专利名称：具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，它是由矩形环梁，竖直撑杆，脊索、斜索，环索，中心竖直撑杆以及荷载缓和装置组成的一种张力结构。
背景技术：
索穹顶结构是美国工程师Gerger发展和推广Fuller张拉整体结构思想后实现的一种新型预应力大跨结构，它体现了Fuller关于“压力的孤岛存在于拉力的海洋中”的思想，是一种结构效率极高的全张力结构。目前，索穹顶结构在美国、日本、韩国、台北等地有了比较广泛的应用，并且显示了其强大的优越性。但是已经申报专利的Levy和Geiger两种索穹顶仅仅涉及圆形和椭圆型，矩型平面的索穹顶还没有广泛研究，这就限制了索穹顶的应用范围。另外，面对目前日益广泛的张力结构结构，结合其自身的特点，研究一种能够随着外部作用变化而对结构自身进行调节，最终达到自适应和自调节功能的结构一直是人们的一个美好梦想。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，它由矩形环梁、竖直撑杆、脊索、斜索、环索、中心竖直撑杆以及荷载缓和装置组成。由竖直撑杆、脊索、斜索构成一榀，长榀和短榀分别沿长度方向和宽度方向布置，所有的榀汇交于一点，交点处各榀共用中心竖直撑杆。每一榀的脊索一端与中心竖直撑杆铰接，另一端与矩形环梁锚接，沿着脊索，设置多个竖直撑杆，斜索一端与竖直撑杆底部铰接，另一端与外侧相邻竖直撑杆顶部铰接，最外侧竖直撑杆底部斜索与矩形环梁锚接。
中心竖直撑杆标高最高，竖直撑杆顶部标高环向相同，径向由内向外递减，同一环向上的竖直撑杆底部由环索相连。脊索，斜索，环索均为预应力拉索，外部矩形环梁为可受承压力的矩形环梁。在斜索与环梁锚接处设置斜索缓和装置或在环索与竖直撑杆底部铰接处设置环索缓和装置。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是1)索穹顶的平面布置不再限制在圆形，扩展到矩型平面，更加自由。
2)自重轻。结构构件较少，且主要是高强度拉索，结构自重轻。
3)充分发挥高强度材料的性能。本结构可采用高强度拉索，承压性能优越的砼圈梁或钢箱梁，可充分发挥这两种材料各自的特性。
4)受力性能优越。结构由预应力提供刚度，拉索始终处于受拉状态。
5)设置荷载缓和装置后，在相同荷载作用下，结构构件的内力的增加量较没有缓和装置时下降20％～30％。
6)设置缓和装置后，相同荷载作用下，该结构跨中挠度有所增大。
7)对于突发的大荷载作用下，缓和装置可以吸收一部分能量，而且缓和装置增大了结构的柔性，使结构产生较大的变形，减少了荷载作用的冲量，在一定程度范围内避免倒塌的危险。
8)建筑效果好。由于本结构构成的构件数远少于一般的网格结构，因此给人们一种简洁明快的效果，克服了网格结构感观上杆件繁多零乱的弊端。
图1是具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构平面示意图；图2(a)是具有缓和功能矩型平面索穹顶结构长榀剖面示意图；图2(b)是具有缓和功能矩型平面索穹顶结构短榀剖面示意图；图3是具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构三维示意图；图4(a)是本发明的斜索缓和装置结构示意图；图4(b)是本发明的环索缓和装置结构示意图；图5是算例1中长榀脊索R31内力变化曲线；图6是算例1中短榀脊索R32内力变化曲线；图7是算例1中长榀斜索D31内力变化曲线；图8是算例1中短榀斜索D32内力变化曲线；图9是算例1中长榀竖直撑杆R31内力变化曲线；图10是算例1中短榀竖直撑杆R32内力变化曲线；图11是算例1中长榀环索H21内力变化曲线；图12是算例1中短榀环索H23内力变化曲线。
图中1、矩形环梁，2、竖直撑杆，3、脊索，4、斜索，5、环索，6、中心竖直撑杆，7、斜索缓和装置，8、环索缓和装置，9、预埋钢板，10、锚板，11、广义弹簧单元，12、孔道，13、拉索承压球节点。
具体实施例方式
如图1、2、3所示，具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构由矩形环梁1、竖直撑杆2、脊索3、斜索4、环索5、中心竖直撑杆6以及缓和装置组成。由竖直撑杆2、脊索3、斜索4构成一榀，长榀和短榀分别沿长度方向和宽度方向布置，所有的榀汇交于一点，此点各榀共用中心竖直撑杆6，脊索3一端与中心竖直撑杆6铰接，脊索另一端与矩形环梁1锚接，沿着脊索3，设置多个竖直撑杆2，斜索4一端与竖直撑杆2底部铰接，斜索另一端与外侧相邻竖直撑杆2顶部铰接，最外侧竖直撑杆2底部斜索4与矩形环梁1锚接。在斜索4与环梁1锚接设置斜索缓和装置7或在环索5与竖直撑杆2底部铰接处设置环索缓和装置8。
所述的中心竖直撑杆6标高最高，以中心竖直撑杆6为中心，沿脊索3布置的竖直撑杆2顶部标高环向相同，径向由内向外递减，同一环向上的竖直撑杆2底部由环索5相连。脊索3、斜索4或环索5均为预应力拉索。外部矩形环梁1为可受承压力的矩形环梁1。
如图4所示，斜索缓和装置7具有设置在环梁1上的预埋钢板9，与环梁孔道12相接的预埋钢板9上设有广义弹簧单元11、锚板10。环索缓和装置8具有设置在环索5端部的拉索承压球节点13、广义弹簧单元11、锚板10。
具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构由不同强度的材料组合而成。矩形环梁为受压矩形环梁，可利用下部结构柱顶圈梁，一般为钢筋砼梁，刚度大，受压性能好，施工也方便，脊索锚板可固定在该梁上，张拉操作空间宽敞，操作方便。脊索、斜索、环索可采用高强钢丝，钢绞线，钢丝绳等。拉索施工时，首先要确定其零应力状态下的长度，加工索头、锚具和竖直撑杆，在实际施工中，拉索的初始预应力值与设计值仍有可能出现较大的差距，所以竖直撑杆可以设计为长度可调节的构件，环索与脊索之间的连接可采用可调节索，连接和调整方便。索与索连接，索与梁连接的节点已有许多形式可选择。结构的构件装配完毕后，结构仍处于无应力状态，当余下的小部分索张拉到位时，结构成形并具有刚度，可承受外部荷载作用。
下面给出一具体算例。
算例1一个长跨为75m，短跨60m，承受满跨均布荷载作用的矩型平面索穹顶，结构的平面图和剖面图如图1、2所示，在剖面图中的竖向撑杆高度分别为4.2m、6.6m、8.0m。该穹顶各索的截面积A和初始预应力F0见表1，对该结构依次施加竖向均布荷载q＝0(即施工张拉完成时，仅有自重的情况)，0.5kN/m2，1.0kN/m2，1.5kN/m2，2.0kN/m2，2.5kN/m2，计算其未加缓和装置、在斜索处加缓和装置、在环索上加缓装置时杆件及索的内力变化曲线，采用的缓和装置的单元弹性刚度为5.0×107N/m，索的弹性模量1.8×1011Pa。附图5、6、7、8、9、10、11、12分别是R31(长榀脊索)，R32(短榀脊索)，D31(长榀斜索)，D32(短榀斜索)，B31(长榀撑杆)，B32(短榀撑杆)，H21(长榀外环索)，H23(短榀外环索)的内力变化曲线，计算结果表明，在环索上放置缓和装置效果最好，但是综合考虑施工难易程度，在斜索处放置缓和装置，效果较理想，内力变化幅度可下降20％～30％。q＝2.5kN/m2时，未加缓和装置跨中挠度为0.1734m，在斜索D31、D32处放置缓和装置时，跨中挠度为0.20m。
从算例可见，本发明的效果是有益的，方案是可行的。
表1
权利要求
1.一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，其特征在于，它是矩型平面的索穹顶，它由矩形环梁(1)、竖直撑杆(2)、脊索(3)、斜索(4)、环索(5)、中心竖直撑杆(6)以及荷载缓和装置组成。由竖直撑杆(2)、脊索(3)、斜索(4)构成一榀，长榀和短榀分别沿长度方向和宽度方向布置，所有的榀汇交于一点，此点各榀共用中心竖直撑杆(6)，脊索(3)一端与中心竖直撑杆(6)铰接，脊索另一端与矩形环梁(1)锚接，沿着脊索(3)，设置多个竖直撑杆(2)，斜索(4)一端与竖直撑杆(2)底部铰接，斜索另一端与外侧相邻竖直撑杆(2)顶部铰接，最外侧竖直撑杆(2)底部斜索(4)与矩形环梁(1)锚接。
2.根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，其特征在于所述的中心竖直撑杆(6)标高最高，以中心竖直撑杆(6)为中心，沿脊索(3)布置的竖直撑杆(2)顶部标高环向相同，径向由内向外递减，同一环向上的竖直撑杆(2)底部由环索(5)相连。
3.根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，其特征在于所述的脊索(3)、斜索(4)或环索(5)均为预应力拉索。
4.根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，其特征在于外部矩形环梁(1)为可受承压力的矩形环梁(1)。
5.根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，其特征在于在斜索(4)与环梁(1)锚接处设置斜索缓和装置(7)或在环索(5)与竖直撑杆(2)底部铰接处设置环索缓和装置(8)。
6.根据权利要求1所述的一种具有荷载缓和功能的矩型平面索穹顶结构，其特征在于，所述的斜索缓和装置(7)具有设置在环梁(1)上的预埋钢板(9)，与环梁孔道(12)相接的预埋钢板(9)上设有广义弹簧单元(11)、锚板(10)。
7.根据权利要求1所述的一种具有荷载缓和功能的矩型平面索穹顶结构，其特征在于，所述的环索缓和装置(8)具有设置在环索(5)端部的拉索承压球节点(13)、广义弹簧单元(11)、锚板(10)。
全文摘要
本发明公开了一种具有缓和功能的矩型平面索穹顶结构，它由竖直撑杆、脊索、斜索构成一榀，长榀和短榀交点处共用中心竖直撑杆，脊索一端与中心竖直撑杆铰接，另一端与矩形环梁锚接，斜索一端与竖直撑杆底部铰接，另一端与外侧相邻竖直撑杆顶部铰接，竖直撑杆底部由环索相连。在斜索与环梁锚接处设置斜索缓和装置或在环索与竖直撑杆底部铰接处设置环索缓和装置。本具有缓和功能的矩型型索穹顶结构受力性能优越，可以充分发挥材料的强度。设置荷载缓和装置后，结构内力进一步减少，在相同荷载作用下，结构构件的内力增加量较没有设置缓和装置时下降20％～30％。特别对于突发的大荷载作用下，缓和装置可以吸收一部分能量，在一定程度范围内避免倒塌的危险。
文档编号E04B7/08GK101082243SQ20071007001
公开日2007年12月5日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者高博青, 马洪步 申请人:浙江大学