專利名稱：次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型公開了一種新型的全張力結(jié)構(gòu)一次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由脊索、折線斜索、上環(huán)索、下環(huán)索、環(huán)向中壓桿、徑向中壓桿、角壓桿和次索網(wǎng)構(gòu)成，其上可鋪設(shè)剛性屋面材料，如玻璃面板和彩鋼板。屬土木工程建筑中空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
常規(guī)索穹頂是一種由脊索、斜索、環(huán)索和壓桿構(gòu)成的空間全張力結(jié)構(gòu)，其構(gòu)形簡潔、空間跨越能力強(qiáng)、自重輕、凈空高，現(xiàn)已在國內(nèi)推廣應(yīng)用。由于建筑和結(jié)構(gòu)的要求，索穹頂構(gòu)件之間網(wǎng)格尺寸較大，這就要求屋面系統(tǒng)自身具有很好的跨越性能，因此在國外主要采用張拉膜作為索穹頂?shù)奈菝娌牧?。張拉膜為柔性材料，具有厚度薄、自重輕、部分透光、負(fù)高斯曲面、柔性大等特性， 但保溫性能和抗環(huán)境污染能力較差，價格較貴。因此，采用張拉膜面的索穹頂在國內(nèi)環(huán)境污染地區(qū)難以適用，而且單一的屋面材料也是限制索穹頂在國內(nèi)推廣應(yīng)用的因素之一。玻璃面板、彩鋼板等傳統(tǒng)剛性屋面材料，在國內(nèi)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中已有非常廣泛的應(yīng)用。但剛性屋面的跨越能力小，需要增設(shè)次結(jié)構(gòu)支承屋面，并將屋面荷載傳遞至索穹頂主體結(jié)構(gòu)，這對次結(jié)構(gòu)的跨越能力提出了較高的要求。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型的目的是提供一種次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)， 既保持了全張力結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，也繼承了索穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，整體穩(wěn)定性更好，屋面材料的可選擇范圍更廣，有利于這類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。技術(shù)方案若支承剛性屋面的次結(jié)構(gòu)采用檁條，則形成了一個覆蓋在索穹頂上的單層檁條網(wǎng)殼，相對笨重的檁條網(wǎng)殼既減弱了索穹頂?shù)膬?yōu)點，也不符合全張力結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。索網(wǎng)輕盈，跨越能力較大，相對張拉膜面具有更好的剛度，由于其上覆蓋遠(yuǎn)重于膜面的剛性屋面材料，因此需要較大的索力，而且索網(wǎng)邊緣不僅連接壓桿頂端，還連接在脊索和上環(huán)索的索段上，因此次索網(wǎng)的張力會在脊索和上環(huán)索的索段上產(chǎn)生較大的集中力，這不利于脊索和上環(huán)索的受力。因此，繼承常規(guī)索穹頂?shù)膬?yōu)點，并適應(yīng)剛性屋面，需要一種類似于索穹頂，由次索網(wǎng)支承剛性屋面的新型全張力結(jié)構(gòu)。本實用新型的目的次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)是一種可支承剛性屋面的新型全張力結(jié)構(gòu)， 其上可鋪設(shè)剛性屋面材料，如玻璃面板、彩鋼板。1)次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)的構(gòu)形該結(jié)構(gòu)包括脊索、折線斜索、角壓桿、下環(huán)索、徑向中壓桿、上環(huán)索、環(huán)向中壓桿及由平面正交的徑向次索和環(huán)向次索構(gòu)成的次索網(wǎng)，次索網(wǎng)布置在由脊索和上環(huán)索圍成的主結(jié)構(gòu)上部大網(wǎng)格中，并與脊索和上環(huán)索連系，次索網(wǎng)節(jié)點直接作為剛性屋面的支點。環(huán)向中壓桿布置在上環(huán)索和下環(huán)索之間，為上環(huán)索提供彈性支點，提高上環(huán)索的豎向剛度，減小上環(huán)索的索力。
3[0010]徑向中壓桿布置在脊索和折線斜索之間，為脊索提供彈性支點，提高脊索的豎向剛度。折線斜索為折線形，在與徑向中壓桿的連接處存在折點，各折線段的水平夾角須根據(jù)角壓桿和徑向中壓桿的初始預(yù)壓力及力平衡關(guān)系來確定，從而確定徑向中壓桿的長度。有益效果在常規(guī)索穹頂?shù)幕A(chǔ)上，通過增設(shè)上環(huán)索、徑向中壓桿、環(huán)向中壓桿及次索網(wǎng)，形成可支承剛性屋面的次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)。次索網(wǎng)的網(wǎng)格節(jié)點為剛性屋面材料提供支點，網(wǎng)格尺寸和初始預(yù)應(yīng)力均勻，便于剛性屋面材料的鋪設(shè)；增設(shè)的徑向中壓桿，使局部構(gòu)形類似部分索桁架，大大增強(qiáng)了脊索的豎向剛度，從而為環(huán)向次索提供了有力的支撐， 反之環(huán)向次索維持著徑向壓桿的平面外穩(wěn)定；增設(shè)的上環(huán)索，為徑向次索提供支點，而增設(shè)的環(huán)向中壓桿，則利用具有較大索力的下環(huán)索為上環(huán)索提供彈性支點，從而大大提高上環(huán)索的豎向剛度，減小上環(huán)索的索力，另外，徑向次索維持著環(huán)向中壓桿的平面外穩(wěn)定。次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，既保持了全張力結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，也繼承了索穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，整體穩(wěn)定性更好，屋面材料的可選擇范圍更廣，有利于這類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。

圖1為次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)的三維圖；圖2為主結(jié)構(gòu)的三維圖；圖3為主結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4為次索網(wǎng)的平面圖；圖中有脊索1，斜索2，角壓桿3，下環(huán)索4，徑向中壓桿5，上環(huán)索6，環(huán)向中壓桿7， 徑向次索8，環(huán)向次索9。
具體實施方式
設(shè)計支承剛性屋面的次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，基本步驟如下1)首先選定剛性屋面材料，根據(jù)其跨越能力初步確定平面正交次索網(wǎng)格基本尺寸，即徑向次索和環(huán)向次索的間距。2)根據(jù)剛性屋面材料和次索網(wǎng)的允許變形值，初步確定徑向次索和環(huán)向次索的跨度和初始預(yù)應(yīng)力。3)根據(jù)徑向次索和環(huán)向次索的跨度，初步確定主結(jié)構(gòu)網(wǎng)格基本尺寸，即主結(jié)構(gòu)中脊索和環(huán)索的跨度。4)根據(jù)脊索和環(huán)索的跨度要求及整體屋蓋結(jié)構(gòu)的跨度要求，初步確定主體結(jié)構(gòu)的環(huán)數(shù)和徑向幅數(shù)。5)根據(jù)建筑造型和功能及結(jié)構(gòu)性能要求，確定各環(huán)的脊索坡度和角壓桿的長度。6)根據(jù)以上步驟已確定的幾何位形及屋面材料重量和徑向次索初始預(yù)應(yīng)力，初步確定上環(huán)索初始預(yù)應(yīng)力及環(huán)向中壓桿的位置。7)根據(jù)力平衡關(guān)系，從內(nèi)環(huán)向外環(huán)逐環(huán)遞推計算脊索和角壓桿的初始預(yù)應(yīng)力；根據(jù)脊索初始預(yù)應(yīng)力及屋面材料重量和環(huán)向次索初始預(yù)應(yīng)力，初步確定徑向中壓桿的位置， 并計算其初始預(yù)壓力；根據(jù)角壓桿和徑向中壓桿的初始預(yù)壓力及力平衡關(guān)系，確定斜索各折線段的水平夾角，從而確定徑向中壓桿的長度及斜索和下環(huán)索的初始預(yù)應(yīng)力，至此次索
4網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)的初始位形和初始預(yù)應(yīng)力已初步確定。8)根據(jù)拉索和壓桿的初始預(yù)應(yīng)力，初步選擇構(gòu)件的材質(zhì)和規(guī)格。9)進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的驗算，對次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)的初始位形和初始預(yù)應(yīng)力及構(gòu)件的材質(zhì)和規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。與常規(guī)索穹頂不同，次索網(wǎng)索穹頂?shù)臉?gòu)形具有以下特點(1)斜索為折線形，在脊索和斜索之間增設(shè)了徑向中壓桿，該局部構(gòu)形類似部分索桁架，大大增強(qiáng)了脊索的豎向剛度，從而為環(huán)向次索提供了有力的支撐，反之環(huán)向次索維持著徑向壓桿的平面外穩(wěn)定。(2)折線形斜索的各折線段與水平面的夾角，應(yīng)根據(jù)徑向中壓桿和角壓桿的初始預(yù)壓力及力平衡關(guān)系確定，從而在脊索和角壓桿空間位置已定的條件下確定徑向中壓桿的長度。(3)在下環(huán)索的上方增設(shè)了上環(huán)索，為徑向次索提供支點，并在上、下環(huán)索的中部增設(shè)了環(huán)向中壓桿，這不僅大大提高上環(huán)索的豎向剛度，而且大大減小上環(huán)索的初始預(yù)張力。一般情況下，在同一環(huán)拉索中下環(huán)索的索力最大，遠(yuǎn)高于上環(huán)索。上環(huán)索承受的大部分豎向荷載通過環(huán)向壓桿傳遞至下環(huán)索，并不會引起下環(huán)索的過大變形。因此，增設(shè)環(huán)向中壓桿，實際上是利用具有較大索力的下環(huán)索為上環(huán)索提供彈性支點。另外，徑向次索維持著環(huán)向中壓桿的平面外穩(wěn)定。(4)在主結(jié)構(gòu)的大網(wǎng)格內(nèi)，次索網(wǎng)為平面正交索網(wǎng)，且徑向次索垂直于上環(huán)索，這有利于次索初始預(yù)張力的均勻。(5)次索網(wǎng)格尺寸應(yīng)綜合剛性屋面材料的跨度和重量、次索網(wǎng)的索力及脊索索夾抗滑承載力等因素來確定，且應(yīng)盡量均分脊索和上環(huán)索，這有利于次索網(wǎng)格尺寸的均勻性。(6)徑向中壓桿布置的間距和數(shù)量，應(yīng)根據(jù)脊索的跨度和索力及環(huán)向次索的間距和索力等因素綜合確定。在外環(huán)，脊索索力較大，可加大徑向中壓桿的間距；在內(nèi)環(huán)，則反之。(7)環(huán)向中壓桿布置的間距和數(shù)量，應(yīng)根據(jù)上環(huán)索的跨度和索力及徑向次索的間距和索力等因素綜合確定。設(shè)計時，環(huán)向中壓桿及其與角壓桿的間距可設(shè)為定值，外環(huán)的上環(huán)索跨度較大，可增加徑向中壓桿的數(shù)量；在內(nèi)環(huán)，則反之，甚至不需要徑向中壓桿。2)次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)的初始預(yù)應(yīng)力全張力結(jié)構(gòu)的初始預(yù)應(yīng)力和初始位形是密切相關(guān)的。顯然，次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)是個超靜定結(jié)構(gòu)，存在多個初始預(yù)應(yīng)力態(tài)，因此根據(jù)結(jié)構(gòu)初始位形和力學(xué)特性，應(yīng)遵循以下關(guān)鍵原則來確定合理的初始預(yù)應(yīng)力。(1)初始位形中上環(huán)索為直線索，兩側(cè)與之相連的徑向次索的初始預(yù)應(yīng)力水平分力應(yīng)相等。(2)初始位形中脊索為直線索，兩側(cè)與之相連的環(huán)向次索的初始預(yù)應(yīng)力法向水平分力應(yīng)相等。(3)初始位形中次索網(wǎng)為平面正交索網(wǎng)，一條直線上的徑向次索或者環(huán)向次索的各索段的初始預(yù)應(yīng)力應(yīng)相等。(4)環(huán)向次索的初始預(yù)應(yīng)力應(yīng)考慮脊索索夾的抗滑承載力，應(yīng)避免環(huán)向次索的初始預(yù)應(yīng)力過大，導(dǎo)致脊索索夾滑動。因此，徑向次索的初始預(yù)應(yīng)力宜取較大值，而環(huán)向次索的初始預(yù)應(yīng)力宜取較小值，而且施工中徑向次索更加便于張拉。(5)對于脊索上無徑向中壓桿的內(nèi)節(jié)點及下環(huán)索上有環(huán)向中壓桿的節(jié)點，可不考
5慮其豎軸的初始預(yù)應(yīng)力平衡條件，其它均應(yīng)滿足初始預(yù)應(yīng)力平衡條件。
權(quán)利要求1.一種次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于該結(jié)構(gòu)包括脊索(1)、折線斜索(2)、角壓桿 (3)、下環(huán)索(4)、徑向中壓桿(5)、上環(huán)索(6)、環(huán)向中壓桿(7)及由平面正交的徑向次索(8) 和環(huán)向次索(9)構(gòu)成的次索網(wǎng)，次索網(wǎng)布置在由脊索(1)和上環(huán)索(6)圍成的主結(jié)構(gòu)上部大網(wǎng)格中，并與脊索(1)和上環(huán)索(6)連系，次索網(wǎng)節(jié)點直接作為剛性屋面的支點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于環(huán)向中壓桿(7)布置在上環(huán)索(6)和下環(huán)索(4)之間，為上環(huán)索(6)提供彈性支點，提高上環(huán)索(6)的豎向剛度，減小上環(huán)索的索力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于徑向中壓桿(5)布置在脊索 (1)和折線斜索(2 )之間，為脊索(1)提供彈性支點，提高脊索(1)的豎向剛度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于折線斜索(2)為折線形，在與徑向中壓桿(5)的連接處存在折點，各折線段的水平夾角須根據(jù)角壓桿(3)和徑向中壓桿 (5)的初始預(yù)壓力及力平衡關(guān)系來確定，從而確定徑向中壓桿(5)的長度。
專利摘要次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，公開了一種由脊索、折線斜索、上環(huán)索、下環(huán)索、環(huán)向中壓桿、徑向中壓桿、角壓桿及次索網(wǎng)構(gòu)成的，可支承剛性屋面的，類似索穹頂?shù)男滦腿珡埩Y(jié)構(gòu)，屬于土木工程建筑中空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。其次索網(wǎng)由徑向次索和環(huán)向次索平面正交構(gòu)成，將由脊索和上環(huán)索圍成的主結(jié)構(gòu)上部大網(wǎng)格劃分為小網(wǎng)格，而次索網(wǎng)節(jié)點直接作為剛性屋面的支點。次索網(wǎng)支承在周邊的脊索和上環(huán)索上，通過環(huán)向中壓桿和徑向中壓桿加強(qiáng)了脊索和上環(huán)索的支承剛度。次索網(wǎng)索穹頂結(jié)構(gòu)，既保持了全張力結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，也繼承了索穹頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，整體穩(wěn)定性更好，屋面材料的可選擇范圍更廣，有利于這類結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。
文檔編號E04B1/32GK202073178SQ20112013608
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者羅斌, 郭正興 申請人:東南大學(xué)