一种部分自平衡的闭合马鞍形空间结构的制作方法

本发明属于大跨空间结构，涉及一种部分自平衡的闭合马鞍形空间结构。

背景技术：

自平衡体系是一种完全封闭的自内力体系，支座反力只有结构材料的自重，不随着结构内部构件内力的变化而变化，因而可以实现超大跨度的结构如体育场馆、会展中心的屋面等；然而，由于这种体系的刚度完全由体系的预应力决定，跨度越大，结构刚度需求高，结构的内力就越大，因而通常体系的内外环为平面圆形，若外环（压力环）是一个马鞍形，其刚度就会呈几何级数的降低，难以满足结构的变形要求，且需要结构材料较多，造成巨大浪费。

技术实现要素：

（1）解决的技术问题

车辐式张拉索结构体系是一种常用的自平衡结构体系，由内环（拉力环）、径向预应力钢索（脊索和谷锁）和外环（压力环）组成。这种体系充分利用外环的轴向刚度以及钢索的抗拉能力抵抗外荷载，但通常压力环是一个平面的圆形环梁或者圆形桁架，此时压力环仅承受轴向压力，结构刚度较高；当压力环不是平面圆而是竖向高差较大的马鞍形时，压力环不仅仅受到轴力的作用，还受到较大的弯矩和扭矩，大大地降低了结构体系抵抗外荷载的效率。

本发明提出一种新型平衡结构体系，通过一系列新型的支座系统，充分利用压力环的轴向刚度，避免其受到较大的弯矩和扭矩，提高了该体系抵抗外荷载的能力和效率，由于内环、外环和径向预应力钢索之间并不是一个完全自平衡的受力体系，只是一种部分自平衡的空间结构体系。

（2）技术方案

本发明提出的部分自平衡的闭合马鞍形空间结构体系

内环由一组平行拉索组成；径向脊索内端通过索夹与内环连接，外端通过钢板节点与外环桁架相连，脊索在外环连接节点高于内环连接节点；径向谷索内端通过索夹与内环连接，外端通过钢板节点与外环桁架相连，谷索在外环连接节点低于内环连接节点；可径向滑动铰支座支座上部连接外环桁架，下部支承于预应力钢筋混凝土环梁顶；预应力钢筋混凝土环梁支承于钢筋混凝土环梁柱，梁顶与柱顶标高相同。

内环为拉力环，仅受拉力；脊索主要承受重力、积雪等向下的荷载；谷索主要承受风吸力等向上的荷载；马鞍形外环桁架承受或传递拉索传来的力；可径向滑动铰支座仅传递环桁架切向的水平力和竖向力，径向可以滑动；下部钢筋混凝土环梁及钢筋混凝土环梁柱，环梁承受支座传来的环向水平力，柱承受竖向力。

部分自平衡体系是指脊索和谷索的拉力不能通过内环和外环形成完全的自平衡体系，内外环只能平衡一部分拉力，还有一部分拉力需要下部预应力钢筋混凝土环梁承担。完全自平衡体系是只脊索和谷索的所有拉力均由内环和外环承担，无论拉力多大，其支座反力是不变的，下部结构仅承受内外环及脊索、谷索的自重，是一个完全封闭的自内力体系。本发明涉及的结构体系是不完全封闭的，增加脊索、谷索的拉力，支座的反力也会增加，下部结构不仅仅要承受上部结构自重，还必须承担上部结构内外环无法平衡的脊谷索拉力。

（3）有益效果

本发明提出的结构体系，可以实现内环及外环的各种空间建筑造型，不仅仅局限于平面形状，且大幅降低结构造价，充分发挥拉索、钢材和混凝土材料各自的优势，充分利用构件轴向刚度远大于抗弯刚度和抗扭刚度的特点，优化结构截面和造价，实现了经济性和建筑美学的高度统一。

附图说明：

图1结构体系整体三维图

图2局部单元剖面图

图3局部单元三维轴侧图

图4内环示意图

图5脊索和谷索示意图

图6外环桁架示意图

图7下部环梁及柱示意图

图8索夹结构图

图9钢板节点图

附图标记：1内环（马鞍形），2径向脊索，3径向谷索，4外环桁架（马鞍形），5可径向滑动铰支座，6预应力钢筋混凝土环梁，7钢筋混凝土环梁柱，8索夹，9钢板节点，10钢柱11背索。

具体实施方式：

以某体育场为例，对本发明的结构体系进行详细说明。

（1）本发明所涉及的工程实例为一个马鞍形的体育场，体育场平面为圆形，直径260米，屋盖平面为椭圆形，最大悬挑45米。

（2）体育场内环采用一组平行钢丝索构成，内环为马鞍线，马鞍线最高点与最低点的高差不能超过20米。

（3）脊索与谷索通过索夹节点与环索连接

（4）谷索外端连接在外环桁架下弦

（5）脊索外端连接在竖立于外环桁架上弦的钢柱上，谷索根部与脊索根部高差不小于悬挑长度的1/4.

（6）柱顶通过背索与环桁架下弦连接。

（7）环桁架下弦通过可径向滑动铰支座与下部混凝土环梁及混凝土柱连接。

（8）内环的形状通过调整谷索及脊索的预应力大小形成，张拉过程中，支座必须保证在径向上可以滑动，切向和竖向不能滑动，同时，支座可以任意转动。

预应力钢筋混凝土环梁钢筋包括直线预应力筋及曲线预应力筋，其形状必须与外环桁架一致。

技术特征：

技术总结
本发明提出一种部分自平衡的闭合马鞍形空间结构，其特征在于：内环由一组平行拉索组成；径向脊索内端通过索夹与内环连接，外端通过钢板节点与外环桁架相连，脊索在外环连接节点高于内环连接节点；径向谷索内端通过索夹与内环连接，外端通过钢板节点与外环桁架相连，谷索在外环连接节点低于内环连接节点；可径向滑动铰支座支座上部连接外环桁架，下部支承于预应力钢筋混凝土环梁顶；预应力钢筋混凝土环梁支承于钢筋混凝土环梁柱，梁顶与柱顶标高相同。

技术研发人员：杨霄;葛家琪;蒋炳丽;赵天文;何晓洪;沈敏杰
受保护的技术使用者：清华大学建筑设计研究院有限公司
技术研发日：2017.04.18
技术公布日：2017.07.25