空间桁架拱顶的制作方法

专利名称：空间桁架拱顶的制作方法
技术领域：
本发明涉及空间桁架拱顶，具体地说，涉及这样的结构桁架装置，它包括一批稳定的模件，这些模件可以有效地互连，以确定一个可作多种应用的桁架系统。
尽管现有的空间桁架已然用于多种结构，但这里主要在大跨度拱顶的范围内叙述，因为这类大跨度拱顶是最早设想到并已有发展的。下面将在这一范围内描述本发明，并讨论它对其它各种结构的应用。
本发明的所有者(即Temcor of Carson，加州，美国)已开发了三种轻型的、结实的、结构上有效的拱顶。
按照实际上跨度范围提高的秩序排列，它们是网格球式(相应的美国专利号为3026651、3058550、3063519与3194360)、多框架拱顶式(相应的美国专利号为3909994)以及Richter拱顶式(有关的专利是美国专利4611442号、加拿大专利1268917号与英国专利2194735号)。现有的空间桁架已实际应用于采用了多框架拱顶设计原理的拱顶。
按照美国专利3909994号所述，球形弯曲拱顶或具备其它所需曲率拱顶的主表面，经三角剖分成面积基本相等的一些三角形区，这些区主要是等边三角形区。拱顶表面完全为这些三角形区覆盖。在实际拱顶邻区间的边缘是由横剖面最好与工字梁的类似的结构支柱件所确定。在这些三角区的毗邻角处，将一批支柱相互连接成毂式的结节;在拱顶的周边内，通常是五或六根支柱连在一个结节上。互连的支柱间的孔口是由金属片盖板封盖，这些盖板最好是在它们所连接的支柱之间张紧。上述支柱、结节毂盘与盖板最好用相似的金属通常是铝来确定。
与用来确定拱顶的结构系统无关，拱顶本身会受到某种程度的所谓“突塌”的麻烦现象的影响。当拱顶上的载荷大到使拱顶反向弯曲而成为凹向上不是凸向上，至少是在它的一部分区域上是如此时，上述突塌现象就会发生。当风、雪或冰等自然负荷加到拱顶上时;当由于有照明装置、记分板、音响设备、气候控制设备、狭窄的梯道等从拱顶内部悬挂下来而加重负荷达到临界水平时，就会形成上述导致突塌的载荷。对于大直径的浅的(高度较低的)拱顶，突塌现象会是一个较小直径组有较高拱顶更为严重的问题。随着从拱顶的顶端到它的周边，拱顶对突陷的稳定性是越来越大的，因为在周边处的拱顶结构件要比在拱顶顶部邻近处的结构件更为直立。
在一个拱顶中来防止突塌的一个显而易见的方法是，使拱顶的构件足够结实来防止突塌。这种方法需要在整个拱顶上或在拱顶上最易受突塌影响的区域上，采用有较大剖面模数(即深度)之支柱的拱顶结构。要是整个拱顶都采用较强的支柱，则绝大部分拱顶都将是超裕度设计的，拱顶将会比为有效地处理突塌问题实际所需的重量较重，费用也较高。若将较强的(也即较深的)支柱限用于拱顶上最易发生突塌的部分，则业已发现，这要求在拱顶上需要连接起不同深度之支柱的地方采用复杂和价昂的毂结构。据此可以看到，用来防止拱顶突塌的传统方法是有着种种不足之处与缺点的。
这样，显然需要为具有当前所用的这种结构框架系统的拱顶，找到一些能克服已知防突塌法的缺点的结构布置与方法。
本发明的意义即在于解决上面指出的这种需要。为此，本发明提出一种空间桁架系统，它对于有关主表面为弧形的结构特别有用。这种桁架系统由于它的高效性据认为是具有很广的用途的，但是，特别适用于这样一种拱顶框架系统;其中由结构件所确定的拱顶支柱具有类似于工字梁的横剖面构型。
一般地说，在本发明的一种结构形式中，此种桁架式结构的一个主表面具有由主构件确定的所需曲率。由这些在会合点相互连接而将此主表面细剖分成一批嵌套式主三角区的主构件则构成了一个主结构格栅。上述桁架是存在于主表面中央部分邻近，而这一中央部分则是朝着向内方向与主表面的周边相分开的。上述桁架包括一由副构件组成的副结构格栅。这些副构件配置在一副表面上，此副表面与主表面相分开，而其曲率中心则可与主表面的基本相同。这些副构件在它们于副表面上的连接部处形成了一批相互连接的和非嵌套的副三角区，它们在数量上与主三角区相当。每个副三角区有一个角基本上同它所对应的主三角区的相对边的中部相关联。这种桁架还可以包括一批使主与副格栅相互连接的构件。这些构件是成对相关的，并将副格栅中的每个连接部结合到主构件上与此连接部在空间上最紧密相关的端点上。
本发明在作业方面的一个实施例提供了一种有效的方法，可用它来确定出一个大跨度的拱顶，此拱顶具有一个所需曲率的主表面，并且是由一批在此整个主表面上于相分开的会合处相互连接的结构支柱所构成的一个基本网络所形成。本方法包括有采用在整个网络上具有基本一致之横剖面尺寸与形状的支柱来确定主网络的步骤。此方法还包括有这样的步骤参考拱顶周边上及其邻近处的网络支柱有可能遇到的载荷和载荷方式，来确定支柱的横剖面尺寸与形状。此方法进一步包括有这样的步骤将此网络增补到带有一桁架系统之拱顶的所选择的中央区域上，此桁架系统是在拱顶之内并与该网络相连接，且其结构强度能与此，网络的相邻部分相组合，以有效地经受住或能导致此网络突塌的预期载荷。
本发明上述的和其它的特点将列出在下面描述的本发明最佳的和其它的实施例中，此描述则是参考以下附图给出的，在这些附图中

图1是一个拱顶的示意性纵剖面图，此拱顶在内部是由本发明的一种空间桁架装置支承在它的一个选择部分之上;
图2是图1中所示桁架支承的拱顶一部分的示意性局部透视图;
图3是图2所示的拱顶与桁架装置的局部纵剖面图;
图4是沿图3中之4-4线截取的放大纵剖面图;
图5示意地表明了图2中所示空间桁架的一种八面体模件，图5中包括有符号，表明此八面体模件的若干个三角形面，它们在图5中以不同的线道表明，加以区别;
图6是图2中所示的空间桁架中副支柱构件与其它支柱件的连接位置的局部透视图;
图7是图1中之拱顶的若干个重复部段之一的示意图，表明了此拱顶中构件的布置以及它们在主构件格栅中的会合合点;
图8是与图7的类似图，涉及到图7所示之拱顶的同一个扇形部，表明了图2所示桁架布置的一个副构件格栅中的构件配置及其连结形式;而图9示意地将图7与8综合地表示为此拱顶的同一部段的局部顶视平面图。
下面描述供说明目的的实施例。
图1是一个大跨度拱顶10的示意性纵剖面图，此拱顶有一支承表面11，拱顶内封闭一空间12。拱顶有一选定了曲率的主表面13，此主表面的曲率在本用于说明性的例子中取定为球曲率。图7是拱顶10的若干个重复性部段中之一的顶视平面图。在图7中，位置14表示的是此拱顶在它的垂直对称轴线上的顶点。
拱顶10的基本曲率最好根据美国专利3909994号所述，由主构件与封盖板的组合件来确定。因此，如图2、3与7所示，拱顶式的基本形式是由一主构件支柱15确定，这些支柱15相互连接在由毂组件17所定出的会合点16处。支柱15与会合点16经安排成，使得拱顶表面13能被这些支柱进行三角剖分;这就是说，此拱顶表面被剖分成一批嵌套的三角形区19，它们如图7的平面图所示，最好取等边三角形构型。这样，构成此拱顶10基本形状的这批主构件便相互连接起，而确定一个其中有三角形孔19的主结构格栅20。这些三角形孔由盖板21封闭，盖板的一些表示于图2中。如图4所示，此拱顶的若干个主构件支柱15最好具有类似于工字梁的横剖面构型，因而具有平行的顶法兰23与底法兰24，它们由腹板25所分开并连接起，这些腹板则基本上处在一垂直于此相关的平行的顶、底法兰的平面中。拱顶之主格栅20中的各个支柱例如通过螺栓26相互连接到毂组件17上，分别构成适当加圆碟形上、下联结板27、28。例如参看图4。所有的支柱15均具有相同的深度、基本相同的横剖面构型与尺寸。
如图1所示，确定出拱顶10主表面13的拱顶之主结构格栅，为一在拱顶上中央部分之内桁架系统30所补充与增强。在图1中，为便于说明，将桁架从主格栅20向内的深度加以扩大。此桁架确定出一个与拱顶主表面13相分开的在内部拱顶副表面31。如图1所示，表面31与表面13相分开的状态呈一种一致的或平行的间隔，而这两个表面具有相同的曲率中心，不过表面13的曲率半径较表面31的为大。
图2与8表明，桁架30是由两种构件所组成一种是桁架件33，它们处在副表面31内，在连接部处34适当地连接成拱顶中的副结构格栅35;另一种是连接件36，它们从结构上将副格栅35结合到主格栅20之上，并在连接部处34与相关会合16之间延伸，如下面所述。图7只示明了支柱15和它们在格栅20结构网络中的会合点。图8所涉及的是图7中的拱顶10的相同部段，但只表明桁架件33与它们的连接部34相对于拱顶轴14的正确空间关系。图9综合了图7与图8，事实上是把图7叠加到图8上，使位置14对准。由于图7与图8都是平面图，它们相组合的结果，当人们从拱顶轴线14走向拱顶周边37时，能愈益表明出球面13与31之间的空间效应。
图7表明了拱顶的主支柱15，它们处在拱顶的主表面13上，由于它们实际上安排成使得此表面剖分成一批完全嵌套的三角形区域19，便将此表面完整地三角剖分完。区域19完全覆盖住表面13。与此相反，如图8所示，处在拱顶副表面31中的桁架件31则只是使此表面部分地三角化;它们在平面31中形成一批角连角但不是边连边的三角形区域38，因而形成一个阵列的相连但不嵌套的三角形区域38。这些区域38在周边42内的副格栅35中环绕并界定出六边形区域50与五边形区域51。
副格栅35中三角形区域38的个数与主格栅20中为格栅35所对之部分中三角形区域19的个数相同。
当如图9所示，从平面图来一并看上述两个格栅时，可以看到，每个副格栅三角形区域38对应于一个相关的主格栅三角形区域19，且此二者间有一特殊关系。当三角形38垂直投影到它对应的主三角形19的平面上时，每个三角形38的角处在相对应的主三角形19相关边的大致中部处。这就是说，当直接从上方来观察各个主三角区19时，副三角区在该主三角区下的边部便似乎与主三角区19边部的中点相连接。这样，每个副三角形区所具有的面积基本上相当于它所对应的主三角形区的面积。如图2所示，桁架连接件是成对地按发散关系，从副格栅35中的每个桁架件连接部34处延伸到中点处在此连接部34附近的主支柱15相对端处的会合点。根据图2中的例子，桁架件33之副格栅的连接部34′处于从主支柱15′的中部沿径向朝向拱顶的内部的地方，而从连接部34′发散出的连接件36则排列或延伸到支柱15′相对端的会合点16处。图9中是看不到连接件36的，因为它们为支柱件15所掩盖。
由图5所示的另一种方式来观察，桁架系统30可以视作为由相互连接的几何模件40构成，每个模件呈八面体的几何构型，有两个相分开的三角形面和另外六个设在它们之间并与它们相连接的六个三角形面。这样，如图5所示的模件40，它有一个具有角A、B与C的主三角面和一个具有角D、E与F的副三角面。面ABC与DEF相互分开;它们分别对应于拱顶主结构格栅20中的一个主三角形区域19和拱顶副格栅35中的副三角形区域38。点D、E与F处在主面ABC的各个边AC、BC与AB的中垂线上;当面DEF的周线垂直投影到平面ABC上时，点D、E与F则看起来基本上是分别处在主面的边AC、BC与AB的中点处。面DEF的面积基本上是面ABC面积的四分之一。
此外，模件40有三个第三级的面ACD、BCE与ABF，每一个这样的面包括主面的一个相应边和副面的一个相应角。此模件还另有三个面ADF、BEF与CDE，每一个这样的面则包括副面的一个相应边和主面的一个相应角。当这一模件在结构上体现到桁架系统30中时，模件主面的每一条边是由相应的支柱15界定，而主面的每个角对应于一个会合点16，模件副面的每条边是由桁架件33界定而副面的每个角对应于一支柱连接部34，此模件的其余六个边则由连接件36确定。在此桁架系统中，相邻的模件是在相邻的三级面处相贴合。这样，在一对相邻贴抵模件的结构实施例中，两个相邻的模件便公用一个支柱15和它的端部会合点16、支柱件连接部34、以及将此连接部34连到那些会合点16上的两个连接件36。
在此，如图中绘出的拱顶10的情形，此模件的主面与副面的几何构型基本上是等边三角形，在拱顶周边37之内的各会合点16处连接着六个(通常)或五个(有时)模件(支柱)，同时有四个桁架件33从结构上连接在桁架系统周边42(图8)内拱顶副格栅35的各个连接部34上。
由上述的原理与几何关系获得了一个用于拱顶10主结构格栅的桁架系统30，它能够简便而经济地制造与组装。此主结构格栅20是由横剖面形状与尺寸一致(最好是如上所述取工字梁形式)的支柱15构成。副格栅35可以由横剖面形状与尺寸适当和一致的构件，例如最好是由T形件或角材构成。桁架连接件36原则上可以由横剖面形状与尺寸一致的构件，例如最好是由管件构成。在相关的连接件与桁架件之间来形成连接部34时可以通过下述方式来有效地实现，即用螺栓44将桁架件33的端部与在连接件36端部上的螺栓垫45，连接到最好是圆形且基本上是平整的螺栓板46(图6)上，此板46采用易于确定出的螺栓孔分布图案。或者可把一对发散开的连接件36在制造部门就焊合到它们相关的螺栓板46(见图3)上，以之作为一个预制的子组件，而在拱顶的组装与竖立现场，将相关的桁架件33用螺栓连接到此子组件上;这类子组件易于从拱顶部件的制造地运送到拱顶的装配现场。
同时，利用将支柱法兰连接到撑板上的同一批螺栓26，可把装配在支柱会合点毂组件17上的连接件36的端部，通过将螺栓垫47固定到底撑板28上而夹紧到此板与拱顶支柱15的下部法兰24相对的一侧上。参看图4。这样，可以把原先用于美国专利3909994中之拱顶的相同撑板的螺栓孔分布形式，用来限定本发明的由桁架支承的拱顶。它的制造与组装效益是显而易见的。
桁架系统30的一个特征是，使桁架件相互关联的以及使连接件与桁架件和拱顶支柱相关联的所有角度，都是在二维平面内而不是在三维空间内界定的。这样，在设计这种作为拱顶主结构网络的配件与增补件的桁架系统时，只需要处理平面角度而不必考虑立体角。连接件是处在它们最密切关联的拱顶支柱件之腹板的平面内。装荷可有效地在支柱15之主结构网络的与毂组件17的部件以及桁架系统的部件之间，也即在连接件与桁架件以及它们的连接部分之间进行传递。使支柱件可能破坏或不能绕其中心轴绕扭曲的装荷已减到最小。结果，拱顶的主结构网络20便可以由尺寸与重量参考此拱顶无桁架支持外部中的支柱有关的载荷与装载方式的支柱来确定。迄今为止，都是与拱顶中央部分之支柱件有关的载荷和装置方式决定着整个拱顶之支柱件的尺寸与重量。在这样的情形下，在整个拱顶上采用横剖面相同的支柱件就会导致拱顶中邻近其周边的外部属于超裕度设计(即过重与用费过多)。
显然，本发明的这种空间桁架能够经济地设计、制造和装配已知的各种拱顶，而它的设计过程则能与此设计过程有关的其它课题相独立地来处理突塌问题。突塌的课题，通过对于为拱顶的主结构13提供主结构网络而设计出那种内部桁架增补件，在实质上已完全解决了。
尽管在上面的描述中涉及到的拱顶具有一个沿径向与拱顶主表面13分开一恒定距离的副表面13(这两个表面相对于一共同的曲率中心是同心的)，但在实施本发明时并不要求这样一个关系。必要时，此副表面到主表面的间距可以处处不等的。这种桁架系统相对于拱顶主结构格栅的深度，在拱顶的顶部可以较在此桁架系统周边42处为深，这是因为有了一个平的副的表面或是有了一个其曲率半径较图1所示之半径较大的表面。
本发明的空间桁架系统还能用于主表面的弯曲程度不同于球面情形的拱顶，例如具有椭球或柱形弯曲主表面的拱顶。此外，本发明的空间桁架系统也可用于异于拱顶的结构，例如具有平整的或简单弧形主表面的桥状结构。
对于熟悉与本发明有关技术、科学与工艺的人来说，应和上面就本发明现行最佳的和其它结构性与程序性实施例所作的描述，是以举例方式给出和用于解释目的的，而不是当作为能够实施本发明的全部结构性与程序性方法和形式的搜罗穷尽的总汇。这些人还应知道，在不偏离但是是应用本发明的原理的前提下，是能够对所述装置与方法作出种种变动的。因此，本发明后附的权利要求书与各种限定是在能给出最广范围与最广释义下给出，并能充分保证在本发明投入实用时，与现有的相关技术状态是一致的。
权利要求
1.一种拱顶，它在其周边之内具有一个所需三维曲率的主表面，同时包括a)由一批主构件形成的一个主结构格栅，这些主构件在其会合点处相互连接，确定出一个主表面并将此主表面剖分成一批嵌套式的主三角区，而且这些主构件是以基本一致的深度在整个主格栅上垂直于此主表面；b)一个副结构格栅，它由位于一副表面上之副构件组成，此副表面在面积上显著地小于主表面并与主表面的至少一部分与相分开且相对，而这一部分则是朝内与主表面之周边相分开的，上述副构件在它们的连接部之间于副表面中组成一批相互连接但非嵌套式副三角区，其数量与主表面上述部分中的主三角区的数量相符，每个副三角区有一个角与其对应的主三角区的对应边之中部基本上相关联；以及c)一批与上述主、副格栅相互连接的结构件，这些结构件以成对的形式关联，在第二格栅的连接部于空间中最密切相关的主构件端部处，将各个副格栅的连接部与主格栅的会合部相结合。
2.如权利要求1所述的设备，特征在于所说主构件具有一批腹板，在各个腹板所在的上述主要面内或部分内的平面中;基本上包括在对应副三角区的一个对应角，而前述的连接到各个主构件上的结构件则基本处在该主构件的腹板的平面中。
3.如权利要求2所述设备，特征在于每个腹板有一个朝向副表面的边，终止于一个大致与此腹板垂直的法兰上，在所连接的主构件之间的各个会合处包括有一块板，用来通过螺栓将这些主构件的法兰连接于其上，而将这些主构件与上述会合处连接时所用到的螺栓也同时将这些主构件连接到上述板上。
4.如权利要求2所述设备，特征在于其中所说的结构件是管件。
5.如权利要求1所述设备，特征在于所说的副表面是与拱顶的主表面均一地间隔开。
6.如权利要求1所述设备，特征在于前述连接在主格栅与副格栅间的结构件是用螺栓连接到主构件上。
7.如权利要求1所述设备，特征在于在前述拱顶主表面的这一部分内，主构件界定出一主三角区而副构件则界定出一与该主三角区相对应的副三角区，同时，与该主三角区和副三角区相关联的这对结构件则包括一桁架模件，此拱顶在其所说主表面的这一部分内则包括一批邻靠的桁架模件，其中每两个邻靠的模件公用一个主构件和在其端部的两个会合处;在副格栅中的一个连接部，以及将此副格栅连接部与那两个主格栅会合部相连接的这对结构件。
8.确定一种大跨度拱顶的方法，此拱顶具有一个由主网络界定出所需曲率的主表面，此主网络则包括一批相互连接在此整个主表面上分开的各个会合点处的结构支柱，上述方法包括以下步骤a)由横剖面尺寸与外形在上述整个网络上都基本一致的支柱来确定这一主网络;b)参考这些网络支柱在拱顶的周边上及其邻近处可能遇到的载荷和加载荷方式，来确定上述横剖面的尺寸与外形，以及c)由一桁架系统将上述网络增补到拱顶的一个选定的中央区上，此桁架系统是在拱顶内部连接到此网络上，而它的结构强度能与此网络相邻部分的结构强度相结合，以有效地承受可能导致此网络产生突塌的载荷。
9.如权利要求8所述方法，特征在于所说主网络将主表面剖分成一批主三角区，在三角区的每个角上有一批支柱的会合部，此方法还包括如下步骤将前述桁架系统确定为一种副结构格栅，它包括一批配置在与前述主表面相分开的副表面上的副构件，这些副构件在此副表面中于其连接部之间形成有一批副三角区，它们在数量上与拱顶的所选择之中央区中的主三角区相当，每个副三角区有一个角基本上与它所对应之主三角区的对应边的中部相关联同时用一批结构件将此主网络与副格栅相连，这批结构件则成对地相关联，并将每个副格栅的连接部连接到它在空间中最密切相关的主网络支柱端部处的会合点处。
10.一种用来从内部支撑一有显著曲率改变之拱顶的方法，此拱顶有一曲率经选定的主表面，此主表面由一批相互连接于基本在此表面内会合点处的结构件在拱顶的周边内进行三角剖分，上述方法则包括以下步骤a)在拱顶内与从拱顶周边朝内且与之相分开的主表面的一个选定部分的相邻处，确定出一批结构件的格栅，这批结构件则经安排成来界定出一批角连接的不嵌套的三角形区，每个三角区有一个角基本上位于一主表面结构件之中部邻近，使得每个三角形区直接处于一个对应的结构件三角形之下;以及b)从结构上将此结构件格栅中的每个角连接部连接到与之最接近的每个结构件的会合处。
全文摘要
一种基本环状由支柱主网络确定的大跨度拱顶，这些支柱在其会合点之间排列成能将拱顶表面完全三角剖分。网络上所有支柱的剖面形状一致，由拱顶周边附近遇到的支柱载荷确定。网络的中央部分由拱顶内与上述表面分开之副表面内桁架件之副网络组成的桁架系统所增强，以抵抗拱顶发生突塌。主、副网络由连接件相连，这些连接件则在有关支柱之腹板的平面中的桁架件连接部与支柱会合部间延伸。
文档编号E04B1/32GK1106100SQ9411514
公开日1995年8月2日 申请日期1994年9月8日 优先权日1993年9月9日
发明者唐纳德·L·里奇特 申请人:泰姆科尔公司