[实用新型]双层索-杆屋盖体系

说明书

本实用新型是在中国发明专利第200710097153.2号的“双层索-杆屋盖体系”基础上的延续，且以引用方式并入包含其全部内容。

技术领域

本实用新型涉及一种屋盖体系，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。

背景技术

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。