专利名称：次索网索穹顶结构的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种新型的全张力结构一次索网索穹顶结构，该结构由脊索、折线斜索、上环索、下环索、环向中压杆、径向中压杆、角压杆和次索网构成，其上可铺设刚性屋面材料，如玻璃面板和彩钢板。属土木工程建筑中空间结构领域。
背景技术：
常规索穹顶是一种由脊索、斜索、环索和压杆构成的空间全张力结构，其构形简洁、空间跨越能力强、自重轻、净空高，现已在国内推广应用。由于建筑和结构的要求，索穹顶构件之间网格尺寸较大，这就要求屋面系统自身具有很好的跨越性能，因此在国外主要采用张拉膜作为索穹顶的屋面材料。张拉膜为柔性材料，具有厚度薄、自重轻、部分透光、负高斯曲面、柔性大等特性， 但保温性能和抗环境污染能力较差，价格较贵。因此，采用张拉膜面的索穹顶在国内环境污染地区难以适用，而且单一的屋面材料也是限制索穹顶在国内推广应用的因素之一。玻璃面板、彩钢板等传统刚性屋面材料，在国内钢屋盖结构中已有非常广泛的应用。但刚性屋面的跨越能力小，需要增设次结构支承屋面，并将屋面荷载传递至索穹顶主体结构，这对次结构的跨越能力提出了较高的要求。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种次索网索穹顶结构，次索网索穹顶结构，既保持了全张力结构的设计思想，也继承了索穹顶结构的优点，整体稳定性更好，屋面材料的可选择范围更广，有利于这类结构的推广应用。技术方案若支承刚性屋面的次结构采用檩条，则形成了一个覆盖在索穹顶上的单层檩条网壳，相对笨重的檩条网壳既减弱了索穹顶的优点，也不符合全张力结构的设计思想。索网轻盈，跨越能力较大，相对张拉膜面具有更好的刚度，由于其上覆盖远重于膜面的刚性屋面材料，因此需要较大的索力，而且索网边缘不仅连接压杆顶端，还连接在脊索和上环索的索段上，因此次索网的张力会在脊索和上环索的索段上产生较大的集中力，这不利于脊索和上环索的受力。因此，继承常规索穹顶的优点，并适应刚性屋面，需要一种类似于索穹顶，由次索网支承刚性屋面的新型全张力结构。本发明的目的次索网索穹顶结构是一种可支承刚性屋面的新型全张力结构，其上可铺设刚性屋面材料，如玻璃面板、彩钢板。1)次索网索穹顶结构的构形
该结构包括脊索、折线斜索、角压杆、下环索、径向中压杆、上环索、环向中压杆及由平面正交的径向次索和环向次索构成的次索网，次索网布置在由脊索和上环索围成的主结构上部大网格中，并与脊索和上环索连系，次索网节点直接作为刚性屋面的支点。环向中压杆布置在上环索和下环索之间，为上环索提供弹性支点，提高上环索的竖向刚度，减小上环索的索力。
径向中压杆布置在脊索和折线斜索之间，为脊索提供弹性支点，提高脊索的竖向刚度。折线斜索为折线形，在与径向中压杆的连接处存在折点，各折线段的水平夹角须根据角压杆和径向中压杆的初始预压力及力平衡关系来确定，从而确定径向中压杆的长度。
有益效果在常规索穹顶的基础上，通过增设上环索、径向中压杆、环向中压杆及次索网，形成可支承刚性屋面的次索网索穹顶结构。次索网的网格节点为刚性屋面材料提供支点，网格尺寸和初始预应力均勻，便于刚性屋面材料的铺设；增设的径向中压杆，使局部构形类似部分索桁架，大大增强了脊索的竖向刚度，从而为环向次索提供了有力的支撑，反之环向次索维持着径向压杆的平面外稳定；增设的上环索，为径向次索提供支点，而增设的环向中压杆，则利用具有较大索力的下环索为上环索提供弹性支点，从而大大提高上环索的竖向刚度，减小上环索的索力，另外，径向次索维持着环向中压杆的平面外稳定。次索网索穹顶结构，既保持了全张力结构的设计思想，也继承了索穹顶结构的优点，整体稳定性更好，屋面材料的可选择范围更广，有利于这类结构的推广应用。
图1为次索网索穹顶结构的三维图； 图2为主结构的三维图3为主结构的剖面图； 图4为次索网的平面图中有脊索1，斜索2，角压杆3，下环索4，径向中压杆5，上环索6，环向中压杆7，径向次索8，环向次索9。
具体实施例方式设计支承刚性屋面的次索网索穹顶结构，基本步骤如下
1)首先选定刚性屋面材料，根据其跨越能力初步确定平面正交次索网格基本尺寸，即径向次索和环向次索的间距。2)根据刚性屋面材料和次索网的允许变形值，初步确定径向次索和环向次索的跨度和初始预应力。3)根据径向次索和环向次索的跨度，初步确定主结构网格基本尺寸，即主结构中脊索和环索的跨度。4)根据脊索和环索的跨度要求及整体屋盖结构的跨度要求，初步确定主体结构的环数和径向幅数。5)根据建筑造型和功能及结构性能要求，确定各环的脊索坡度和角压杆的长度。6)根据以上步骤已确定的几何位形及屋面材料重量和径向次索初始预应力，初步确定上环索初始预应力及环向中压杆的位置。7)根据力平衡关系，从内环向外环逐环递推计算脊索和角压杆的初始预应力；根据脊索初始预应力及屋面材料重量和环向次索初始预应力，初步确定径向中压杆的位置，并计算其初始预压力；根据角压杆和径向中压杆的初始预压力及力平衡关系，确定斜索各折线段的水平夹角，从而确定径向中压杆的长度及斜索和下环索的初始预应力，至此次索网索穹顶结构的初始位形和初始预应力已初步确定。8)根据拉索和压杆的初始预应力，初步选择构件的材质和规格。9)进行承载力极限状态和正常使用极限状态的验算，对次索网索穹顶结构的初始位形和初始预应力及构件的材质和规格进行优化调整。与常规索穹顶不同，次索网索穹顶的构形具有以下特点(1)斜索为折线形，在脊索和斜索之间增设了径向中压杆，该局部构形类似部分索桁架，大大增强了脊索的竖向刚度，从而为环向次索提供了有力的支撑，反之环向次索维持着径向压杆的平面外稳定。(2)折线形斜索的各折线段与水平面的夹角，应根据径向中压杆和角压杆的初始预压力及力平衡关系确定，从而在脊索和角压杆空间位置已定的条件下确定径向中压杆的长度。(3)在下环索的上方增设了上环索，为径向次索提供支点，并在上、下环索的中部增设了环向中压杆，这不仅大大提高上环索的竖向刚度，而且大大减小上环索的初始预张力。一般情况下，在同一环拉索中下环索的索力最大，远高于上环索。上环索承受的大部分竖向荷载通过环向压杆传递至下环索，并不会引起下环索的过大变形。因此，增设环向中压杆，实际上是利用具有较大索力的下环索为上环索提供弹性支点。另外，径向次索维持着环向中压杆的平面外稳定。(4)在主结构的大网格内，次索网为平面正交索网，且径向次索垂直于上环索，这有利于次索初始预张力的均勻。(5)次索网格尺寸应综合刚性屋面材料的跨度和重量、次索网的索力及脊索索夹抗滑承载力等因素来确定，且应尽量均分脊索和上环索，这有利于次索网格尺寸的均勻性。(6)径向中压杆布置的间距和数量，应根据脊索的跨度和索力及环向次索的间距和索力等因素综合确定。在外环，脊索索力较大，可加大径向中压杆的间距；在内环，则反之。(7)环向中压杆布置的间距和数量，应根据上环索的跨度和索力及径向次索的间距和索力等因素综合确定。设计时，环向中压杆及其与角压杆的间距可设为定值，外环的上环索跨度较大，可增加径向中压杆的数量；在内环，则反之，甚至不需要径向中压杆。2)次索网索穹顶结构的初始预应力
全张力结构的初始预应力和初始位形是密切相关的。显然，次索网索穹顶结构是个超静定结构，存在多个初始预应力态，因此根据结构初始位形和力学特性，应遵循以下关键原则来确定合理的初始预应力。(1)初始位形中上环索为直线索，两侧与之相连的径向次索的初始预应力水平分力应相等。(2)初始位形中脊索为直线索，两侧与之相连的环向次索的初始预应力法向水平分力应相等。(3)初始位形中次索网为平面正交索网，一条直线上的径向次索或者环向次索的各索段的初始预应力应相等。(4)环向次索的初始预应力应考虑脊索索夹的抗滑承载力，应避免环向次索的初
5始预应力过大，导致脊索索夹滑动。因此，径向次索的初始预应力宜取较大值，而环向次索的初始预应力宜取较小值，而且施工中径向次索更加便于张拉。 (5)对于脊索上无径向中压杆的内节点及下环索上有环向中压杆的节点，可不考虑其竖轴的初始预应力平衡条件，其它均应满足初始预应力平衡条件。
权利要求
1.一种次索网索穹顶结构，其特征在于该结构包括脊索(1)、折线斜索(2)、角压杆 (3)、下环索(4)、径向中压杆(5)、上环索(6)、环向中压杆(7)及由平面正交的径向次索(8) 和环向次索(9)构成的次索网，次索网布置在由脊索(1)和上环索(6)围成的主结构上部大网格中，并与脊索(1)和上环索(6)连系，次索网节点直接作为刚性屋面的支点。
2.根据权利要求1所述的次索网索穹顶结构，其特征在于环向中压杆(7)布置在上环索(6)和下环索(4)之间，为上环索(6)提供弹性支点，提高上环索(6)的竖向刚度，减小上环索的索力。
3.根据权利要求1所述的次索网索穹顶结构，其特征在于径向中压杆(5)布置在脊索 (1)和折线斜索(2 )之间，为脊索(1)提供弹性支点，提高脊索(1)的竖向刚度。
4.根据权利要求1所述的次索网索穹顶结构，其特征在于折线斜索(2)为折线形，在与径向中压杆(5)的连接处存在折点，各折线段的水平夹角须根据角压杆(3)和径向中压杆 (5)的初始预压力及力平衡关系来确定，从而确定径向中压杆(5)的长度。
全文摘要
次索网索穹顶结构，公开了一种由脊索、折线斜索、上环索、下环索、环向中压杆、径向中压杆、角压杆及次索网构成的，可支承刚性屋面的，类似索穹顶的新型全张力结构，属于土木工程建筑中空间结构领域。其次索网由径向次索和环向次索平面正交构成，将由脊索和上环索围成的主结构上部大网格划分为小网格，而次索网节点直接作为刚性屋面的支点。次索网支承在周边的脊索和上环索上，通过环向中压杆和径向中压杆加强了脊索和上环索的支承刚度。次索网索穹顶结构，既保持了全张力结构的设计思想，也继承了索穹顶结构的优点，整体稳定性更好，屋面材料的可选择范围更广，有利于这类结构的推广应用。
文档编号E04B7/14GK102251616SQ20111011259
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者罗斌, 郭正兴 申请人:东南大学