，7、斜索緩和裝置，8、環(huán)索緩和裝置，9、預埋鋼板，10、錨板，11、廣義彈簧單元，12、孔道，13、拉索承壓球節(jié)點。
具體實施例方式
如圖1、2、3所示，具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構由矩形環(huán)梁1、豎直撐桿2、脊索3、斜索4、環(huán)索5、中心豎直撐桿6以及緩和裝置組成。由豎直撐桿2、脊索3、斜索4構成一榀，長榀和短榀分別沿長度方向和寬度方向布置，所有的榀匯交于一點，此點各榀共用中心豎直撐桿6，脊索3一端與中心豎直撐桿6鉸接，脊索另一端與矩形環(huán)梁1錨接，沿著脊索3，設置多個豎直撐桿2，斜索4一端與豎直撐桿2底部鉸接，斜索另一端與外側相鄰豎直撐桿2頂部鉸接，最外側豎直撐桿2底部斜索4與矩形環(huán)梁1錨接。在斜索4與環(huán)梁1錨接設置斜索緩和裝置7或在環(huán)索5與豎直撐桿2底部鉸接處設置環(huán)索緩和裝置8。
所述的中心豎直撐桿6標高最高，以中心豎直撐桿6為中心，沿脊索3布置的豎直撐桿2頂部標高環(huán)向相同，徑向由內向外遞減，同一環(huán)向上的豎直撐桿2底部由環(huán)索5相連。脊索3、斜索4或環(huán)索5均為預應力拉索。外部矩形環(huán)梁1為可受承壓力的矩形環(huán)梁1。
如圖4所示，斜索緩和裝置7具有設置在環(huán)梁1上的預埋鋼板9，與環(huán)梁孔道12相接的預埋鋼板9上設有廣義彈簧單元11、錨板10。環(huán)索緩和裝置8具有設置在環(huán)索5端部的拉索承壓球節(jié)點13、廣義彈簧單元11、錨板10。
具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構由不同強度的材料組合而成。矩形環(huán)梁為受壓矩形環(huán)梁，可利用下部結構柱頂圈梁，一般為鋼筋砼梁，剛度大，受壓性能好，施工也方便，脊索錨板可固定在該梁上，張拉操作空間寬敞，操作方便。脊索、斜索、環(huán)索可采用高強鋼絲，鋼絞線，鋼絲繩等。拉索施工時，首先要確定其零應力狀態(tài)下的長度，加工索頭、錨具和豎直撐桿，在實際施工中，拉索的初始預應力值與設計值仍有可能出現(xiàn)較大的差距，所以豎直撐桿可以設計為長度可調節(jié)的構件，環(huán)索與脊索之間的連接可采用可調節(jié)索，連接和調整方便。索與索連接，索與梁連接的節(jié)點已有許多形式可選擇。結構的構件裝配完畢后，結構仍處于無應力狀態(tài)，當余下的小部分索張拉到位時，結構成形并具有剛度，可承受外部荷載作用。
下面給出一具體算例。
算例1一個長跨為75m，短跨60m，承受滿跨均布荷載作用的矩型平面索穹頂，結構的平面圖和剖面圖如圖1、2所示，在剖面圖中的豎向撐桿高度分別為4.2m、6.6m、8.0m。該穹頂各索的截面積A和初始預應力F0見表1，對該結構依次施加豎向均布荷載q＝0(即施工張拉完成時，僅有自重的情況)，0.5kN/m2，1.0kN/m2，1.5kN/m2，2.0kN/m2，2.5kN/m2，計算其未加緩和裝置、在斜索處加緩和裝置、在環(huán)索上加緩裝置時桿件及索的內力變化曲線，采用的緩和裝置的單元彈性剛度為5.0×107N/m，索的彈性模量1.8×1011Pa。附圖5、6、7、8、9、10、11、12分別是R31(長榀脊索)，R32(短榀脊索)，D31(長榀斜索)，D32(短榀斜索)，B31(長榀撐桿)，B32(短榀撐桿)，H21(長榀外環(huán)索)，H23(短榀外環(huán)索)的內力變化曲線，計算結果表明，在環(huán)索上放置緩和裝置效果最好，但是綜合考慮施工難易程度，在斜索處放置緩和裝置，效果較理想，內力變化幅度可下降20％～30％。q＝2.5kN/m2時，未加緩和裝置跨中撓度為0.1734m，在斜索D31、D32處放置緩和裝置時，跨中撓度為0.20m。
從算例可見，本發(fā)明的效果是有益的，方案是可行的。
表1

權利要求
1.一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，其特征在于，它是矩型平面的索穹頂，它由矩形環(huán)梁(1)、豎直撐桿(2)、脊索(3)、斜索(4)、環(huán)索(5)、中心豎直撐桿(6)以及荷載緩和裝置組成。由豎直撐桿(2)、脊索(3)、斜索(4)構成一榀，長榀和短榀分別沿長度方向和寬度方向布置，所有的榀匯交于一點，此點各榀共用中心豎直撐桿(6)，脊索(3)一端與中心豎直撐桿(6)鉸接，脊索另一端與矩形環(huán)梁(1)錨接，沿著脊索(3)，設置多個豎直撐桿(2)，斜索(4)一端與豎直撐桿(2)底部鉸接，斜索另一端與外側相鄰豎直撐桿(2)頂部鉸接，最外側豎直撐桿(2)底部斜索(4)與矩形環(huán)梁(1)錨接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，其特征在于所述的中心豎直撐桿(6)標高最高，以中心豎直撐桿(6)為中心，沿脊索(3)布置的豎直撐桿(2)頂部標高環(huán)向相同，徑向由內向外遞減，同一環(huán)向上的豎直撐桿(2)底部由環(huán)索(5)相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，其特征在于所述的脊索(3)、斜索(4)或環(huán)索(5)均為預應力拉索。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，其特征在于外部矩形環(huán)梁(1)為可受承壓力的矩形環(huán)梁(1)。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，其特征在于在斜索(4)與環(huán)梁(1)錨接處設置斜索緩和裝置(7)或在環(huán)索(5)與豎直撐桿(2)底部鉸接處設置環(huán)索緩和裝置(8)。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種具有荷載緩和功能的矩型平面索穹頂結構，其特征在于，所述的斜索緩和裝置(7)具有設置在環(huán)梁(1)上的預埋鋼板(9)，與環(huán)梁孔道(12)相接的預埋鋼板(9)上設有廣義彈簧單元(11)、錨板(10)。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種具有荷載緩和功能的矩型平面索穹頂結構，其特征在于，所述的環(huán)索緩和裝置(8)具有設置在環(huán)索(5)端部的拉索承壓球節(jié)點(13)、廣義彈簧單元(11)、錨板(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有緩和功能的矩型平面索穹頂結構，它由豎直撐桿、脊索、斜索構成一榀，長榀和短榀交點處共用中心豎直撐桿，脊索一端與中心豎直撐桿鉸接，另一端與矩形環(huán)梁錨接，斜索一端與豎直撐桿底部鉸接，另一端與外側相鄰豎直撐桿頂部鉸接，豎直撐桿底部由環(huán)索相連。在斜索與環(huán)梁錨接處設置斜索緩和裝置或在環(huán)索與豎直撐桿底部鉸接處設置環(huán)索緩和裝置。本具有緩和功能的矩型型索穹頂結構受力性能優(yōu)越，可以充分發(fā)揮材料的強度。設置荷載緩和裝置后，結構內力進一步減少，在相同荷載作用下，結構構件的內力增加量較沒有設置緩和裝置時下降20％～30％。特別對于突發(fā)的大荷載作用下，緩和裝置可以吸收一部分能量，在一定程度范圍內避免倒塌的危險。
文檔編號E04B7/08GK101082243SQ20071007001
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權日2007年7月13日
發(fā)明者高博青, 馬洪步 申請人:浙江大學