双层索－杆屋盖体系制造技术

本实用新型专利技术提供一种双层索－杆屋盖体系，它包括：内边缘结构／中心结构、外边缘结构，及介于其间的中间结构。该屋盖体系由拉索、压杆及节点组成。拉索在体系中连续布置，受拉连续；压杆在体系中不连续布置，受压不连续。该屋盖体系自成一体，是一种自应力状态下的稳定自平衡体系。体系布置形式灵活多样，可整体闭合，可在中部大开孔，也可由单榀组成多榀屋盖体系；其平面投影可为椭圆形、圆形及其它非圆形平面，也可为四边形及其它多边形平面，适用于各种大跨度空间结构建筑。该体系可全部采用钢材制作，体系受力合理，用材节省，自重轻，构件制作方便，整个体系的施工安装不需强大的外部边界及下部支承，具有很好的经济实用性与新颖独特的视觉效果。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种屋盖体系，更具体地说是一种具有新颖的拉索、压杆布置形 式的双层索-杆屋盖体系，该屋盖体系是一种自应力状态下的稳定自平衡体系，适用于会 展场馆、体育场馆、影剧院、机场候机楼、火车站站屋等大跨度空间结构建筑。
技术介绍
近几十年来，多种类型的大跨度屋盖体系被广泛采用，如由刚性构件组成的网壳 结构。为获得必要的刚度和良好的工作性能，网壳结构的高跨比通常较大，而且随着跨度的 增加，结构自重及用钢量也过大。新材料和新技术的应用使屋盖结构逐步向轻型化发展，如索网结构、张拉膜结构 等预应力柔性结构的应用。预应力体系的特点是，在没有施加预应力之前体系没有刚度，其 形状是不确定的。这里柔性指体系内部节点上只有索、膜等柔性受拉构件，无刚性受压构 件。这种结构的优点是跨度大，造型优美。就结构受力而言，体系内部是连续受拉，因此内 部结构必须依赖于外部支承体系来平衡体系的内拉力。只有将内部体系的边界节点锚固在 外部边界及下部支承体系上，并在它们的强大支承作用下，通过施加预应力，体系才能成为 承受外部荷载的结构。外部边界及下部支承只有设计的非常坚固，才能平衡体系的内拉力， 内部结构与外部支承缺一不可，并共同组成一个平衡的力系，二者的相互作用与依赖，使整 个预应力结构的施工变得复杂且造价昂贵。柔性结构的另一个缺点是在荷载作用下结构的 变形过大。为了使结构的受力更加合理，学者们提出了一种自应力的结构形式-张拉整体结 构。张拉整体结构是由拉索与压杆组成的自应力状态下的稳定自平衡体系，其中受拉连续， 受压不连续。这里稳定和自平衡，表明了体系的初始力学状态，在这一状态下没有任何外部 荷载作用(暂不考虑自重)。稳定是指体系在受到外界干扰后，能重新恢复到其平衡位置， 体系的稳定与结构中各单元的合理拓扑关系密切相关。体系的自平衡是在自应力状态下的 平衡。这里自应力状态是指杆和索以特定的拓扑关系相互连接，在连接过程中由于单元 间的相互作用以及节点与单元的相互作用，产生了索的受拉与杆的受压，而且拉、压自相平 衡。这种内力是在体系自身的连接过程中建立的，并且能够自平衡，它的产生与外界作用无 关，不需要依靠外部边界支承体系来实现内外力的平衡，所以这种内力为自应力。这也表明 张拉整体体系自成一体，与预应力体系有着本质的区别。张拉整体结构与传统结构(如网 架、网壳结构等)在构件布置和传力方式方面也有本质的区别。就构件布置而言，它是由柔 性拉索与刚性压杆组成的一种刚柔相济的自应力体系；就传力方式而言，它是受拉连续、受 压不连续。这种力学机理是工程领域所追求的非常合理的受力形式。但是，到目前为止，除 了一些带有艺术特征的张拉整体雕塑外，张拉整体结构尚无法被应用于建筑领域大跨度屋盖体系的实际工程。Geiger在其美国专利第4，736，553号中首次提出了一种圆形平面索桁架穹顶结 构，这种索穹顶结构是受张拉整体原理启发而产生的一种新型空间结构形式。该结构是由 一系列脊索、斜索、垂直压杆组成的类似平面桁架的片状结构，脊索与斜索以辐射状分别连 接于中央拉力环、垂直压杆及外部压力环，在各圈垂直压杆的底部由数道环索相互连接，在 结构的上方覆盖薄膜。这种结构与索网结构、膜结构等预应力柔性结构的区别是，在结构内 部节点上除了有柔性受拉构件(如钢索)之外，还有刚性受压构件(如钢杆)，刚性构件与 柔性构件的结合增加了结构的刚度，克服了柔性结构在荷载作用下变形过大的缺点。与传 统结构(如网壳结构)相比，索穹顶结构中的压杆是不连续布置的，改变了传统结构内部受 压连续的传力方式，并充分利用高强索的抗拉强度，用钢量和自重显著减少。但是这种结构 由于没有采用三角划分，使得呈辐射状的穹顶上部缺乏侧向刚度。此外，该结构呈辐射状杆 件布置，使得结构仅适用于圆形平面。Levy在其美国专利第5，259，158号、美国专利第5，355，641号以及美国专利第 5，440，840号中，以Geiger设计的索穹顶为基础，对Geiger体系的索穹顶进行了三角划分， 使结构在几何上更容易满足椭圆形平面。经过三角划分的Levy体系，对于椭圆形平面结构 在长轴方向还设置了中心桁架。该结构同样可设计成中心大开孔的索穹顶结构及可开合的 索穹顶结构。与Geiger体系相比，Levy体系增强了整体结构的刚度和稳定性。Geiger体系与 Levy体系均被应用于奥运会场馆等大跨度空间结构的建筑。这两种体系的优点是改进了传 统结构的传力方式，跨度大，用钢量少，造型新颖。两种体系的传力方式基本相同，都由内向 外通过内拉力环(或中心桁架)、垂直压杆及拉索(包括脊索、环索、斜索)传递到外圈的脊 索、斜索上，最终通过这些脊索、斜索传递到外受压环上，该受压环承受来自体系内部各个 方向索的拉力，并平衡这些内拉力。该体系预应力的建立，依赖于将外圈的脊索、斜索锚固 于外受压环上。该受压环作为整个内部结构的外部支承，与内部构件相比其尺寸巨大，通常 由钢筋混凝土或预应力混凝土制成，而且它已经成为整个建筑物的一部分，很难将其视为 一个独立的实体，因此也很难把索穹顶结构视为一个独立的结构。由于Geiger体系与Levy 体系均须依赖于强大的周边及下部支承体系来平衡其内力流，它们仍属于预应力结构，不 可避免地存在预应力结构的缺点。不仅如此，整个结构的节点制作、施工安装也很复杂，使 得造价升高。鉴于刚性网壳结构、预应力柔性结构及索穹顶结构的不足，有必要开发出新型的 大跨度轻型空间结构体系，做到既能够易于安装实现，又在经济上具有可观的实用价值，同 时还具有新颖独特的视觉效果。
技术实现思路
本技术将张拉整体原理应用于大跨度屋盖结构，目的在于提供一种受力合 理、无需强大周边及下部支承的双层索-杆屋盖结构。该结构克服了上述现有结构的不足， 改进了现有结构的传力方式，同时具备自应力状态下稳定的自平衡、自重轻、自成一体及刚 柔相济等张拉整体结构的优点，适用于会展场馆、体育场馆、影剧院、机场候机楼、火车站站 屋等大跨度空间结构建筑。更具体地说，本技术的双层索-杆屋盖体系包括内边缘结构、外边缘结构及介于其间的中间结构。中间结构是多个按一定规律布置的拉索-压杆单 元结构组成的索-杆结构，其中拉索连续布置，压杆不连续布置，每个节点上的压杆仅有一 根或两根，其余均为拉索。为便于说明，本技术将中间结构中每个节点上的压杆为一根 的体系称为第一体系，将中间结构中每个节点上的压杆为两根的体系称为第二体系。第一 与第二体系虽然在中间结构各节点上的压杆数目不同，但二者的受力机理在本质上具有共 同点，即受拉连续、受压不连续。 根据本技术的第一、第二体系形式，提供一种双层索-杆屋盖体系，该体系 包含内边缘结构、外边缘结构及介于其间的中间结构。该双层索-杆屋盖体系包含基本 索-杆单元，该基本索-杆单元包含有(i)多个斜杆，沿一斜杆分布方向分布且以一定间 距彼此分离，包含有第一斜杆，其内端点位于上层，确定一上层内节点，其外端点位于下 层，确定一下层外节点；第二斜杆，其内端点位于下层，确定一下层内节点，其外端点位于上 层，确定一上层外节点；各第一斜杆分别沿与斜杆分布方向相交的一第一斜杆方向设置且 在该方向上仅包含一根第一斜杆；各第二斜杆分别沿与斜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双层索－杆屋盖体系，该体系包含内边缘结构、外边缘结构及介于其间的中间结构，其中：所述双层索－杆屋盖体系包含基本索－杆单元，所述基本索－杆单元包含有：（ｉ）多个斜杆，沿一斜杆分布方向分布且以一定间距彼此分离，包含有：第一斜杆（ｓ１），其内端点位于上层，确定一上层内节点，其外端点位于下层，确定一下层外节点；第二斜杆（ｓ２），其内端点位于下层，确定一下层内节点，其外端点位于上层，确定一上层外节点；各第一斜杆分别沿与斜杆分布方向相交的一第一斜杆方向设置且在该方向上仅包含一根第一斜杆；各第二斜杆分别沿与斜杆分布方向相交的一第二斜杆方向设置且在该方向上仅包含一根第二斜杆；各第一、第二斜杆方向在所述内、外边缘结构之间互不相交；各第一、第二斜杆沿斜杆分布方向交替设置，以使第一、第二斜杆彼此相邻；以及（ｉｉ）多根上、下层索，分别连接相邻的第一、第二斜杆，包含有：第一上层索（ｃ１），连接第一斜杆的上层内节点及相邻的第二斜杆的上层外节点；第一下层索（ｃ２），连接第一斜杆的下层外节点及相邻的第二斜杆的下层内节点；其中，（Ａ）所述中间结构包含多个从外边缘结构向内边缘结，各外边缘拉压边都包含首尾连接的多根压杆和拉索，包含有：外边缘上层压力边（ｓ７ｄ）或拉力边或拉压边，依次连接相邻的外边缘第二成对斜杆及外边缘第二斜杆的上层外节点；外边缘下层压力边（ｓ８ｄ）或拉力边或拉压边，依次连接相邻的外边缘第一成对斜杆及外边缘第一斜杆的下层外节点。构相继地内外相邻布置的所述基本索－杆单元，用作中间结构单元，其包含的第一、第二斜杆及第一上、下层索分别用作中间第一、第二斜杆及中间第一上、下层索，其斜杆分布方向为中间结构的延伸方向；各外侧中间结构单元中的外侧中间第一、第二斜杆与相邻的内侧中间结构单元中的内侧中间第一、第二斜杆之间包含如下组合及连接方式：（ｉ）各外侧中间第一斜杆都与相应内侧中间第一斜杆沿同一中间第一斜杆方向设置并内外相邻且互不相交，各外侧中间第二斜杆都与相应内侧中间第二斜杆沿同一中间第二斜杆方向设置并内外相邻且互不相交；（ｉｉ）还包含多根中间索，分别连接相邻的内、外侧中间第一、第二斜杆，包含有：中间第一层间索（ｃ３ａ），连接外侧中间第一斜杆的上层内节点和相邻的内侧中间第一斜杆的下层外节点；中间第二层间索（ｃ４ａ），连接外侧中间第二斜杆的下层内节点和相邻的内侧中间第二斜杆的上层外节点；中间第二上层索（ｃ５ａ），连接外侧中间第二斜杆的上层外节点和...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张莉，
申请(专利权)人：薛贵宝，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]