一种系留空间结构体系及其设计方法技术

一种系留空间结构体系及其设计方法，其中系留空间结构体系包括有形成屋盖的充气气囊、用于支撑充气气囊的支撑结构以及连接在支撑结构底部与地面之间的锚碇结构；所述充气气囊空腔内充有氦气，整体呈曲面形状，由充气气囊单元依次拼接而成；所述充气气囊单元为双层膜结构，包括外膜持力层和内膜阻气层；相邻两个充气气囊单元之间通过外膜连接；所述充气气囊单元的外部设有环形加劲带和用于吊装的吊挂带；所述支撑结构包括有沿充气气囊边缘平行间隔布置的竖向支撑和连接在相邻竖向支撑顶部之间的连系梁；所述充气气囊连接在支撑结构的顶部；所述锚碇结构为重力式锚碇。本发明专利技术受力合理，能够满足超大跨度结构和超大密闭空间结构应用的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种系留空间结构体系及其设计方法
本专利技术属于预应力空间结构
，特别涉及到一种系留空间结构体系及其设计方法。
技术介绍
传统空间结构体系通常利用刚性材料抵抗结构的自重和外荷载，结构重量巨大且耗费钢材，成本高昂。因而在某些大跨度工程领域，人们设法寻求造价更低，施工更快捷的结构方案，充气膜结构便是其中一种解决方案。近几十年来充气膜结构已广泛应用于建造大跨度，施工轻便的体育建筑、仓储建筑、临时建筑等，这种充气膜是向封闭空间内注入一定压力的空气使之形成稳定的结构，主要依靠气压产生结构刚度，抵抗各种外部荷载，但其抵抗外部荷载的能力有限。系留结构的概念来源于航空领域。系留气球为一种轻于空气的航空器，主要用于大气探测，必须使用缆绳与地面设施相连，使其依靠浮力悬停在空中。受到系留航空器的启发，国内外已有人将充满氦气的气球结构，用于一些建筑结构中。例如法国人OlivierGrossetete设计了一座名为“猴桥”的吊桥，该桥由三个巨大的白色氦气球吊起，每个气球可提供120磅的升力，桥面类似吊索桥，由若干木板连成。又例如1993年在斯图加特举办的国际园艺博览会上，设计师采用另一个外径30m的半透明氦气环和一个24个圆锥状氦气囊共同组成了太阳能飞艇的机库屋盖。在此基础上，本专利技术提出将系留结构概念应用于大跨度空间结构领域，形成一种全新的空间结构形式——系留空间结构体系，即在封闭气囊内部充满密度低于空气的轻型气体，依靠轻型气体产生的浮力抵消结构自重，使主体结构在零弯矩或轻微反向弯矩下工作，从而实现超大跨度结构和超大密闭空间结构的建设。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种系留空间结构体系及其设计方法，要解决传统的系留空间结构受力不合理，不能够满足超大跨度结构和超大密闭空间结构应用的技术问题。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案。这种系留空间结构体系，包括有形成屋盖的充气气囊、用于支撑充气气囊的支撑结构以及连接在支撑结构底部与地面之间的锚碇结构；所述充气气囊空腔内充有氦气，整体呈曲面形状，并且由充气气囊单元依次拼接而成；所述充气气囊单元为双层膜结构，包括外膜持力层和内膜阻气层；相邻两个充气气囊单元之间通过外膜连接；所述充气气囊单元的外部设有环形加劲带和用于吊装的吊挂带；所述支撑结构包括有沿充气气囊边缘平行间隔布置的竖向支撑和连接在相邻竖向支撑顶部之间的连系梁；所述充气气囊连接在支撑结构的顶部；所述锚碇结构为重力式锚碇。优选的，所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形或者呈圆形或者呈椭圆形；所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形时，充气气囊由圆柱形的充气气囊单元拼接而成；所述系留空间结构体系的平面布置呈圆形或者椭圆形时，充气气囊由球形的充气气囊单元拼接而成。优选的，所述充气气囊单元的外膜之间通过粘接在外膜上的第一连接膜热合连接或者通过粘接连接或者通过缝纫连接。优选的，所述环形加劲带包括沿着竖切面的外边缘、环箍在充气气囊单元外侧的竖向环形加劲带，沿着水平切面外边缘、环箍在充气气囊单元外侧中部的水平环形加劲带以及沿着纵切面的外边缘、环箍在充气气囊单元外侧中部的纵向环形加劲带；所述吊挂带连接在环形加劲带的下方。优选的，当充气气囊单元为圆柱形时，充气气囊单元的外部的纵向环形加劲带有一组，沿纵向平行间隔环箍在充气气囊单元外侧。优选的，当充气气囊位于支撑结构顶部上方时；充气气囊与支撑结构之间通过位于竖向支撑上方的吊挂带连接，吊挂带的一端连接在环形加劲带底端，另一端连接在竖向支撑的顶部；当充气气囊位于支撑结构的顶部之间时；充气气囊与支撑结构之间通过第二连接膜、竖向连接杆件以及连接在第二连接膜与竖向连接杆件之间的绑带连接；所述第二连接膜连接在充气气囊端部外膜上、靠近竖向支撑一侧，第二连接膜上竖向间隔开有孔洞；所述竖向连接杆件连接在竖向支撑上、位于充气气囊的一侧。优选的，所述竖向支撑外侧设有斜拉索，斜拉索的一端连接在竖向支撑的上部，斜拉索的另一端通过锚固件与地面连接；在相邻两根竖向支撑支撑之间还设有剪刀撑。一种系留空间结构体系的设计方法，包括步骤如下。步骤一：根据建筑图纸或业主要求确定系留空间结构体系的尺寸和结构体系的平面布置形式。步骤二：初步确定气囊外膜、内膜的膜材型号和充气气囊内的气体内压。步骤三：根据步骤一确定的系留空间结构体系的尺寸、平面布置形式和步骤二确定的膜材型号对应的材料参数建立系留空间结构体系的结构有限元分析模型；在建立结构有限元分析模型时，将氦气及包裹氦气的内膜视为均质弹性实体单元,根据内膜的变形性能调整内膜的弹性模量取值，其中变形性能与气体内压及内膜厚度有关；将外膜视为薄膜单元，内部均质弹性实体单元与外膜单元之间建立接触关系，再根据氦气密度对模型施加浮力。步骤四：采用有限元软件进行充气气囊的受力计算分析；包括充气气囊曲面形状的确定，使用期间考虑风荷载或者雪荷载作用下充气气囊外膜的应力分析，验算充气气囊外膜在使用期间所能产生的最大应力以及在分析过程中施加的氦气产生的浮力。步骤五：根据步骤四中的计算结果，验算内膜的变形性能是否满足使用要求；根据外膜的应力计算结果，验算外膜的材料强度的安全系数是否满足使用要求。步骤六：当内膜的变形性能满足使用要求以及外膜的材料强度的安全系数满足使用要求时，分析支撑结构所受反力情况，根据反力确定锚碇结构的重量和尺寸。步骤七：补充验算充气成型过程中，系留空间结构体系产生的临时性不利状况，合理的设置环形加劲带。步骤八：进行充气气囊单元的外膜与内膜的加工图设计、充气气囊单元与充气气囊单元的连接节点设计、支撑结构设计、支撑结构与充气气囊的连接节点设计、锚碇结构设计、锚碇结构与支撑结构的连接节点设计，并绘制整个系留空间结构体系的结构设计图纸。步骤九：根据设计图纸进行充气气囊、下部支撑结构及锚碇结构的加工制作。优选的，所述步骤一中，根据建筑图纸或业主要求确定系留空间结构体系的尺寸和结构体系的平面布置形式；结构体系的平面布置形式包括圆柱形充气气囊单元的排列布置形式或者球形充气气囊单元的排列布置形式；系留空间结构体系的尺寸包括结构体系跨度、矢高以及充气气囊单元的尺寸；所述步骤二中，充气气囊外膜、内膜的膜材型号的确定以及充气气囊内的气体内压的确定均是根据充气气囊在充氦气后，充气气囊所受的浮力大于自重，充气气囊实现零弯矩或反向弯矩。优选的，所述步骤五中，当内膜的变形性能以及外膜的材料强度的安全系数中有一项不满足使用要求时，重复步骤二至步骤五的过程，直至内膜的变形性能以及外膜的材料强度的安全系数均满足使用要求，再进行步骤六。与现有技术相比本专利技术具有以下特点和有益效果。1、本专利技术中的结构体系为一种新型建筑结构体系，这种结构体系设计以填充氦气的气囊作为屋面围护材料，通过囊内气体提供的浮力抵抗屋面材料自重，同时通过控制气囊内部气压，使其具备一定的刚度，从而抵抗外部风雨荷载。2、本专利技术设计的结构体系中充气气囊单元由双层膜结构组成，其中内膜为阻气层，防止了气体的泄漏和渗透，外膜为持力层，承担由气囊内部的压力及外力所产生的气囊壁内拉应力；这种设计既满足了结构的气密性要求，又满足了结构的受力性能要求。3、本专利技术设计的结构体系中气囊薄膜材料强度高，质量轻，且利用氦气作为充气气体，具有良好的自洁性和耐候性，容易加工成各种曲面形状本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系留空间结构体系，其特征在于：包括有形成屋盖的充气气囊、用于支撑充气气囊的支撑结构以及连接在支撑结构底部与地面之间的锚碇结构（3）；所述充气气囊空腔内充有氦气，整体呈曲面形状，并且由充气气囊单元（1）依次拼接而成；所述充气气囊单元（1）为双层膜结构，包括外膜持力层和内膜阻气层；相邻两个充气气囊单元（1）之间通过外膜连接；所述充气气囊单元（1）的外部设有环形加劲带（9）和用于吊装的吊挂带（8）；所述支撑结构包括有沿充气气囊边缘平行间隔布置的竖向支撑（2）和连接在相邻竖向支撑（2）顶部之间的连系梁（4）；所述充气气囊连接在支撑结构的顶部；所述锚碇结构（3）为重力式锚碇。

【技术特征摘要】
1.一种系留空间结构体系，其特征在于：包括有形成屋盖的充气气囊、用于支撑充气气囊的支撑结构以及连接在支撑结构底部与地面之间的锚碇结构（3）；所述充气气囊空腔内充有氦气，整体呈曲面形状，并且由充气气囊单元（1）依次拼接而成；所述充气气囊单元（1）为双层膜结构，包括外膜持力层和内膜阻气层；相邻两个充气气囊单元（1）之间通过外膜连接；所述充气气囊单元（1）的外部设有环形加劲带（9）和用于吊装的吊挂带（8）；所述支撑结构包括有沿充气气囊边缘平行间隔布置的竖向支撑（2）和连接在相邻竖向支撑（2）顶部之间的连系梁（4）；所述充气气囊连接在支撑结构的顶部；所述锚碇结构（3）为重力式锚碇。2.根据权利要求1所述的一种系留空间结构体系，其特征在于：所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形或者呈圆形或者呈椭圆形；所述系留空间结构体系的平面布置呈矩形时，充气气囊由圆柱形的充气气囊单元（1）拼接而成；所述系留空间结构体系的平面布置呈圆形或者椭圆形时，充气气囊由球形的充气气囊单元（1）拼接而成。3.根据权利要求2所述的一种系留空间结构体系，其特征在于：所述充气气囊单元（1）的外膜之间通过粘接在外膜上的第一连接膜（10）热合连接或者通过粘接连接或者通过缝纫连接。4.根据权利要求3所述的一种系留空间结构体系，其特征在于：所述环形加劲带（9）包括沿着竖切面的外边缘、环箍在充气气囊单元（1）外侧的竖向环形加劲带（91），沿着水平切面外边缘、环箍在充气气囊单元（1）外侧中部的水平环形加劲带（92）以及沿着纵切面的外边缘、环箍在充气气囊单元（1）外侧中部的纵向环形加劲带（93）；所述吊挂带（8）连接在环形加劲带（9）的下方。5.根据权利要求4所述的一种系留空间结构体系，其特征在于：当充气气囊单元（1）为圆柱形时，充气气囊单元（1）的外部的纵向环形加劲带（91）有一组，沿纵向平行间隔环箍在充气气囊单元（1）外侧。6.根据权利要求5所述的一种系留空间结构体系，其特征在于：当充气气囊位于支撑结构顶部上方时；充气气囊与支撑结构之间通过位于竖向支撑（2）上方的吊挂带（8）连接，吊挂带（8）的一端连接在环形加劲带（9）底端，另一端连接在竖向支撑（2）的顶部；当充气气囊位于支撑结构的顶部之间时；充气气囊与支撑结构之间通过第二连接膜（13）、竖向连接杆件（11）以及连接在第二连接膜（13）与竖向连接杆件（11）之间的绑带（12）连接；所述第二连接膜（13）连接在充气气囊端部外膜上、靠近竖向支撑（2）一侧，第二连接膜（13）上竖向间隔开有孔洞；所述竖向连接杆件（11）连接在竖向支撑（2）上、位于充气气囊的一侧。7.根据权利要求6所述的一种系留空间结构体系，其特征在于：所述竖向支撑（2）外侧设有斜拉索（5），斜拉索（5）的一端连接在竖向支撑（2）的上部，斜拉索（5）的另一端通过锚固件（6...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁英战，卢立飞，秦杰，周黎光，司波，尤德清，段学科，王泽强，徐瑞龙，王丰，陈新礼，马锦姝，吴源华，尧金金，段有恒，张东，
申请(专利权)人：北京市建筑工程研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11