一種邊界不等高橢圓平面復(fù)合式索穹頂結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種索穹頂結(jié)構(gòu)，特別是一種邊界不等高橢圓平面復(fù)合式索穹頂結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]索穹頂結(jié)構(gòu)是在美國工程師Geiger在富勒(R.B.Fuller)提出的張拉整體思想的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)效率極高的大跨度空間結(jié)構(gòu)，之后經(jīng)利維(M.P.Levy)等人進(jìn)一步發(fā)展，一經(jīng)問世便成功地應(yīng)用于一些大跨度、超大跨度的結(jié)構(gòu)工程中。
[0003]常規(guī)的索穹頂結(jié)構(gòu)是一種由脊索、斜索、環(huán)索及撐桿構(gòu)成的柔性空間全張力結(jié)構(gòu)，構(gòu)型簡潔，傳力明確，自重輕，空間跨越能力強(qiáng)。索穹頂結(jié)構(gòu)根據(jù)幾何拓?fù)?，結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同，可分為Geiger體系索穹頂、Levy體系索穹頂、葵花型索穹頂、凱威特體系索穹頂、鳥巢型索穹頂、混合體系索穹頂，其中Geiger體系索穹頂和Levy體系索穹頂在國內(nèi)外大跨度屋蓋中已取得較多較為成功的應(yīng)用，其他形式的索穹頂由于受到設(shè)計(jì)施工難度的限制應(yīng)用還比較少。
[0004]Geiger式索穹頂構(gòu)型簡潔、傳力明確、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、施工方便，但是其為靜定結(jié)構(gòu)，對不規(guī)則邊界和不均勾荷載的適應(yīng)能力較差；Levy式索穹頂在Geiger索穹頂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了拉索的數(shù)量，提高了結(jié)構(gòu)的冗余度，結(jié)構(gòu)受力更加均勻，穩(wěn)定性更強(qiáng)，Levy式索穹頂結(jié)構(gòu)可以適用于不規(guī)則的建筑邊界和外形，也有較好的抵抗不均勻荷載的能力，但是其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，提高了節(jié)點(diǎn)制作的成本，在設(shè)計(jì)中其找形找力方法也較復(fù)雜，對設(shè)計(jì)和施工都提出了較高的要求。
[0005]常規(guī)的索穹頂每圈環(huán)索均為規(guī)則的圓形，然而由于環(huán)索空間位置必須低于與其相連的斜索，這就使室內(nèi)凈空高度大大減小，尤其是對于具有不規(guī)則建筑邊界和外形的場館來說，很大程度上降低了場館上部空間的利用率。
[0006]橢圓平面索穹頂結(jié)構(gòu)的形狀決定了結(jié)構(gòu)短軸方向索力值較大，長軸方向索力值較小，這種長短軸索力值不均勻的特性對外環(huán)梁及內(nèi)環(huán)梁的剛度要求較大，通常會帶來十分不利的影響。
[0007]此外，常規(guī)的索穹頂結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的網(wǎng)格尺寸較大，這就需要屋面系統(tǒng)自身具有良好的跨越性能，因此國內(nèi)外主要采用張拉膜作為索穹頂?shù)奈菝娌牧稀Ｈ欢鴱埨槿嵝圆牧?，具有厚度薄、自重輕、部分透光、負(fù)高斯曲面、柔性大等特性，其保溫性能及抵抗環(huán)境污染的能力均較差，因此單一的屋面材料也是限制索穹頂結(jié)構(gòu)在國內(nèi)發(fā)展的主要因素。
[0008]玻璃面板，彩鋼板等傳統(tǒng)剛性屋面材料，在傳統(tǒng)的鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中已有較為廣泛的應(yīng)用。但剛性屋面的跨越能力小，需要增設(shè)次結(jié)構(gòu)支撐屋面，并將屋面荷載傳至索穹頂主體結(jié)構(gòu)，由于脊索僅有軸向剛度而無抗彎剛度，次結(jié)構(gòu)宜擱置在撐桿的上節(jié)點(diǎn)上而非脊索上，這就要求撐桿上節(jié)點(diǎn)間間距比較小，以減小次結(jié)構(gòu)的跨中撓度。對傳統(tǒng)索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理改進(jìn)，可有效減小撐桿上節(jié)點(diǎn)間距離，滿足剛性屋面材料的鋪設(shè)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種邊界不等高橢圓平面復(fù)合式索穹頂結(jié)構(gòu)，該索穹頂結(jié)構(gòu)能夠適用邊界不等高水平投影為橢圓平面的結(jié)構(gòu)工程，并且結(jié)構(gòu)受力均勻，穩(wěn)定性強(qiáng)；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單，制作成本低，施工方便，室內(nèi)凈空高；能夠滿足剛性屋面材料的鋪設(shè)要求。
[0010]本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種邊界不等高橢圓平面復(fù)合式索穹頂結(jié)構(gòu)，包括施作在下部結(jié)構(gòu)不等高柱頂上的外環(huán)梁，所述外環(huán)梁采用隨下部結(jié)構(gòu)柱頂標(biāo)高變化的空間曲線形式，所述外環(huán)梁的水平投影為橢圓形；在所述外環(huán)梁的中部上方設(shè)有內(nèi)環(huán)梁，所述內(nèi)環(huán)梁設(shè)有從上至下依次設(shè)置的脊索連接環(huán)梁、斜索連接環(huán)梁和平衡索連接環(huán)梁，所述脊索連接環(huán)梁、所述斜索連接環(huán)梁和所述平衡索連接環(huán)梁通過多根豎向設(shè)置的內(nèi)環(huán)梁撐桿連接在一起；在所述外環(huán)梁和所述內(nèi)環(huán)梁之間設(shè)有從內(nèi)至外依次布置的多根內(nèi)圈撐桿、多根中圈撐桿和多根外圈撐桿，所有所述內(nèi)圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)標(biāo)高相同，所有所述中圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)標(biāo)高相同，所有所述外圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)標(biāo)高隨屋面對應(yīng)位置的標(biāo)高變化；所述脊索連接環(huán)梁與每根所述內(nèi)圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)通過一根一環(huán)脊索相連，所述內(nèi)圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)與所述中圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)通過一根二環(huán)脊索相連，所述中圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)與所述外圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)通過一根三環(huán)脊索相連，所述外圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)通過兩根四環(huán)脊索與所述外環(huán)梁相連；所述斜索連接環(huán)梁與每根所述內(nèi)圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)通過一根一環(huán)斜索相連，所述內(nèi)圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)與所述中圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)通過一根二環(huán)斜索相連，所述中圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)與所述外圈撐桿的上節(jié)點(diǎn)通過一根三環(huán)斜索相連，所述外圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)通過兩根四環(huán)斜索與所述外環(huán)梁相連；所述平衡索連接環(huán)梁通過對稱布置在其兩側(cè)的兩組平衡索與所述內(nèi)圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)連接，每組所述平衡索的對稱軸與所述外環(huán)梁的橢圓形水平投影的短軸平行；在所述外環(huán)梁和所述內(nèi)環(huán)梁之間設(shè)有從內(nèi)至外依次增大的內(nèi)圈環(huán)索、中圈環(huán)索和外圈環(huán)索，所述內(nèi)圈環(huán)索、所述中圈環(huán)索和所述外圈環(huán)索從上至下依次設(shè)置，且所述內(nèi)圈環(huán)索與所述平衡索連接環(huán)梁處于同一平面內(nèi)，所述內(nèi)圈環(huán)索是通過所有所述內(nèi)圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)連接而成的，所述中圈環(huán)索是通過所有所述中圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)連接而成的，所述外圈環(huán)索是通過所有所述外圈撐桿的下節(jié)點(diǎn)連接而成的，所述外圈環(huán)索的形狀與屋面的外輪廓形狀一致。
[0011]在所述脊索連接環(huán)梁、所述斜索連接環(huán)梁和所述平衡索連接環(huán)梁內(nèi)均設(shè)有一組居中對稱布置的橫梁，所有所述橫梁的長度方向與所述外環(huán)梁的橢圓形水平投影的短軸平行。
[0012]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0013]I)斜索及脊索的布置方式:最外圈通過levy式的布置方式減小了撐桿上節(jié)點(diǎn)之間的距離，減小了在撐桿上節(jié)點(diǎn)處搭設(shè)次結(jié)構(gòu)的跨度，這種布置方式同時減小了脊索之間的距離，從而減小了在次結(jié)構(gòu)上搭設(shè)檁條的跨度，更方便剛性屋面材料的鋪設(shè)；同時，通過最外圈levy式的布置方式也使外環(huán)梁的受力更加均勻，降低索力不均勻性對外環(huán)梁的不利影響。內(nèi)圈Geiger式的拉索布置形式使結(jié)構(gòu)構(gòu)形更為簡潔，傳力明確，相比常規(guī)的Levy式索穹頂減少了所需拉索的數(shù)量，從而降低了造價及施工難度。
[0014]2)環(huán)索的構(gòu)形:通過對外圈環(huán)索及外圈環(huán)梁的構(gòu)形做出改進(jìn)，使外圈環(huán)索形狀與屋面形狀相契合，增加了室內(nèi)凈空；使傳統(tǒng)的索穹頂結(jié)構(gòu)能夠滿足柱頂標(biāo)高不一致的橢圓形大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的建筑要求。
[0015]3)平衡索的設(shè)置:通過在短軸方向內(nèi)圈撐桿下節(jié)點(diǎn)與平衡索連接環(huán)梁之間增設(shè)平衡索，平衡了由于結(jié)構(gòu)不完全對稱所產(chǎn)生的內(nèi)圈環(huán)索索力不均衡的問題，使結(jié)構(gòu)體系能夠滿足平衡條件，使結(jié)構(gòu)傳力更加均勻，穩(wěn)定性增強(qiáng)。
[0016]4)橫梁的設(shè)置:通過在內(nèi)環(huán)梁的短軸方向設(shè)置橫梁，能夠平衡由結(jié)構(gòu)不完全對稱產(chǎn)生的內(nèi)圈短軸方向較大的徑向索索力，能夠有效避免對內(nèi)環(huán)梁受力和變形帶來的不利影響。
[0017]綜上所述，本發(fā)明為了解決在屋蓋結(jié)構(gòu)邊界為平面橢圓形且支座標(biāo)高不一致的情況下，應(yīng)用常規(guī)Geiger式索穹頂難以得到合適的初始預(yù)應(yīng)力，而應(yīng)用常規(guī)Levy式索穹頂拉索數(shù)量較多，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較復(fù)雜，造價及施工難度均較高的問題，基于常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)，將Geiger式索穹頂與Levy式索穹頂相結(jié)合，并增設(shè)相應(yīng)構(gòu)造措施，使結(jié)構(gòu)既能發(fā)揮Geiger式索穹頂構(gòu)型簡潔、傳力明確、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單、施工方便的優(yōu)勢，又通過結(jié)合levy式的布置及平衡索的設(shè)置改變原有靜定結(jié)構(gòu)的模式，使蓋格式索穹頂能夠適用于邊界為平面橢圓形且支座標(biāo)高不一致的屋蓋結(jié)構(gòu)。同時，這種結(jié)構(gòu)可以通過變換最外圈環(huán)索的形狀使其與屋面坡度相契合，達(dá)到減小場館室內(nèi)凈空的目的。另外，最外圈通過levy式的布置方式減小了撐桿上節(jié)點(diǎn)之間的距離，減小了在撐桿上節(jié)點(diǎn)處搭設(shè)次結(jié)構(gòu)的跨度，這種布置方式同時減小了脊索之間的距離，從而減小了在次結(jié)構(gòu)上搭設(shè)檁條的跨度，更方便剛性屋面材料的鋪設(shè)。通過內(nèi)環(huán)梁中橫梁的引入能夠平衡由內(nèi)圈短軸方向索力較大引起的對內(nèi)環(huán)梁環(huán)梁的不利影響；同時，通過最外圈levy式的布置方式也使外環(huán)梁的