專利名稱：一種竹制空間雙層穹頂結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于土木工程領域，涉及一種適用于大跨度屋蓋結構的新型竹制空間雙層穹頂的結構形式、節(jié)點連接及其安裝方法。
背景技術：
目前，我國建筑業(yè)的主要材料以鋼材和混凝土為主，無論是鋼構件的工廠預制還是混凝土構件的現場澆筑，均屬高耗能、高污染的產業(yè)，不符合國家和社會可持續(xù)發(fā)展的目標。近年來，隨著低碳環(huán)保建筑概念的提出，生態(tài)建筑結構日益受到社會的廣泛關注。木結構雖然符合生態(tài)環(huán)保建筑的要求，但我國森林資源日益匱乏，且林木成材周期長，導致建筑用原木材料來源極為有限，因此難以大力推廣。而同樣作為天然建筑材料，我國的竹材資源卻十分豐富，且竹子繁殖能力強、成材周期短、材質優(yōu)良，可為竹結構的大量建造提供充足的原竹材料來源。因此，開發(fā)和利用竹材資源，將竹材廣泛應用于建筑結構領域是實現建筑環(huán)保、保障經濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。與現有的混凝土結構、砌體結構和鋼結構相比，竹結構具有以下優(yōu)點:(1)原材料來源廣泛，結構造價低廉；(2)由于竹材質量輕、韌性好、強度高，因此竹結構具有非常良好的抗震性能；(3)竹結構設計簡潔美觀、施工方便快捷，有利于縮短工期、降低施工費用，能夠滿足一些特殊場合(如災后救援)快速建造的需要；(4)竹材是綠色材料，生產過程環(huán)保無污染，因此竹結構 也是綠色建筑。上述優(yōu)點使得竹結構的研究和應用在近年來得到了較大的發(fā)展。然而，目前在工程中應用的竹結構主要以跨度較小的單層或多層住宅為主，且多采用對毛竹纖維進行膠水浸泡和高壓成型的竹膠板作為原材料。這類竹膠板雖以毛竹為原材料，但在加工過程中加入了大量含甲醛和苯酚等成分的化學膠，因此生產過程及建成后都易于產生一定程度的環(huán)境污染，降低了竹結構的綠色環(huán)保性能。且竹膠板雖易制作成墻體或樓板等構件應用于房屋住宅結構，但難以在一些特殊形式的空間結構(如穹頂)中使用。而在一些公共建筑中(如影劇院、大型會場、展覽中心等)，大跨度的空間結構形式具有較大的需求。本發(fā)明針對上述問題，提出一種主要利用毛竹筒制成的空間雙層穹頂結構形式、節(jié)點連接技術及其安裝方法。

發(fā)明內容
技術問題:本發(fā)明提供一種可增強整體結構剛度、維護和修復簡便的竹制空間雙層穹頂結構。
技術方案:本發(fā)明的竹制空間雙層穹頂結構，包括上層網狀竹結構、位于上層網狀竹結構下方的下層竹拉桿體系和連接上層網狀竹結構與下層竹拉桿體系的豎向撐桿；上層網狀竹結構包括中心節(jié)點、至少兩圈由環(huán)向桿件首尾連接而成的環(huán)形構件，中心節(jié)點通過徑向桿件與最內層環(huán)形構件的節(jié)點連接，相鄰兩圈環(huán)形構件之間通過徑向桿件連接。下層竹拉桿體系包括至少一個由環(huán)向拉桿首尾連接而成的環(huán)形拉桿體系，環(huán)形拉桿體系對應設置在上層網狀竹結構的環(huán)形構件下方，每個環(huán)形拉桿體系的節(jié)點與所對應環(huán)形構件的節(jié)點通過豎向撐桿連接，每個環(huán)形拉桿體系的節(jié)點與向外一圈的環(huán)形構件的節(jié)點通過徑向拉桿連接。本發(fā)明所有受力桿件均采用毛竹筒制成，分為上下兩層:上層為由多根環(huán)向竹桿和徑向竹桿通過預制節(jié)點連接而成的網狀結構，為穹頂結構的主體受力部分；下層則為竹拉桿體系，通過節(jié)點處的豎向撐桿為上層網狀結構提供支撐。節(jié)點連接件采用預制鋼構件，所有竹桿通過螺栓與節(jié)點鋼構件可靠連接，從而形成穩(wěn)固的空間竹結構受力體系。本發(fā)明中，上層網狀竹結構是空間結構的主要受力部分。在豎向荷載的作用下，徑向桿件承受較大壓力，將大部分荷載傳遞至支座節(jié)點；環(huán)向桿件則對徑向桿件構成了穩(wěn)定的側向支撐，其拉力形成的閉合拉力環(huán)，為上層網狀結構的整體性提供了良好的環(huán)向套箍作用。當承受風吸力荷載時，徑向竹桿受拉，而環(huán)向桿件所受的壓力則形成穩(wěn)定的閉合壓力環(huán)，有利于防止結構被風吸力掀起而導致破壞。本發(fā)明中，在豎向荷載作用下，環(huán)形構件的節(jié)點向下變形，推動環(huán)形拉桿體系的節(jié)點亦隨之變形，從而帶動徑向拉桿和環(huán)向拉桿產生較大拉力。下層拉桿體系的存在豐富了結構的荷載傳遞路徑，除原有在上層網狀結構內部通過徑向桿件和環(huán)向桿件傳遞荷載的方式外，增加了如下途徑:荷載一上層網狀結構一下層內圈拉桿一上層網狀結構一下層外圈拉桿一支座。荷載傳遞途徑的增加，減小了上部網狀結構的受力，提高了整體結構的剛度。豎向撐桿:豎向撐桿通過環(huán)形構件節(jié)點與上層網狀竹結構相連，通過環(huán)形拉桿體系節(jié)點與下層竹拉桿體系相連，是形成空間雙層結構體系的關鍵構件。在豎向荷載下，豎向撐桿承受較大壓力，為上層網狀結構提供彈性支撐，從而增強整體結構的剛度。此外，豎向撐桿在端部通過耳板螺桿與上下節(jié)點連接件的中心環(huán)相連，可通過旋轉螺母調節(jié)豎向撐桿長度，以對整體結構施加適量的預應力，進一步增強結構的整體性和剛度。節(jié)點預制鋼構件:是連接所有受力竹桿的關鍵部件。根據與之相連桿件的種類或數量，可區(qū)分為:中心節(jié)點、靠內環(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點、支座節(jié)點以及環(huán)形拉桿體系節(jié)點。中心節(jié)點預制鋼構件由中心環(huán)與耳板構成，耳板焊接在中心環(huán)上并鉆兩排孔。而所有竹桿在端部連接長度范圍內也在相應位置進行鉆孔，安裝時則通過螺栓可靠連接于節(jié)點耳板上。支座節(jié)點在中心節(jié)點的基礎上在底部焊接了帶孔底板，可通過螺栓連接于底部支撐結構的預埋件上?？績拳h(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點和環(huán)形拉桿體系節(jié)點的中心環(huán)與中心節(jié)點的中心環(huán)類似，但在與豎向撐桿相連的方向預留了孔槽，豎向撐桿的端部耳板通過其螺桿旋進孔槽，并可通過旋轉螺母調節(jié)豎向撐桿的長度以對結構施加預應力。
有益效果:本發(fā)明與現有技術相比，具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明結構主體受力構件均采用未經化學加工的毛竹筒構件，材料來源廣泛，價格低廉，且整體結構中未添加任何化學膠或砂漿、混凝土等對環(huán)境具有污染的材料，因此整體結構在建造過程中和建成后對環(huán)境污染小、能耗低，是符合低碳環(huán)保概念的低成本綠色生態(tài)建筑； 本發(fā)明在多根竹桿匯交的節(jié)點處采用特殊形式的預制鋼構件進行連接，改善了節(jié)點區(qū)受力性能，增強了節(jié)點連接的整體性和可靠性；同時節(jié)點連接預制鋼構件能夠循環(huán)利用，有利于降低結構的建造成本；
本發(fā)明通過下層竹拉桿體系對上層主體竹網結構進行加強，改善了結構受力性能，提高了結構剛度，增強了結構的跨越能力，使得該類型竹結構能被廣泛應用于影劇院、大型會場及展覽中心等大空間建筑中。本發(fā)明的結構中的豎向竹撐桿端部的連接耳板通過螺桿與節(jié)點連接件中心環(huán)的孔槽相連，并可通過旋轉螺母調節(jié)豎向竹撐桿的長度，從而在整體結構正式投入使用前施加一定程度的預應力，充分發(fā)揮竹結構韌性較強的優(yōu)勢，使上層網狀結構與下層竹拉桿體系的連接更為緊密，進一步增強整體結構剛度。本發(fā)明結構桿件眾多，結構安全冗余度大，結構在使用過程中或在地震等災害荷載作用下，個別桿件的開裂、損傷甚至破壞對整體結構的安全性影響較??；同時，由于各桿件均通過螺栓與節(jié)點連接件單獨相連，因此在對結構進行修復時，只需對受損的桿件進行替換，使得整體結構的維護和修復非常簡便。本發(fā)明所采用的竹桿與節(jié)點連接件均可在工廠進行預制加工，到現場后便可直接進行拼裝，現場無需砂漿攪拌、混凝土澆筑或鋼材焊接，因此建造速度快，同時拆除亦較為簡便，可廣泛用于一些大型展覽或災后修復工程中的臨時建筑。


圖1為整體結構的三維 圖2為上層網狀結構俯視 圖3為整體結構正視 圖4為環(huán)形構件11俯視 圖5為竹拉桿體系20俯視 圖6為中心節(jié)點10的三維示意 圖7為靠內環(huán)形構件節(jié)點的三維示意 圖8為靠外環(huán)形構件節(jié)點的三維示意 圖9為支座節(jié)點的三維示意 圖10為環(huán)形拉桿體系節(jié)點的三維示意 圖11為豎向撐桿30及其端部連接的平面示意；
圖12為豎向撐桿30及其端部連接剖面示意 圖13為帶孔槽中心環(huán)44的剖面示意 圖14為帶孔底板49的平面不意圖。
圖15為全部竹桿的鉆孔平面示意圖。圖中有:中心節(jié)點10 ;環(huán)形構件11 ;環(huán)向桿件12 ;徑向桿件13 ;環(huán)形拉桿體系20 ；環(huán)向拉桿21 ;徑向拉桿22 ;豎向撐桿30 ;不帶孔槽的中心環(huán)41 ;耳板42 ;孔槽43 ;帶孔槽的中心環(huán)44 ;豎向撐桿端部耳板45 ;旋轉螺母46 ;竹桿件螺栓孔47 ;螺栓48 ;帶孔底板49。
具體實施例方式下面結合說明書附圖和實施例對本發(fā)明做進一步具體說明。本發(fā)明的竹制空間雙層穹頂結構，包括上層網狀竹結構、位于上層網狀竹結構下方的下層竹拉桿體系和連接上層網狀竹結構與下層竹拉桿體系的豎向撐桿30。上層網狀竹結構包括中心節(jié)點10、至少兩圈由環(huán)向桿件12首尾連接而成的環(huán)形構件11，中心節(jié)點10通過徑向桿件13與最內層環(huán)形構件11的節(jié)點連接.中心節(jié)點10由耳板42焊接于中心環(huán)41而組成，徑向桿件13 —端通過螺栓48與中心節(jié)點10的耳板42連接，徑向桿件13的另一端通過螺栓48連接于最內環(huán)形構件11的節(jié)點的耳板42上，相鄰兩圈環(huán)形構件11之間采用類似的方法通過徑向桿件13連接。下層竹拉桿體系包括至少一個由環(huán)向拉桿21首尾連接而成的環(huán)形拉桿體系20，環(huán)向拉桿21通過螺栓48連接于環(huán)形拉桿體系20的節(jié)點的耳板42上。環(huán)形拉桿體系20對應設置在上層網狀竹結構的環(huán)形構件11下方，每個環(huán)形拉桿體系20的節(jié)點與所對應環(huán)形構件11的節(jié)點通過豎向撐桿30連接，豎向撐桿30兩端分別通過螺栓48連接于上下兩個節(jié)點的豎向撐桿端部耳板45。每個環(huán)形拉桿體系20的節(jié)點與向外一圈的環(huán)形構件11的節(jié)點通過徑向拉桿22連接，徑向拉桿22的兩端分別通過螺栓48連接于兩節(jié)點的耳板42。本發(fā)明的加工制作工序:
(O制作中心節(jié)點10的預制鋼構件:制作中心環(huán)41的實心圓柱體；制作耳板42并在相應位置鉆孔；將耳板42焊接于中心環(huán)41的實心圓柱體上；
(2)制作靠內環(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點和環(huán)形拉桿體系節(jié)點的預制鋼構件:在實心圓柱體上加工孔槽43及其內螺紋，制作帶孔槽的的中心環(huán)44 ;制作耳板42并在相應位置鉆孔；將耳板42焊接于帶孔槽的的中心環(huán)44上；制作豎向撐桿端部耳板45、旋轉螺母46及其螺桿；
(3)制作支座節(jié)點的預制鋼構件:制作中心環(huán)41的實心圓柱體；中心環(huán)41下部焊接鋼底板并鉆孔；制作耳板42并在相應位置鉆孔；將耳板42焊接于中心環(huán)41的實心圓柱體上；
(4)制作竹桿:在毛竹筒桿件的端部連接位置鉆螺栓孔47。本發(fā)明的結構安裝工序:
(O根據結構跨度、荷載等設計條件確定竹桿及節(jié)點連接件尺寸；
(2)在工廠加工制作節(jié)點連接件及各受力竹桿；
(3)搭設最外圍支座節(jié)點的支撐結構，并在支座節(jié)點的相應位置預埋鋼板；
(4)在上層網狀竹結構中心節(jié)點10、靠內環(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點下搭設臨時支架；
(5)安裝支座節(jié)點:將支座節(jié)點預制鋼構件的帶孔底板49通過高強螺栓連接于外圍支撐結構的預埋底板；
(6)安裝支座處環(huán)向桿件12:將加工好的環(huán)向桿件12通過螺栓48連接于支座節(jié)點的耳板42 ；
(7)依次安裝靠內環(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點，并將相連環(huán)向桿件12、徑向桿件13通過螺栓連接于靠內環(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點的耳板42上； (8)安裝中心節(jié)點10，并將相連徑向桿件13全部通過螺栓連接固定于中心節(jié)點10的耳板42上，完成上部網狀結構的安裝；
(9)將豎向撐桿30的兩端通過螺栓48連接于端部耳板45，將旋轉螺母安裝于耳板45的螺桿上，并將頂部的螺桿旋入靠內環(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點的中心環(huán)44的孔槽43中；
(10)豎向撐桿30底部連接于環(huán)形拉桿體系節(jié)點的中心環(huán)44的孔槽43中，并按照自外而內的順序，依次將徑向拉桿22和環(huán)向拉桿21通過螺栓連接于節(jié)點的耳板42上，完成下層竹拉桿體系的安裝；
(11)通過旋轉螺母46調節(jié)豎向撐桿長度，對整體結構施加一定程度的預應力，使上下結構緊密聯系；
(12)拆除靠內環(huán)形構件節(jié)點、靠外環(huán)形構件節(jié)點下的臨時支架，完成整體結構的安裝。
權利要求
1.一種竹制空間雙層穹頂結構，其特征在于，該結構包括上層網狀竹結構、位于所述上層網狀竹結構下方的下層竹拉桿體系和連接所述上層網狀竹結構與下層竹拉桿體系的豎向撐桿(30)； 所述上層網狀竹結構包括中心節(jié)點(10)、至少兩圈由環(huán)向桿件(12)首尾連接而成的環(huán)形構件(11)，所述中心節(jié)點(10 )通過徑向桿件(13 )與最內層環(huán)形構件(11)的節(jié)點連接，相鄰兩圈環(huán)形構件(11)之間通過徑向桿件連接； 所述下層竹拉桿體系包括至少一個由環(huán)向拉桿(21)首尾連接而成的環(huán)形拉桿體系(20),所述環(huán)形拉桿體系(20)對應設置在上層網狀竹結構的環(huán)形構件(11)下方，每個環(huán)形拉桿體系(20)的節(jié)點與所對應環(huán)形構件(11)的節(jié)點通過豎向撐桿連接，每個環(huán)形拉桿體系(20)的節(jié)點與向外一圈的環(huán)形構件(11)的節(jié)點通過徑向拉桿(22)連接。
2.根據權利要求1所述的竹制空間雙層穹頂結構，其特征在于，所述的上層網狀竹結構中每個環(huán)形構件(11)的環(huán)向桿件(12)的數量，與下層竹拉桿體系中每個環(huán)形拉桿體系(20)的環(huán)向拉桿(21)的數量相同，每個所述環(huán)形構件(11)包括至少三根環(huán)向桿件(12)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種竹制空間雙層穹頂結構，包括上層網狀竹結構、位于上層網狀竹結構下方的下層竹拉桿體系和連接上層網狀竹結構與下層竹拉桿體系的豎向撐桿；上層網狀竹結構包括中心節(jié)點、至少兩圈由環(huán)向桿件首尾連接而成的環(huán)形構件，中心節(jié)點通過徑向桿件與最內層環(huán)形構件的節(jié)點連接，相鄰兩圈環(huán)形構件之間通過徑向桿件連接。下層竹拉桿體系包括至少一個由環(huán)向拉桿首尾連接而成的環(huán)形拉桿體系，環(huán)形拉桿體系對應設置在上層網狀竹結構的環(huán)形構件下方，每個環(huán)形拉桿體系的節(jié)點與所對應環(huán)形構件的節(jié)點通過豎向撐桿連接，每個環(huán)形拉桿體系的節(jié)點與向外一圈的環(huán)形構件的節(jié)點通過徑向拉桿連接。本發(fā)明結構可增強整體結構剛度、維護和修復簡便。
文檔編號E04B7/08GK103147532SQ20131009334
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權日2013年3月21日
發(fā)明者周臻, 朱松松, 馬媛媛, 馮玉龍, 董一橋, 文永逸 申請人:東南大學