[发明专利]矩形平面网壳结构和矩形平面弦支穹顶

说明书

技术领域

本发明涉及一种大跨度建筑的屋顶盖结构，特别是一种网壳结构和在网壳结构的基础上引入拉索和撑杆两种构件并按照特定方式组合而成的杂交空间结构——弦支穹顶。

背景技术

随着大跨度建筑的逐渐增多和其跨度及规模的逐渐增大，大跨度建筑的屋盖也涌现出了许多种新的空间结构形式，其中，单层网壳结构由于结构美观、施工简单和受力合理等优点而得以推广。目前已经提出的单层网壳的结构形式有单层球面网壳、单层柱面网壳、单层椭球面网壳、单层旋转抛物面网壳、单层旋转双曲面网壳、单层圆锥面网壳、单层椭圆抛物面网壳、单层双曲抛物面网壳、单层扭曲面网壳、单层四角锥网壳等十种，在具体应用时，可以根据建筑功能的布置选用适宜的空间结构形式；尽管如此，在设计大跨度建筑时，设计者仍然感觉到现有的屋盖结构形式的选择余地有限，无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型新颖、多样化的需求。

另外，上述单层网壳结构也有它的不足之处，如存在对初始几何缺陷敏感、整体刚度差等缺点，因此这种空间结构仅适宜在中小跨度的建筑中应用。为了提高单层网壳跨越大跨度的能力，使其在大跨度建筑中能得到应用，对其进行了改进，即用张拉整体的概念来加强单层网壳结构，从而形成了一种新的空间结构形式——弦支穹顶，这是近年来被提出并得到应用的一种优秀的空间结构。

然而，截至目前，所提出的弦支穹顶都是以单层球面网壳为基础，即在网壳的下面增设撑杆和拉索，然后对拉索施加预应力，使单层球面网壳、撑杆和拉索合而为一，形成一个整体受力结构，从而提高单层球面网壳的稳定性和结构刚度，增大单层球面网壳的建造跨度，这与张弦梁的工作原理相似，可以看作是由张弦梁结构发展而来的，是张弦梁结构在三维空间内的拓展。张弦梁结构的工作原理是将简支梁的弯矩转化为拉索和撑杆的轴向力，从而改善结构的受力性能，提高结构的刚度和跨度，当把拉索和撑杆布置在简支梁的弯矩图内，即张弦梁的下弦索与简支梁弯矩图相似时，把弯矩转化为拉索和撑杆的轴向力，梁的弯矩变小，结构以承受轴向力为主，图5所示为简支梁在均布荷载下的弯矩图，图6所示为张弦梁结构中索的布置图示意图。

在实践中，单层球面网壳弦支穹顶被广泛地应用于圆形或椭圆形平面的建筑中，对于矩形平面的大跨度建筑却不适用，因此，目前仅有的球面网壳形式的弦支穹顶结构同样无法满足日益发展的对建筑功能和建筑造型新颖、多样化的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种矩形平面网壳结构。

本发明的另一目的是提供一种矩形平面弦支穹顶结构。

为实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：矩形平面网壳结构，包括一组中心在一条垂线上的、并且依次高低错落布设的、且其对角线依次增大的相似矩形环梁，每一矩形环梁由环向杆依次首尾连接而成，相邻两个矩形环梁的同相位的顶点之间连接有顶点连杆，相邻矩形环梁的梁边之间设有边间连杆，边间连杆的两端分别刚结连接于该相邻梁边中环向杆的节点上；位于网壳中心的矩形环梁对角跨设有两根中心连杆，两根中心连杆在交汇处形成中心节点。

上述矩形平面网壳结构中，由中心连杆和中央矩形环梁的环向杆、由顶点连杆、边间连杆和其他矩形环梁的环向杆共同组合构成三角形网格，该网格的外表面由顶点连杆和中心连杆划分成的四个区域均为弧面。

为实现第二个目的，本发明采用如下技术方案：矩形平面弦支穹顶，包括矩形平面网壳结构和张拉支撑结构，矩形平面网壳结构包括一组中心在一条垂线上的、并且依次高低错落布设的、且其对角线依次增大的相似矩形环梁，每一矩形环梁由环向杆依次首尾连接而成，相邻两个矩形环梁的同相位的顶点之间连接有顶点连杆，相邻矩形环梁的梁边之间设有边间连杆，边间连杆的两端分别连接于该相邻梁边中环向杆的节点上；位于网壳中心的矩形环梁对角跨设有两根中心连杆，两根中心连杆在交汇处形成中心节点；张拉支撑结构包括一组张拉后中心在一条垂线上的、且其对角线依次增大的矩形环拉索和两根对角拉索，矩形环拉索与所述矩形环梁相应，对角拉索位于矩形平面网壳结构相应对角线所在的垂面内；对角拉索的两端与位于边缘的矩形环梁的顶点相接，在两根对角拉索的交接点与矩形平面网壳结构的中心节点之间设有中心撑杆，在矩形环拉索与对角拉索相交处的节点与对应的矩形环梁的顶点之间设有节点撑杆；在对角拉索和矩形环拉索内施加预应力后，矩形平面网壳结构和张拉支撑结构形成整体受力结构。

上述矩形平面弦支穹顶中，由中心连杆和中央矩形环梁的环向杆、由顶点连杆、边间连杆和其他矩形环梁的环向杆共同组合构成三角形网格，该网格的外表面由顶点连杆和中心连杆划分成的四个区域均为弧面。