专利名称：一种竹制空间双层穹顶结构的制作方法
技术领域：
本发明属于土木工程领域，涉及一种适用于大跨度屋盖结构的新型竹制空间双层穹顶的结构形式、节点连接及其安装方法。
背景技术：
目前，我国建筑业的主要材料以钢材和混凝土为主，无论是钢构件的工厂预制还是混凝土构件的现场浇筑，均属高耗能、高污染的产业，不符合国家和社会可持续发展的目标。近年来，随着低碳环保建筑概念的提出，生态建筑结构日益受到社会的广泛关注。木结构虽然符合生态环保建筑的要求，但我国森林资源日益匮乏，且林木成材周期长，导致建筑用原木材料来源极为有限，因此难以大力推广。而同样作为天然建筑材料，我国的竹材资源却十分丰富，且竹子繁殖能力强、成材周期短、材质优良，可为竹结构的大量建造提供充足的原竹材料来源。因此，开发和利用竹材资源，将竹材广泛应用于建筑结构领域是实现建筑环保、保障经济社会可持续发展的重要举措。与现有的混凝土结构、砌体结构和钢结构相比，竹结构具有以下优点:(1)原材料来源广泛，结构造价低廉；(2)由于竹材质量轻、韧性好、强度高，因此竹结构具有非常良好的抗震性能；(3)竹结构设计简洁美观、施工方便快捷，有利于缩短工期、降低施工费用，能够满足一些特殊场合(如灾后救援)快速建造的需要；(4)竹材是绿色材料，生产过程环保无污染，因此竹结构 也是绿色建筑。上述优点使得竹结构的研究和应用在近年来得到了较大的发展。然而，目前在工程中应用的竹结构主要以跨度较小的单层或多层住宅为主，且多采用对毛竹纤维进行胶水浸泡和高压成型的竹胶板作为原材料。这类竹胶板虽以毛竹为原材料，但在加工过程中加入了大量含甲醛和苯酚等成分的化学胶，因此生产过程及建成后都易于产生一定程度的环境污染，降低了竹结构的绿色环保性能。且竹胶板虽易制作成墙体或楼板等构件应用于房屋住宅结构，但难以在一些特殊形式的空间结构(如穹顶)中使用。而在一些公共建筑中(如影剧院、大型会场、展览中心等)，大跨度的空间结构形式具有较大的需求。本发明针对上述问题，提出一种主要利用毛竹筒制成的空间双层穹顶结构形式、节点连接技术及其安装方法。
发明内容
技术问题:本发明提供一种可增强整体结构刚度、维护和修复简便的竹制空间双层穹顶结构。
技术方案:本发明的竹制空间双层穹顶结构，包括上层网状竹结构、位于上层网状竹结构下方的下层竹拉杆体系和连接上层网状竹结构与下层竹拉杆体系的竖向撑杆；上层网状竹结构包括中心节点、至少两圈由环向杆件首尾连接而成的环形构件，中心节点通过径向杆件与最内层环形构件的节点连接，相邻两圈环形构件之间通过径向杆件连接。下层竹拉杆体系包括至少一个由环向拉杆首尾连接而成的环形拉杆体系，环形拉杆体系对应设置在上层网状竹结构的环形构件下方，每个环形拉杆体系的节点与所对应环形构件的节点通过竖向撑杆连接，每个环形拉杆体系的节点与向外一圈的环形构件的节点通过径向拉杆连接。本发明所有受力杆件均采用毛竹筒制成，分为上下两层:上层为由多根环向竹杆和径向竹杆通过预制节点连接而成的网状结构，为穹顶结构的主体受力部分；下层则为竹拉杆体系，通过节点处的竖向撑杆为上层网状结构提供支撑。节点连接件采用预制钢构件，所有竹杆通过螺栓与节点钢构件可靠连接，从而形成稳固的空间竹结构受力体系。本发明中，上层网状竹结构是空间结构的主要受力部分。在竖向荷载的作用下，径向杆件承受较大压力，将大部分荷载传递至支座节点；环向杆件则对径向杆件构成了稳定的侧向支撑，其拉力形成的闭合拉力环，为上层网状结构的整体性提供了良好的环向套箍作用。当承受风吸力荷载时，径向竹杆受拉，而环向杆件所受的压力则形成稳定的闭合压力环，有利于防止结构被风吸力掀起而导致破坏。本发明中，在竖向荷载作用下，环形构件的节点向下变形，推动环形拉杆体系的节点亦随之变形，从而带动径向拉杆和环向拉杆产生较大拉力。下层拉杆体系的存在丰富了结构的荷载传递路径，除原有在上层网状结构内部通过径向杆件和环向杆件传递荷载的方式外，增加了如下途径:荷载一上层网状结构一下层内圈拉杆一上层网状结构一下层外圈拉杆一支座。荷载传递途径的增加，减小了上部网状结构的受力，提高了整体结构的刚度。竖向撑杆:竖向撑杆通过环形构件节点与上层网状竹结构相连，通过环形拉杆体系节点与下层竹拉杆体系相连，是形成空间双层结构体系的关键构件。在竖向荷载下，竖向撑杆承受较大压力，为上层网状结构提供弹性支撑，从而增强整体结构的刚度。此外，竖向撑杆在端部通过耳板螺杆与上下节点连接件的中心环相连，可通过旋转螺母调节竖向撑杆长度，以对整体结构施加适量的预应力，进一步增强结构的整体性和刚度。节点预制钢构件:是连接所有受力竹杆的关键部件。根据与之相连杆件的种类或数量，可区分为:中心节点、靠内环形构件节点、靠外环形构件节点、支座节点以及环形拉杆体系节点。中心节点预制钢构件由中心环与耳板构成，耳板焊接在中心环上并钻两排孔。而所有竹杆在端部连接长度范围内也在相应位置进行钻孔，安装时则通过螺栓可靠连接于节点耳板上。支座节点在中心节点的基础上在底部焊接了带孔底板，可通过螺栓连接于底部支撑结构的预埋件上。靠内环形构件节点、靠外环形构件节点和环形拉杆体系节点的中心环与中心节点的中心环类似，但在与竖向撑杆相连的方向预留了孔槽，竖向撑杆的端部耳板通过其螺杆旋进孔槽，并可通过旋转螺母调节竖向撑杆的长度以对结构施加预应力。
有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
本发明结构主体受力构件均采用未经化学加工的毛竹筒构件，材料来源广泛，价格低廉，且整体结构中未添加任何化学胶或砂浆、混凝土等对环境具有污染的材料，因此整体结构在建造过程中和建成后对环境污染小、能耗低，是符合低碳环保概念的低成本绿色生态建筑； 本发明在多根竹杆汇交的节点处采用特殊形式的预制钢构件进行连接，改善了节点区受力性能，增强了节点连接的整体性和可靠性；同时节点连接预制钢构件能够循环利用，有利于降低结构的建造成本；
本发明通过下层竹拉杆体系对上层主体竹网结构进行加强，改善了结构受力性能，提高了结构刚度，增强了结构的跨越能力，使得该类型竹结构能被广泛应用于影剧院、大型会场及展览中心等大空间建筑中。本发明的结构中的竖向竹撑杆端部的连接耳板通过螺杆与节点连接件中心环的孔槽相连，并可通过旋转螺母调节竖向竹撑杆的长度，从而在整体结构正式投入使用前施加一定程度的预应力，充分发挥竹结构韧性较强的优势，使上层网状结构与下层竹拉杆体系的连接更为紧密，进一步增强整体结构刚度。本发明结构杆件众多，结构安全冗余度大，结构在使用过程中或在地震等灾害荷载作用下，个别杆件的开裂、损伤甚至破坏对整体结构的安全性影响较小；同时，由于各杆件均通过螺栓与节点连接件单独相连，因此在对结构进行修复时，只需对受损的杆件进行替换，使得整体结构的维护和修复非常简便。本发明所采用的竹杆与节点连接件均可在工厂进行预制加工，到现场后便可直接进行拼装，现场无需砂浆搅拌、混凝土浇筑或钢材焊接，因此建造速度快，同时拆除亦较为简便，可广泛用于一些大型展览或灾后修复工程中的临时建筑。
图1为整体结构的三维 图2为上层网状结构俯视 图3为整体结构正视 图4为环形构件11俯视 图5为竹拉杆体系20俯视 图6为中心节点10的三维示意 图7为靠内环形构件节点的三维示意 图8为靠外环形构件节点的三维示意 图9为支座节点的三维示意 图10为环形拉杆体系节点的三维示意 图11为竖向撑杆30及其端部连接的平面示意；
图12为竖向撑杆30及其端部连接剖面示意 图13为带孔槽中心环44的剖面示意 图14为带孔底板49的平面不意图。
图15为全部竹杆的钻孔平面示意图。图中有:中心节点10 ;环形构件11 ;环向杆件12 ;径向杆件13 ;环形拉杆体系20 ；环向拉杆21 ;径向拉杆22 ;竖向撑杆30 ;不带孔槽的中心环41 ;耳板42 ;孔槽43 ;带孔槽的中心环44 ;竖向撑杆端部耳板45 ;旋转螺母46 ;竹杆件螺栓孔47 ;螺栓48 ;带孔底板49。
具体实施例方式下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步具体说明。本发明的竹制空间双层穹顶结构，包括上层网状竹结构、位于上层网状竹结构下方的下层竹拉杆体系和连接上层网状竹结构与下层竹拉杆体系的竖向撑杆30。上层网状竹结构包括中心节点10、至少两圈由环向杆件12首尾连接而成的环形构件11，中心节点10通过径向杆件13与最内层环形构件11的节点连接.中心节点10由耳板42焊接于中心环41而组成，径向杆件13 —端通过螺栓48与中心节点10的耳板42连接，径向杆件13的另一端通过螺栓48连接于最内环形构件11的节点的耳板42上，相邻两圈环形构件11之间采用类似的方法通过径向杆件13连接。下层竹拉杆体系包括至少一个由环向拉杆21首尾连接而成的环形拉杆体系20，环向拉杆21通过螺栓48连接于环形拉杆体系20的节点的耳板42上。环形拉杆体系20对应设置在上层网状竹结构的环形构件11下方，每个环形拉杆体系20的节点与所对应环形构件11的节点通过竖向撑杆30连接，竖向撑杆30两端分别通过螺栓48连接于上下两个节点的竖向撑杆端部耳板45。每个环形拉杆体系20的节点与向外一圈的环形构件11的节点通过径向拉杆22连接，径向拉杆22的两端分别通过螺栓48连接于两节点的耳板42。本发明的加工制作工序:
(O制作中心节点10的预制钢构件:制作中心环41的实心圆柱体；制作耳板42并在相应位置钻孔；将耳板42焊接于中心环41的实心圆柱体上；
(2)制作靠内环形构件节点、靠外环形构件节点和环形拉杆体系节点的预制钢构件:在实心圆柱体上加工孔槽43及其内螺纹，制作带孔槽的的中心环44 ;制作耳板42并在相应位置钻孔；将耳板42焊接于带孔槽的的中心环44上；制作竖向撑杆端部耳板45、旋转螺母46及其螺杆；
(3)制作支座节点的预制钢构件:制作中心环41的实心圆柱体；中心环41下部焊接钢底板并钻孔；制作耳板42并在相应位置钻孔；将耳板42焊接于中心环41的实心圆柱体上；
(4)制作竹杆:在毛竹筒杆件的端部连接位置钻螺栓孔47。本发明的结构安装工序:
(O根据结构跨度、荷载等设计条件确定竹杆及节点连接件尺寸；
(2)在工厂加工制作节点连接件及各受力竹杆；
(3)搭设最外围支座节点的支撑结构，并在支座节点的相应位置预埋钢板；
(4)在上层网状竹结构中心节点10、靠内环形构件节点、靠外环形构件节点下搭设临时支架；
(5)安装支座节点:将支座节点预制钢构件的带孔底板49通过高强螺栓连接于外围支撑结构的预埋底板；
(6)安装支座处环向杆件12:将加工好的环向杆件12通过螺栓48连接于支座节点的耳板42 ；
(7)依次安装靠内环形构件节点、靠外环形构件节点，并将相连环向杆件12、径向杆件13通过螺栓连接于靠内环形构件节点、靠外环形构件节点的耳板42上； (8)安装中心节点10，并将相连径向杆件13全部通过螺栓连接固定于中心节点10的耳板42上，完成上部网状结构的安装；
(9)将竖向撑杆30的两端通过螺栓48连接于端部耳板45，将旋转螺母安装于耳板45的螺杆上，并将顶部的螺杆旋入靠内环形构件节点、靠外环形构件节点的中心环44的孔槽43中；
(10)竖向撑杆30底部连接于环形拉杆体系节点的中心环44的孔槽43中，并按照自外而内的顺序，依次将径向拉杆22和环向拉杆21通过螺栓连接于节点的耳板42上，完成下层竹拉杆体系的安装；
(11)通过旋转螺母46调节竖向撑杆长度，对整体结构施加一定程度的预应力，使上下结构紧密联系；
(12)拆除靠内环形构件节点、靠外环形构件节点下的临时支架，完成整体结构的安装。
权利要求
1.一种竹制空间双层穹顶结构，其特征在于，该结构包括上层网状竹结构、位于所述上层网状竹结构下方的下层竹拉杆体系和连接所述上层网状竹结构与下层竹拉杆体系的竖向撑杆(30)； 所述上层网状竹结构包括中心节点(10)、至少两圈由环向杆件(12)首尾连接而成的环形构件(11)，所述中心节点(10 )通过径向杆件(13 )与最内层环形构件(11)的节点连接，相邻两圈环形构件(11)之间通过径向杆件连接； 所述下层竹拉杆体系包括至少一个由环向拉杆(21)首尾连接而成的环形拉杆体系(20),所述环形拉杆体系(20)对应设置在上层网状竹结构的环形构件(11)下方，每个环形拉杆体系(20)的节点与所对应环形构件(11)的节点通过竖向撑杆连接，每个环形拉杆体系(20)的节点与向外一圈的环形构件(11)的节点通过径向拉杆(22)连接。
2.根据权利要求1所述的竹制空间双层穹顶结构，其特征在于，所述的上层网状竹结构中每个环形构件(11)的环向杆件(12)的数量，与下层竹拉杆体系中每个环形拉杆体系(20)的环向拉杆(21)的数量相同，每个所述环形构件(11)包括至少三根环向杆件(12)。
全文摘要
本发明公开了一种竹制空间双层穹顶结构，包括上层网状竹结构、位于上层网状竹结构下方的下层竹拉杆体系和连接上层网状竹结构与下层竹拉杆体系的竖向撑杆；上层网状竹结构包括中心节点、至少两圈由环向杆件首尾连接而成的环形构件，中心节点通过径向杆件与最内层环形构件的节点连接，相邻两圈环形构件之间通过径向杆件连接。下层竹拉杆体系包括至少一个由环向拉杆首尾连接而成的环形拉杆体系，环形拉杆体系对应设置在上层网状竹结构的环形构件下方，每个环形拉杆体系的节点与所对应环形构件的节点通过竖向撑杆连接，每个环形拉杆体系的节点与向外一圈的环形构件的节点通过径向拉杆连接。本发明结构可增强整体结构刚度、维护和修复简便。
文档编号E04B7/08GK103147532SQ20131009334
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者周臻, 朱松松, 马媛媛, 冯玉龙, 董一桥, 文永逸 申请人:东南大学