专利名称：弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系的制作方法
弦支弯顶结构向心轴关节索杆体系技术领域
本发明属于建筑结构工程技术领域，尤其涉及一种弦支结构体系。
背景技术：
索杆体系是弦支结构体系中联系下部柔性索杆体系和上部刚性体系的关键部分， 它通常是由撑杆下节点、撑杆上节点、撑杆、径向拉索(拉杆)及环向拉索组成。索杆体系的功能主要有二 1.在弦支穹顶施工阶段，将张拉端的预应力传递给环索单元，并将预应力通过径向索、竖向撑杆及撑杆上节点传递给上部网壳，使网壳结构预起拱；2.在弦支穹顶使用阶段，将上部网壳荷载通过撑杆上节点传递给径向拉索、竖向撑杆及高强度环向拉索， 从而提高结构的整体受力性能。
目前的撑杆下节点根据环向索间断与否可分为连续索下节点和间断索下节点。 据此可将索杆体系分为连续索索杆体系和间断索索杆体系。传统的连续索索杆体系采用可滑动的撑杆下节点和销轴铰撑杆上节点，这种体系存在几个问题1)在施工张拉过程中环向索与索夹之间可以产生相对滑动，且应尽可能保证环索可以自由滑动，而在使用阶段(即施工结束之后)则需要固定环索，使之不能与索夹产生相对滑动，滑动与固定的转换增加了施工复杂程度；2)传统的可滑动撑杆下节点在张拉过程中由于环索与索夹摩擦，预应力损失比较严重，降低了施工可控程度，尽管采取了诸多措施，节点形式相对复杂，但效果均不理想；3)弦支穹顶结构计算理论要求撑杆与上部刚性结构的连接以及径向拉杆和撑杆下节点的连接均为空间铰接连接，而传统的销轴铰只能保证撑杆和径向拉杆径向方向铰接而其他方向不能满足铰接要求。发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种可避免因环索滑动与撑杆下节点摩擦造成预应力损失，并能够降低施工复杂程度，提高施工可控程度且构造简单、传力路径明确的弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系。为此，本发明采用如下的技术方案。
一种弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系，包括向心关节轴承撑杆上节点、撑杆、不可滑动撑杆下节点，其中，
向心关节轴承撑杆上节点包括与上部结构节点(I)固定连接的两片节点耳板(2)、与固定两片节点耳(2)和上部结构节点(I)固定连接的半圆管加劲肋(3)、位于两片节点耳板2之间的撑杆耳板(4)、第一向心关节轴承(12a)及第一销轴(5a)，所述的第一向心关节轴承(12a)包括相互嵌套的轴承外环(14a)和轴承内环(15a)，置于撑杆耳板(4)上开设的孔洞内部，第一销轴(5a)贯穿撑杆耳板(4)、轴承内环(15a)及节点耳板(2)，轴承外环 (14a)与撑杆耳板(4)固定连接；撑杆耳板(4)与撑杆的上端固定连接；
不可滑动撑杆下节点包括上索夹7、下索夹8、环向拉索9、径向拉杆耳板10、径向拉杆11、第二向心关节轴承(12b)及第二销轴(5b)，上索夹(7)和下索夹(8)通过高强螺栓CN 102926494 A书明说2/4页(13)相互固定，两者的中部设置有相互对应的突起部分和凹陷部分，两者相互对准并共同围成空腔(16)，该空腔内表面与环向拉索(9)的外表面相互配合，其截面直径略小于环向拉索(9)的直径，用于容纳和紧固环向拉索(9);径向拉杆耳板(10)内置第二向心关节轴承 (12b)，第二向心关节轴承(12b)包括轴承外环14b和轴承内环15b，轴承外环(14b)与径向拉杆耳板(10 )固定连接，第二销轴(5b )穿过径向拉杆耳板(10 )、轴承内环(15b )和径向拉杆(11)的端部；撑杆下端固定在上索夹(7)上。
作为优选实施方式，在空腔内表面设置有金属毛刺；若所采用的环向拉索(9)为高钒索，则空腔立面呈波浪状，与高钒索的外表面形状相配合；在空腔的内表面或在环向拉索的外表面涂覆有建筑结构胶。
本发明提出的向心轴关节索杆体系，索杆体系采用了不可滑动撑杆下节点(施工阶段和使用阶段)，将向心关节轴承引入弦支穹顶索杆体系中，利用向心关节轴承万向转动的功能，将向心关节轴承置于撑杆耳板和径向耳板内，实现撑杆与上部结构、径向拉杆与撑杆下节点的空间铰接连接；向心关节轴承撑杆上节点允许撑杆径向可动、环向微动，从而撑杆下节点可以撑杆上节点为圆心摆动。施工过程中，环向拉索与撑杆下节点全程相对固定， 直接通过撑杆下节点摆动实现预应力张拉，有别于传统通过环索滑动的张拉方式，这种全新的张拉机理避免了传统撑杆下节点环索相对滑动产生预应力损失的问题，提高施工可控程度；构造简单、易于实现，满足计算假定，降低施工复杂程度。
图I为本发明整体构造示意图2为撑杆上节点示意图3为撑杆下节点示意图。
图中，I为上部结构节点，2为节点耳板，3为节点耳板加劲肋，4为撑杆耳板，5a、5b 为销轴，6为撑杆，7为上索夹，8为下索夹，9为环向拉索，10为径向拉杆耳板，11为径向拉杆，12a/12b为向心关节轴承，13为高强螺栓，14a、14b为轴承外环，15a、15b为轴承内环，16为空腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
如图1、2、3所示，本实施实例包含由节点耳板2、节点半圆管加劲肋3、撑杆耳板4、 向心关节轴承12a及销轴5a构成的向心关节轴承撑杆上节点；由上索夹7、下索夹8、环向拉索9、径向拉杆耳板10、径向拉杆11、向心关节轴承12b、高强螺栓13及销轴5b构成的不可滑动撑杆下节点；撑杆6等三个主要组成部分。
向心关节轴承撑杆上节点包含节点耳板2、节点半圆管加劲肋3、撑杆耳板4、向心关节轴承12a及销轴5a。其中向心关节轴承12a包含两个部分轴承外环14a和轴承内环15a，轴承内、外环为成品，嵌套在一起；将向心关节轴承12a置于撑杆耳板4圆孔内部， 轴承外环14a与撑杆耳板4焊接，将撑杆耳板4插入两片节点耳板2中间，使用销轴5a贯穿撑杆耳板(穿过轴承内环15a)与节点耳板；节点半圆管加劲肋焊接于节点耳板之上，节点耳板2焊接于上部结构节点I之上。4
不可滑动撑杆下节点包含上索夹7、下索夹8、环向拉索9、径向拉杆耳板10、径向拉杆11、向心关节轴承12b、高强螺栓13及销轴5b。其中上索夹7、下索夹8平面呈圆弧状，曲率与环索曲率相同，下索夹8中部设置突起部分，上索夹7中部设置凹陷部分，外形呈矩形；上索夹、下索夹通过高强螺栓13连接，下索夹中部的突起部分和上索夹中部的凹陷部分相互对准并共同围成一个截面为圆形的空腔16。本实施例采用的环向拉索自身横向刚度较小高钒索，为了配合高钒索的外表面，空腔平面与上、下索夹直呈相同弧度圆弧状，立面呈波浪形且径略小于环向拉索的直径，在空腔内表面设置有金属毛刺，并覆盖有建筑结构用胶；径向拉杆耳板10中内置向心关节会轴承12b，轴承外环14b与径向拉杆耳板10焊接。销轴5b穿过径向拉杆耳板10、轴承内环15b和径向拉杆11的端部的圆孔。
撑杆6 —端与撑杆耳板4焊接，一端与上索夹7焊接。
本发明能够保证施工张拉过程和使用过程中环向拉索9与撑杆下节点不产生相对滑动。首先通过摩擦力固定环向拉索，上索夹7和下索夹8所围成圆形空腔内表面采用电焊条制造金属毛刺，增加环向拉索9与撑杆下节点的接触面的摩擦系数；通过高强螺栓13 施加预压力，同时上索夹7和下索夹8所围成圆形空腔的直径略小于环向拉索9直径，增加环向拉索9与撑杆下节点的接触面的法向压力；上索夹7和下索夹8围成的索道立面呈波浪形，可大大增加环向拉索9与上索夹7和下索夹8的摩擦面积，通过提高摩擦系数，接触面积以及法相压力达到提高摩擦力的效果。其次，通过化学粘接力固定环向拉索，上索夹7 和下索夹8所围成圆形空腔内表面涂抹建筑结构用胶，并剖开环向拉索6的保护套(如果存在保护套)，灌注建筑结构用胶，待建筑结构胶形成强度，即可产生较大的化学粘接力。
弦支穹顶上部结构安装完成后，将节点耳板2焊接于指定的上部结构节点I上，然后将节点半圆管加劲肋3与上部结构节点I和节点耳板2焊接；将向心关节轴承12a置于撑杆耳板4内，轴承外环14a与撑杆耳板4焊接，将撑杆6与撑杆耳板4连接；将撑杆耳板 4插入两片节点耳板2之间，并对齐耳板圆孔圆心，使用销轴5a穿过撑杆耳板4和节点耳板 3，完成向心关节轴承撑杆上节点与撑杆和上部结构的连接。
按照施工模拟分析确定的撑杆下节点坐标，将上索夹7定位后与撑杆6焊接；在上索夹7索道内壁涂抹建筑结构胶；剖开环向拉索9外包保护套，灌注建筑结构胶；将环向拉索9置于上索夹7曲线索道内，在下索夹8索道内表面涂抹建筑结构胶，将下索夹8对准上索夹7中线，形成闭合圆形截面索道，采用高强螺栓13紧固。撑杆下节点与撑杆6的连接。
根据设计的径向拉杆耳板10空间位置，将其焊接于撑杆下节点；将向心关节轴承 12b置于径向拉杆耳板10内，轴承外环14b与径向拉杆耳板10焊接，采用与撑杆上节点一致的连接方式，通过销轴5b完成径向拉杆11与撑杆下节点的连接。
待建筑结构胶形成强度，方可进行预应力张拉。
在其他实施方式中，环向拉索9的外表面设置有保护套，则可在保护套内灌注有建筑结构用胶。若环向拉索9抗弯刚度较大，不易弯曲成波浪型，如半平行钢丝束等，则上索夹7、下索夹8围成的索道，在立面可不呈现波浪型。
本发明能够保证撑杆与上部结构空间铰接连接、径向拉杆与撑杆下节点空间铰接连接。向心关节轴承由轴承外环和轴承内环构成，轴承外环为一个内面凹陷的圆环，轴承内环为一个外面突出的圆环，二者相互咬合便可实现万向转动。通过向心关节轴12a承置于撑杆耳板4之中，便可实现撑杆径向可转动、环向可微动的性能要求；通过向向心关节轴承12b置于径向拉杆耳板10中，便可实现径向拉杆径向可转动、环向可微动的性能要求。
权利要求
1.一种弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系，包括向心关节轴承撑杆上节点、撑杆、不可滑动撑杆下节点，其中，向心关节轴承撑杆上节点包括与上部结构节点(I)固定连接的两片节点耳板(2)、与固定两片节点耳(2)和上部结构节点(I)固定连接的半圆管加劲肋(3)、位于两片节点耳板 2之间的撑杆耳板(4)、第一向心关节轴承(12a)及第一销轴(5a)，所述的第一向心关节轴承(12a)包括相互嵌套的轴承外环(14a)和轴承内环(15a)，置于撑杆耳板(4)上开设的孔洞内部，第一销轴(5a)贯穿撑杆耳板(4)、轴承内环(15a)及节点耳板(2)，轴承外环(14a) 与撑杆耳板(4)固定连接；撑杆耳板(4)与撑杆的上端固定连接；不可滑动撑杆下节点包括上索夹7、下索夹8、环向拉索9、径向拉杆耳板10、径向拉杆11、第二向心关节轴承(12b)及第二销轴(5b)，上索夹(7)和下索夹(8)通过高强螺栓(13)相互固定，两者的中部设置有相互对应的突起部分和凹陷部分，两者相互对准并共同围成空腔(16)，该空腔内表面与环向拉索(9)的外表面相互配合，其截面直径略小于环向拉索(9)的直径，用于容纳和紧固环向拉索(9);径向拉杆耳板(10)内置第二向心关节轴承 (12b)，第二向心关节轴承(12b)包括轴承外环14b和轴承内环15b，轴承外环(14b)与径向拉杆耳板(10 )固定连接，第二销轴(5b )穿过径向拉杆耳板(10 )、轴承内环(15b )和径向拉杆(11)的端部；撑杆下端固定在上索夹(7)上。
2.根据权利要求I所述的弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系，其特征在于，在空腔内表面设置有金属毛刺。
3.根据权利要求I所述的弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系，其特征在于，若所采用的环向拉索(9)为高钒索，则空腔立面呈波浪状，与高钒索的外表面形状相配合。
4.根据权利要求I所述的弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系，其特征在于，在空腔的内表面或在环向拉索的外表面涂覆有建筑结构胶。
全文摘要
本发明属于建筑结构工程技术领域，涉及一种弦支穹顶结构向心轴关节索杆体系，包括向心关节轴承撑杆上节点、撑杆、不可滑动撑杆下节点。向心关节轴承撑杆上节点包括节点耳板、节点半圆管加劲肋、撑杆耳板、第一向心关节轴承及第一销轴；不可滑动撑杆下节点包括上索夹、下索夹、环向拉索、径向拉杆耳板、径向拉杆、第二向心关节轴承及第二销轴。本发明可消除传统索杆体系在张拉阶段因摩擦产生预应力损失的缺陷，张拉过程中环索与撑杆下节点全程固定，通过撑杆上节点的环向摆动施加预应力。该索杆体系提供了一种全新的张拉环索方式，构造简单，传力明确。
文档编号E04B7/14GK102926494SQ201210473430
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者王小盾, 王哲, 陈志华, 刘红波, 闫翔宇 申请人:天津大学