多级车辐式刚弦张拉结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多级车辐式刚弦张拉结构，包括刚性外环、柔性拉索内环体系、上弦刚梁体系和下弦张拉索杆体系，在所述上弦刚梁体系下方设置有至少一道柔性拉索中环，所述柔性拉索内环体系由上部内环索和下部内环索组成，所述上弦刚梁体系由若干刚性梁组成，所述下弦张拉索杆体系包括若干设置在对应刚性梁下方的多级拉索，在所述柔性拉索中环与刚性梁之间设置有竖向撑杆，在各级拉索与对应刚性梁之间分别设置有竖向撑杆。本发明主要以轴向力抵抗外荷载，受力效率高，刚度大，有利于减小材料用量，而刚性梁又可承担局部的弯矩，从而使得屋面可采用多种曲面造型，便于采用刚性屋面板，在体育场、足球场等大型公共建筑中具有广泛的适用性。
【专利说明】
多级车辐式刚弦张拉结构
技术领域
[0001]本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种多级车辐式刚弦张拉结构。
【背景技术】
[0002]1962年美国著名建筑师Fuller提出了由索杆体系组成的张拉整体结构(Tensegrity Systems)的思想。80年代，美国著名工程师Geiger对FulIer的思想进行演变和发展，提出了索穹顶结构体系(Cable Domes)，该体系被成功运用于汉城奥运会体育场馆(直径119.8m和89.8m)、亚特兰大奥运会主体育馆(240mX 193m)等多项工程中。由于真正意义上的张拉整体结构较难在大型结构工程中应用，科研工作者转而探索实用性强的包含张拉整体结构原理的结构体系。其中车辐式张拉结构传力直接、轻盈美观，被广泛应用于中部开口的非封闭大跨度建筑(如体育场、足球场等)中，如波兰华沙国家体育场(314m X280 m)、釜山体育场(180mX152 m)、巴西马拉卡纳体育场(298mX260m)以及国内的深圳宝安体育场(230mX237 m)和佛山世纪莲体育场(直径310m)等。他们的屋盖无一例外的采用了柔性的轻质膜材作为覆盖材料，膜材虽然具有通透性好、自洁性好等特点，但造价高、对风敏感、易老化、使用寿命小于建筑周期；同时膜材特有的建筑表现方式，不能完全满足多样化的建筑造型需求。刚性屋面(如直立锁边板)造价低、耐久性好、可适应各种建筑造型，是应用更为广泛的屋面材料。然而车辐式张拉结构由于为全索杆体系，导致其难以采用刚性屋面，极大限制了其适用范围。已有部分专家学者提出了便于采用刚性屋面的刚柔杂交结构，如张弦结构、弦支穹顶结构，利用撑杆连接上弦抗弯受压构件和下弦抗拉构件形成自平衡体系，结构的刚度较大，屋面覆盖材料的适用范围更广。但张弦结构与弦支穹顶结构的上弦均为连续的刚性体系，如梁、桁架、网壳等，常用于体育馆、会展馆等封闭的建筑。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于:针对上述存在的问题，提供一种适用于中部开口的非封闭建筑的新型张拉结构体系，且便于采用刚性屋面的多级车辐式刚弦张拉结构。
[0004]本发明技术的技术方案实现方式:多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:包括设置在结构外边缘处的刚性外环、设置在结构中部开口处的柔性拉索内环体系以及设置在刚性外环与柔性拉索内环体系之间的上弦刚梁体系和下弦张拉索杆体系，在所述上弦刚梁体系下方设置有至少一道柔性拉索中环，所述柔性拉索内环体系由上部内环索和下部内环索组成，所述上弦刚梁体系由若干刚性梁组成，所述刚性梁的两端分别与上部内环索和刚性外环连接，所述下弦张拉索杆体系包括若干设置在对应刚性梁下方的多级拉索，最内一级的拉索一端与下部内环索连接，其另一端与刚性梁连接，中间级的拉索一端与柔性拉索中环连接，其另一端与刚性梁连接，最外一级的拉索一端与最外一道的柔性拉索中环连接，其另一端与刚性外环连接，在所述柔性拉索中环与刚性梁之间设置有竖向撑杆，在各级拉索与对应刚性梁之间分别设置有竖向撑杆。
[0005]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其所述刚性梁的两端分别与上部内环索和刚性外环铰接，各级拉索及竖向撑杆的两端分别与对应部件铰接。
[0006]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其在相邻的中间级柔性拉索中环之间设置有抗风索，所述抗风索两端分别与对应柔性拉索中环和刚性梁连接。
[0007]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其所述抗风索一端与靠外侧的一道柔性拉索中环铰接，其另一端与靠内侧的一道柔性拉索中环对应上方的刚性梁处铰接。
[0008]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其在所述上部内环索和下部内环索之间设置有斜腹杆形成环向桁架。
[0009]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其所述斜腹杆两端分别与上部内环索和下部内环索铰接。
[0010]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其所述若干刚性梁和若干拉索分别沿柔性拉索内环体系外周呈辐射式布置且对应配合。
[0011]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其所述若干刚性梁和若干拉索分别沿柔性拉索内环体系外周呈三角式布置且对应配合。
[0012]本发明所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其所述若干刚性梁和若干拉索分别沿柔性拉索内环体系外周呈交叉式布置且对应配合。
[0013]本发明主要以轴向力抵抗外荷载，受力效率高，刚度大，有利于减小材料用量，而刚性梁又可承担局部的弯矩，从而使得屋面可采用多种曲面造型，便于采用刚性屋面板，在体育场、足球场等大型公共建筑中具有广泛的适用性。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的结构示意图。
[0015]图2是本发明中上弦刚梁体系的结构示意图。
[0016]图3是本发明中柔性拉索内环体系与下弦张拉索杆体系的连接示意图。
[0017]图4是图1的局部放大图。
[0018]图5和图6是本发明中竖向撑杆两端铰接节点的结构示意图。
[0019]图7是本发明中竖向撑杆和拉索同刚性梁铰接节点的结构示意图。
[0020]图8是本发明中上部内环索铰接节点的结构示意图。
[0021]图9是本发明中下部内环索铰接节点的结构示意图。
[0022]图10是本发明中柔性拉索中环铰接节点的结构示意图。
[0023]图11是本发明中上弦刚梁体系和下弦张拉索杆体系辐射式布置的结构示意图。
[0024]图12是本发明中上弦刚梁体系和下弦张拉索杆体系三角式布置的结构示意图。
[0025]图13是本发明中上弦刚梁体系和下弦张拉索杆体系交叉式布置的结构示意图。
[0026]图中标记:I为刚性外环，2为柔性拉索中环，3a为上部内环索，3b为下部内环索，4为刚性梁，5a为拉索，5b为竖向撑杆，6为抗风索，7为环向桁架。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0028]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
[0029]如图1-10所示，多级车辐式刚弦张拉结构，包括设置在结构外边缘处的刚性外环
1、设置在结构中部开口处的柔性拉索内环体系以及设置在刚性外环I与柔性拉索内环体系之间的上弦刚梁体系和下弦张拉索杆体系，在所述上弦刚梁体系下方设置有至少一道柔性拉索中环2，本实施例为二级车辐式刚弦张拉结构，所述柔性拉索内环体系由上部内环索3a和下部内环索3b组成，所述上弦刚梁体系由若干刚性梁4组成，所述刚性梁4的两端分别与上部内环索3a和刚性外环I铰接，所述下弦张拉索杆体系包括若干设置在对应刚性梁4下方的多级拉索5a，最内一级的拉索5a—端与下部内环索3b铰接，其另一端与刚性梁4铰接，中间级的拉索5a—端与柔性拉索中环2铰接，其另一端与刚性梁4铰接，最外一级的拉索5a—端与最外一道的柔性拉索中环2铰接，其另一端与刚性外环I铰接，在所述柔性拉索中环2与刚性梁4之间设置有竖向撑杆5b，所述竖向撑杆两端分别与柔性拉索中环和刚性梁铰接，在各级拉索5a与对应刚性梁4之间分别设置有竖向撑杆5b，所述竖向撑杆分别与拉索和刚性梁铰接。
[0030]其中，在相邻的中间级柔性拉索中环2之间设置有抗风索6，所述抗风索6—端与靠外侧的一道柔性拉索中环2铰接，其另一端与靠内侧的一道柔性拉索中环2对应上方的刚性梁4铰接，在所述上部内环索3a和下部内环索3b之间设置有斜腹杆形成环向桁架7，所述斜腹杆两端分别与上部内环索3a和下部内环索3b铰接，屋面覆盖材料设置于上弦刚梁体系上。
[0031]本发明的受力原理及结构特点是:该结构体系兼具张拉结构体系与刚性结构体系的特点。通过在拉索中施加预张力，使上、下部内环索、柔性拉索中环、下弦拉索、上弦刚性梁受拉，刚性外环和竖向撑杆受压，整个结构处于一种自平衡的张紧状态，具有很好的结构刚度。结构由内向外呈逐级受力状态，从整体受力上看，当结构受到向下的荷载时，上弦刚性梁及上部内环索内力减小，下弦拉索及下部内环索内力增大，抵抗外荷载;当结构受到向上的荷载时，下弦拉索及下部内环索内力减小，上弦刚性梁及上部内环索内力增大，抵抗外荷载;若需要进一步增加结构刚度，可在上、下部内环索之间布置斜向构件，形成内环带桁架。而从局部受力上看，下弦拉索通过竖向撑杆弹性支撑上弦刚性梁，减小刚性梁的局部弯矩;抗风斜索降低上弦刚性梁在风荷载作用下的弯矩。该多级刚弦张拉结构在相同悬挑跨度下大大降低上下弦间距，减小了撑杆高度，在保证受力效率的同时，有效的解决了传统车辐式张拉结构撑杆较高，影响场内空间的缺陷。
[0032]如图11所示，所述若干刚性梁4和若干拉索5a分别沿柔性拉索内环体系外周呈辐射式布置且对应配合;或者，如图12所示，所述若干刚性梁4和若干拉索5a分别沿柔性拉索内环体系外周呈三角式布置且对应配合;或者，如图13所示，所述若干刚性梁4和若干拉索5a分别沿柔性拉索内环体系外周呈交叉式布置且对应配合。
[0033]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:包括设置在结构外边缘处的刚性外环(I)、设置在结构中部开口处的柔性拉索内环体系以及设置在刚性外环(I)与柔性拉索内环体系之间的上弦刚梁体系和下弦张拉索杆体系，在所述上弦刚梁体系下方设置有至少一道柔性拉索中环(2)，所述柔性拉索内环体系由上部内环索(3a)和下部内环索(3b)组成，所述上弦刚梁体系由若干刚性梁(4)组成，所述刚性梁(4)的两端分别与上部内环索(3a)和刚性外环(1)连接，所述下弦张拉索杆体系包括若干设置在对应刚性梁(4)下方的多级拉索(5a)，最内一级的拉索(5a)—端与下部内环索(3b)连接，其另一端与刚性梁(4)连接，中间级的拉索(5a)—端与柔性拉索中环(2)连接，其另一端与刚性梁(4)连接，最外一级的拉索(5a)—端与最外一道的柔性拉索中环(2)连接，其另一端与刚性外环(I)连接，在所述柔性拉索中环(2)与刚性梁(4)之间设置有竖向撑杆(5b)，在各级拉索(5a)与对应刚性梁(4)之间分别设置有竖向撑杆(5b)。2.根据权利要求1所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:所述刚性梁(4)的两端分别与上部内环索(3a)和刚性外环(I)铰接，各级拉索(5a)及竖向撑杆(5b)的两端分别与对应部件铰接。3.根据权利要求1所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:在相邻的中间级柔性拉索中环(2)之间设置有抗风索(6)，所述抗风索(6)两端分别与对应柔性拉索中环(2)和刚性梁(4)连接。4.根据权利要求3所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:所述抗风索(6)—端与靠外侧的一道柔性拉索中环(2)铰接，其另一端与靠内侧的一道柔性拉索中环(2)对应上方的刚性梁(4)处铰接。5.根据权利要求1所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:在所述上部内环索(3a)和下部内环索(3b)之间设置有斜腹杆形成环向桁架(7)。6.根据权利要求5所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:所述斜腹杆两端分别与上部内环索(3a)和下部内环索(3b)铰接。7.根据权利要求1至6中任意一项所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:所述若干刚性梁(4)和若干拉索(5a)分别沿柔性拉索内环体系外周呈辐射式布置且对应配合。8.根据权利要求1至6中任意一项所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:所述若干刚性梁(4)和若干拉索(5a)分别沿柔性拉索内环体系外周呈三角式布置且对应配合。9.根据权利要求1至6中任意一项所述的多级车辐式刚弦张拉结构，其特征在于:所述若干刚性梁(4)和若干拉索(5a)分别沿柔性拉索内环体系外周呈交叉式布置且对应配合。
【文档编号】E04B7/14GK106088338SQ201610606975
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月29日 公开号201610606975.8, CN 106088338 A, CN 106088338A, CN 201610606975, CN-A-106088338, CN106088338 A, CN106088338A, CN201610606975, CN201610606975.8
【发明人】冯远, 向新岸, 王立维, 姚丽, 吴雨杭, 邱添
【申请人】中国建筑西南设计研究院有限公司