一种索穹顶结构的制作方法

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其涉及一种索穹顶结构。

背景技术：

索穹顶结构起源于张拉整体结构的思想，后来在此基础上提出了一种张拉整体结构的拓扑形式，构造了一种由连续受拉索和不连续受压撑杆组成的预应力空间结构体系——索穹顶结构。索穹顶结构具有新颖的造型、巧妙的构思、轻巧的自重、快速的施工、经济的造价等优势，具有强大的生命力和广阔的应用前景。

目前，实际工程中的索穹顶结构形式大致分为geiger型(肋环型)索穹顶和levy型(联方型)索穹顶两种结构形式。肋环型索穹顶结构相对较简单，施工相对容易，而且对施工误差不太敏感，但构件间的联系较差，平面外刚度不大，对非对称荷载较为敏感，容易产生失稳。针对肋环型索穹顶的存在的不足之处，将辐射状布置的脊索改成了联方型布置，消除了结构内部机构，增加了的稳定性，但联方型索穹顶的撑杆大多只是环向布置的单根竖向撑杆，彼此之间的联系不够紧密，在不对称荷载作用下有可能失稳。后续针对撑杆形式做出改进，诸如“v形”、“倒v形”等撑杆形式相继被提出，这些结构形式的索穹顶也被证明具有良好的力学性能和稳定性，但这些撑杆形式大多都可被视作平面桁架形式，并不是真正意义上的三维空间桁架。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是目前提出的索穹顶结构的撑杆大多数为“平面桁架”形式，且构件间的联系较差，平面外刚度不足，对非对称荷载较为敏感的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种索穹顶结构，包括由内向外依次同轴设置的中心压杆、内圈支撑构件和外压环梁，所述内圈支撑构件包括环索组件和支撑杆组件，所述支撑杆组件沿所述环索组件连续连接构造，每个所述支撑杆组件均包括两个侧支撑杆和一个中支撑杆，两个所述侧支撑杆与一个所述中支撑杆两两一平面且三者的上端连接形成所述支撑杆组件的上支点，两个所述侧支撑杆的下端分别为所述支撑杆组件的两个侧支点，所述中支撑杆的下端为所述支撑杆组件的下支点，所述侧支点与所述下支点均与所述环索组件连接，所述上支点通过内圈上斜索与所述中心压杆的下端连接，所述上支点通过内圈脊索与所述中心压杆的上端连接，所述下支点通过内圈下斜索与所述中心压杆的上端连接，所述上支点与所述侧支点均与所述外压环梁连接。

其中，所述环索组件包括第一环索，所述第一环索将各所述侧支点依次串接。

其中，所述环索组件还包括第二环索，所述第二环索将每个所述支撑杆组件的所述侧支点与所述下支点串接。

其中，所述下支点与所述侧支点位于同一水平面，且所述下支点与所述中心压杆之间的距离小于所述侧支点与所述中心压杆之间的距离。

其中，还包括位于所述内圈支撑构件与所述外压环梁之间，且与所述中心压杆同轴设置的中圈支撑构件，所述中圈支撑构件包括所述环索组件和所述支撑杆组件，所述中圈支撑构件的上支点通过中圈上斜索与所述内圈支撑构件的侧支点连接，所述中圈支撑构件的上支点通过中圈脊索与所述内圈支撑构件的上支点连接，所述中圈支撑构件的下支点通过中圈下斜索与所述内圈支撑构件的上支点连接。

其中，还包括位于所述中圈支撑构件与所述外压环梁之间，且与所述中心压杆同轴设置的外圈支撑构件，所述外圈支撑构件包括所述环索组件和所述支撑杆组件，所述外圈支撑构件的上支点通过中圈上斜索与所述中圈支撑构件的侧支点连接，所述外圈支撑构件的上支点通过中圈脊索与所述中圈支撑构件的上支点连接，所述外圈支撑构件的下支点通过中圈下斜索与所述中圈支撑构件的上支点连接，所述外圈支撑构件的上支点通过外圈脊索与所述外压环梁的环梁节点连接，所述外圈支撑结构的侧支点通过外圈上斜索与所述外压环梁的环梁节点连接。

其中，所述内圈支撑构件的支撑杆组件与所述中圈支撑构件的支撑杆组件间隔交错设置，所述外圈支撑结构的支撑杆组件与所述内圈支撑构件的支撑杆组件对应设置，所述外压环梁的环梁节点与所述中圈支撑构件的支撑杆组件对应设置。

其中，每个所述内圈支撑构件的上支点分别与其所在间隔位置的两个所述中圈支撑构件的上支点通过所述中圈索脊连接；每个所述中圈支撑构件的上支点分别与其所在间隔位置的两个所述外圈支撑构件的上支点通过所述中圈索脊连接；每个所述外圈支撑构件的上支点分别与其所在间隔位置的两个所述外压环梁的环梁节点通过所述外圈索脊连接。

其中，相邻两个所述环索组件之间的距离沿所述内圈支撑构件至所述外圈支撑构件方向逐渐增大。

其中，所述外圈索脊与所述外压环梁通过锚接连接，所述外圈上斜索与所述外压环梁通过锚接连接。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的索穹顶结构平面投影呈标准圆，中心压杆是承受拉压应力的杆件，支撑杆组件是受压杆件，外压环梁支承于下部主体结构上，采用两个侧支撑杆与一个中支撑杆配合，两两一平面且三者的上端连接形成上支点的三撑杆结构的支撑杆组件，并设置了脊索、下斜索、上斜索，以及环索组件承托固定支撑杆组件，以此将内圈支撑构件由二维空间布置扩展到三维空间布置，将支撑杆形式由平面桁架形式变成了“空间桁架”形式，改善现有的索穹顶结构的撑杆形式以及环索布置方式，在保持传统联方型索穹顶结构优点的同时，大大提高了索穹顶结构的平面外刚度和稳定性，增加了索穹顶的抗侧刚度，使得本发明全张拉自平衡结构体系的索穹顶能够应用于大跨度空间的屋盖结构中。同时中心压杆、内圈支撑构件与外压环梁通过内圈脊索、内圈下斜索和内圈上斜索实现了互锁，本发明索穹顶结构的主要结构的刚度由预应力提供，因此对下部结构的要求较少，同时减小了施工误差的影响，索穹顶结构具有强度高，质量轻、跨度大，经济性好等特点，解决了索穹顶膜材铺设的问题。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例索穹顶结构的结构示意图；

图2是本发明实施例索穹顶结构的主视图；

图3是本发明实施例索穹顶结构的俯视图。

图中：1：中心压杆；2：内圈支撑构件；3：外压环梁；4：环索组件；5：支撑杆组件；6：中圈支撑构件；7：外圈支撑构件；21：内圈脊索；22：内圈上斜索；23：内圈下斜索；31：环梁节点；41：第一环索；42：第二环索；51：侧支撑杆；52：中支撑杆；53：上支点；54：侧支点；55：下支点；61：中圈脊索；62：中圈上斜索；63：中圈下斜索；71：外圈脊索；72：外圈上斜索。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的索穹顶结构，包括由内向外依次同轴设置的中心压杆1、内圈支撑构件2和外压环梁3，内圈支撑构件2包括环索组件4和支撑杆组件5，支撑杆组件5沿环索组件4连续连接构造，每个支撑杆组件5均包括两个侧支撑杆51和一个中支撑杆52，两个侧支撑杆51与一个中支撑杆52两两一平面且三者的上端连接形成支撑杆组件5的上支点53，两个侧支撑杆51的下端分别为支撑杆组件5的两个侧支点54，中支撑杆52的下端为支撑杆组件5的下支点55，侧支点54与下支点55均与环索组件4连接，上支点53通过内圈上斜索22与中心压杆1的下端连接，上支点53通过内圈脊索21与中心压杆1的上端连接，下支点55通过内圈下斜索23与中心压杆1的上端连接，上支点53与侧支点54均与外压环梁3连接。

本发明的索穹顶结构平面投影呈标准圆，中心压杆是承受拉压应力的杆件，支撑杆组件是受压杆件，外压环梁支承于下部主体结构上，采用两个侧支撑杆与一个中支撑杆配合，两两一平面且三者的上端连接形成上支点的三撑杆结构的支撑杆组件，并设置了脊索、下斜索、上斜索，以及环索组件承托固定支撑杆组件，以此将内圈支撑构件由二维空间布置扩展到三维空间布置，将支撑杆形式由平面桁架形式变成了“空间桁架”形式，改善现有的索穹顶结构的撑杆形式以及环索布置方式，在保持传统联方型索穹顶结构优点的同时，大大提高了索穹顶结构的平面外刚度和稳定性，增加了索穹顶的抗侧刚度，使得本发明全张拉自平衡结构体系的索穹顶能够应用于大跨度空间的屋盖结构中。同时中心压杆、内圈支撑构件与外压环梁通过内圈脊索、内圈下斜索和内圈上斜索实现了互锁，本发明索穹顶结构的主要结构的刚度由预应力提供，因此对下部结构的要求较少，同时减小了施工误差的影响，索穹顶结构具有强度高，质量轻、跨度大，经济性好等特点，解决了索穹顶膜材铺设的问题。

其中，环索组件4包括第一环索41，第一环索41将各侧支点54依次串接。每个支撑杆组件的两个侧支撑杆的下端，即两个侧节点均通过拉索连接，各拉索按序首尾连接形成环状的第一环索，对支撑杆组件起到稳定支撑的作用，同时将支撑杆组件连接为一整体，提高索穹顶结构的整体强度及支撑稳定性。

其中，环索组件4还包括第二环索42，第二环索42将每个支撑杆组件5的侧支点54与下支点55串接。本发明的环索组件还包括第二环索，每个支撑杆组件的中支撑杆的下端与两个侧支撑杆的下端，即下支点与两个侧节点分别通过拉索连接形成一个环索单元件，多个环索单元件按序串接形成环状的第二环索，支撑杆组件支撑于第一环索和第二环索两道相邻环索之上，增加了结构的平面外刚度和稳定性。

其中，下支点55与侧支点54位于同一水平面，且下支点55与中心压杆1之间的距离小于侧支点54与中心压杆1之间的距离。本实施例中第一环索与第二环索位于同一平面，侧支点铰接在第一环索上，下支点铰接在第二环索上，支撑杆组件的下支点相比于侧支点更加靠近中心压杆。

其中，本发明索穹顶结构还包括位于内圈支撑构件2与外压环梁3之间，且与中心压杆1同轴设置的中圈支撑构件6，中圈支撑构件6包括环索组件4和支撑杆组件5，中圈支撑构件6的上支点53通过中圈上斜索62与内圈支撑构件2的侧支点54连接，中圈支撑构件6的上支点53通过中圈脊索61与内圈支撑构件2的上支点53连接，中圈支撑构件6的下支点55通过中圈下斜索53与内圈支撑构件2的上支点53连接，中圈支撑构件6的上支点53与侧支点54均与外压环梁3连接。在一个实施例中，内圈支撑构件与外压环梁之间还同轴设置了中圈支撑构件，中圈支撑构件的组成和结构与内圈支撑构件相同，也是由支撑杆组件和环索组件构成，且连接及结构形式也完全相同，中圈支撑构件的上支点和下支点分别通过中圈上斜索与中圈下斜索与内圈支撑构件的侧节点和上支点连接，连接形式为铰接，实现中圈支撑构件与内圈支撑构件之间的连接，中圈支撑构件还与外压环梁连接，从而完成中心压杆、内圈支撑构件、中圈支撑构件和外压环梁之间的整体连接。且中圈支撑构件与内圈支撑构件之间的间距大于内圈支撑构件与中心压杆之间的间距，增强索穹顶结构的整体性，即当索穹顶应用该区域空间跨度大，设置中圈支撑构件进一步为结构提供支撑力。

其中，本发明索穹顶结构还包括位于中圈支撑构件6与外压环梁3之间，且与中心压杆1同轴设置的外圈支撑构件7，外圈支撑构件7包括环索组件4和支撑杆组件5，外圈支撑构件7的上支点53通过中圈上斜索62与中圈支撑构件6的侧支点54连接，外圈支撑构件7的上支点53通过中圈脊索61与中圈支撑构件6的上支点53连接，外圈支撑构件7的下支点53通过中圈下斜索63与中圈支撑构件6的上支点53连接，外圈支撑构件7的上支点53通过外圈脊索71与外压环梁3的环梁节点31连接，外圈支撑结构3的侧支点54通过外圈上斜索72与外压环梁3的环梁节点31连接。在一个实施例中，中圈支撑构件与外压环梁之间还同轴设置了外圈支撑构件，外圈支撑构件的组成和结构与中圈支撑构件和内圈支撑结构均相同，也是由支撑杆组件和环索组件构成，且连接及结构形式也完全相同，外圈支撑构件的上支点和下支点分别通过中圈上斜索与中圈下斜索与中圈支撑构件的侧节点和上支点连接，连接形式为铰接，实现外圈支撑构件与中圈支撑构件之间的连接，外圈支撑构件的侧节点还通过外圈上斜索与外压环梁连接，从而完成中心压杆、内圈支撑构件、中圈支撑构件、外圈支撑构件和外压环梁之间的整体连接。且外圈支撑构件与中圈支撑构件之间的间距大于中圈支撑构件与内圈支撑构件之间的间距，外压环梁与外圈支撑构件之间的间距大于外圈支撑构件与中圈支撑构件之间的间距，增强索穹顶结构的整体性，即当索穹顶应用该区域空间跨度大，设置外圈支撑构件配合中圈支撑构件和内圈支撑构件进一步为结构提供支撑力。

其中，内圈支撑构件2的支撑杆组件5与中圈支撑构件6的支撑杆组件5间隔交错设置，外圈支撑结构7的支撑杆组件5与内圈支撑构件2的支撑杆组件5对应设置，外压环梁3的环梁节点31与中圈支撑构件6的支撑杆组件5对应设置。内圈支撑构件、中圈支撑构件和外圈支撑构件的支撑杆组件个数相同，但三者的支撑杆组件交错设置，即一个内圈支撑构件的支撑杆组件位于其外侧的中圈支撑构件的两个支撑杆组件之间，一个中圈支撑杆构件的支撑杆组件位于其外侧的外圈支撑构件的两个支撑杆组件之间，外压环梁的上具有环梁节点，环梁节点的个数与外圈支撑构件的而支撑杆组件个数相同，一个外圈支撑构件的支撑杆组件位于其外侧的两个环梁节点之间，两个相邻的外圈支撑构件的上支点与在该两个外圈支撑构件之间的环梁节点连接，这两个相邻的外圈支撑构件的靠近的两个侧节点相连接，连接后的侧节点与该环梁节点连接。相互交错设置的内圈支撑构件、中圈支撑构件和外圈支撑构件有利于结构均匀承力，增加结构强度。

其中，每个内圈支撑构件2的上支点53分别与其所在间隔位置的两个中圈支撑构件6的上支点53通过中圈索脊61连接；每个中圈支撑构件6的上支点53分别与其所在间隔位置的两个外圈支撑构件7的上支点53通过中圈索脊61连接；每个外圈支撑构件7的上支点53分别与其所在间隔位置的两个外压环梁3的环梁节点31通过外圈索脊71连接。中间压杆的上端与各个内圈支撑构件的上支点通过内圈索脊连接，相邻的两个内圈索脊呈三角形布置，内圈支撑构件的上支点与其外侧相邻的两个内圈支撑构件的上支点通过中圈索脊连接，以此两条中圈索脊呈三角形布置，中圈支撑构件的上支点与其外侧相邻的两个外圈支撑构件的上支点通过中圈索脊连接，以此两条中圈索脊呈三角形布置，外圈支撑构件的上支点与其外侧相邻的两个环梁节点通过外圈索脊连接，以此两条外圈索脊呈三角形布置，本发明索穹顶结构顶部脊索受张力成形，脊索呈三角形布置，有利于屋顶膜材的铺设。

其中，相邻两个环索组件4之间的距离沿内圈支撑构件2至外圈支撑构件7方向逐渐增大。本实施例中环索组件的宽度由内向外逐渐增大，外圈支撑结构的环索组件的宽度最大，内圈支撑构件的环索组件的宽度最小，本实施例中此宽度是指下支点至两个侧节点连线之间的垂直距离，也是组成第二环索的单元件同一圈环索组件的两道环索之间最大的距离根据支撑杆的长度而定。

其中，外圈索脊71与外压环梁3通过锚接连接，外圈上斜索72与外压环梁3通过锚接连接。除外压环梁上的连接为用锚具锚接，其余各节点之间的而连接均通过铰接完成。

使用时，内圈脊索、中圈脊索、外圈脊索、环索组件、内圈上斜索、内圈下斜索、中圈上斜索、中圈下斜索、外圈上斜索均是预应力拉索。预应力拉索可采用钢丝绳、钢绞线或者galfan索(高尔凡索)；各支撑杆可采用圆钢管。同时，可以根据需要增设多道环索组件及支撑组件的数目，以增大索穹顶跨度。

综上所述，本发明的索穹顶结构平面投影呈标准圆，中心压杆是承受拉、压应力的杆件，支撑杆组件是受压杆件，外压环梁支承于下部主体结构上，采用两个侧支撑杆与一个中支撑杆配合，两两一平面且三者的上端连接形成上支点的三撑杆结构的支撑杆组件，并设置了脊索、下斜索、上斜索，以及环索组件承托固定支撑杆组件，以此将内圈支撑构件由二维空间布置扩展到三维空间布置，将支撑杆形式由平面桁架形式变成了“空间桁架”形式，改善现有的索穹顶结构的支撑杆形式以及环索布置方式，在保持传统联方型索穹顶结构优点的同时，大大提高了索穹顶结构的平面外刚度和稳定性，增加了索穹顶的抗侧刚度，使得本发明全张拉自平衡结构体系的索穹顶能够应用于大跨度空间的屋盖结构中。同时中心压杆、内圈支撑构件与外压环梁通过内圈脊索、内圈下斜索和内圈上斜索实现了互锁，本发明索穹顶结构的主要结构的刚度由预应力提供，因此对下部结构的要求较少，同时减小了施工误差的影响，索穹顶结构具有强度高，质量轻、跨度大，经济性好等特点，解决了索穹顶膜材铺设的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。