一种全张力索杆屋盖结构体系及其构造方法

摘要

本发明公开了一种全张力索杆屋盖结构体系及其构造方法，该结构包括Levy型索穹顶和环形张拉整体，环形张拉整体连接于Levy型索穹顶的边沿，其中每根中压杆和每组外压杆中的两根外压杆连接到一个共用节点，中压杆和外压杆之间连接有共用索。该构造方法包括找形、装配和共用节点及共用索的连接。本发明具有材料利用率高、施工成本低等优点。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种建筑物的预应力结构，具体涉及一种全张力索杆屋盖结构体系及其构造方法。

背景技术

随着建筑设计理论和结构设计水平的不断提高，张拉整体结构和索穹顶结构以其灵活多变的表现力、轻盈动感的建筑构型和经济节约的钢材使用量得到了人们越来越多的关注。张拉整体由于结构设计复杂，施工较困难，关于环形张拉整体的设计及施工至今没有成熟的理论，故在土木工程领域应用较少。Levy型索穹顶在国内外已经有一些设计及施工经验，但是索穹顶多依附于刚性边界，成为体育场馆的屋顶，柔性边界条件下的Levy型索穹顶还没有工程实例。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种柔性边界的全张力索杆屋盖结构体系及其构造方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种全张力索杆屋盖结构体系，包括：Levy型索穹顶和环形张拉整体，所述环形张拉整体连接于Levy型索穹顶的边沿；所述Levy型索穹顶包括1根中心压杆、n根内压杆和n根中压杆，以及脊索、上径向索、下径向索、内环索、中环索、上斜索和下斜索，其中内压杆与中压杆分别排列于以中心压杆为圆心的两个同心圆上，所述中心压杆的两端与内压杆的顶端分别连接有脊索和上径向索，所述内压杆的两端与中压杆顶端分别连接有脊索和下径向索，所述内压杆的底端连接有内环索，所述中压杆的底端连接有中环索；所述环形张拉整体包括交错排列的n组外压杆，每组外压杆包括顺序连接的4根外压杆，每根中压杆和每组外压杆中的两根外压杆连接到一个共用节点，每根中压杆的两端与相邻的一组外压杆的一端分别连接有上斜索和下斜索，相邻组的外压杆之间连接有张拉索，其中中环索与下斜索为Levy型索穹顶和环形张拉整体的共用索。

作为优选，为了便于在施工时连接共用节点，所述共用节点是球铰，所述球铰包括球状的心部和铰接于心部上的三个可转动的连接部。

本发明提供的一种全张力索杆屋盖结构体系的构造方法包括以下步骤：

1）明确索杆的数量和索杆连接的拓扑关系，按照设计要求进行环形张拉整体的算法找形；

2）基于设计要求的张拉整体单元与地面的倾角，环形张拉整体的外径以及张拉整体的数目等参数，确定环形张拉整体的最终构型；

3）基于步骤2）中环形张拉整体的最终构型，确定Levy型索穹顶的构型；

4）在安装现场按照步骤2）、3）确定的构型分别完成环形张拉整体施工和索穹顶的装配；

5）采用顶升法把索穹顶安装到环形张拉整体上，采用球铰将共用节点相连，再把共用索换成一根索。

有益效果：本发明创新性地把Levy型索穹顶与环形张拉整体结合到了一起，具有的有益效果是：

1）Levy型索穹顶依附于环形张拉整体的柔性边界，两种结构形成自平衡的结构体系，充分发挥了两种结构体系的优势；

2）结合后的体系中所有的索受拉，杆受压，在最大程度上节省了钢材，轻型高效，充分发挥了材料的强度，提升了材料的使用效率；

3）该结构体系的所有构件都是先在工厂预制，大大提高了构件的可靠度。现场作业全部为装配施工和预应力施工，最大程度的减少了施工过程对环境的影响，降低了现场工人的劳动强度和难度，缩短了施工周期，同时也降低了施工成本。

附图说明

图1是Levy型索穹顶的结构示意图；

图2是环形张拉整体的结构示意图；

图3是本发明的实施例的结构示意图；

图4是本发明实施例中梯形变换的坐标图；

图中：1中心压杆，2内压杆，3中压杆，4脊索，5上径向索，6下径向索，7内环索，8中环索，9上斜索，10下斜索，11外压杆，12球铰。

具体实施方式

实施例：本实施例的一种全张力索杆屋盖结构体系如图3所示，由Levy型索穹顶和环形张拉整体组成，环形张拉整体的外压杆11通过球铰12连接于Levy型索穹顶的边沿的中压杆8上。

其中的Levy型索穹顶如图1所示，包括一根中心压杆1、十二根内压杆2和十二根中压杆3，以及脊索4、上径向索5、下径向索6、内环索7、中环索8、上斜索9和下斜索10，其中内压杆2与中压杆3分别排列于以中心压杆1为圆心的两个同心圆上，中心压杆1的两端与内压杆的顶端分别连接有脊索4和上径向索5，内压杆2的两端与中压杆3顶端分别连接有脊索4和下径向索6，内压杆2的底端连接有内环索7，中压杆3的底端连接有中环索8。

其中的环形张拉整体如图2所示，包括交错排列的十二组外压杆11，每组外压杆11包括顺序连接的四根外压杆11，每根中压杆3和每组外压杆11中的两根外压杆11连接到一个球铰12上，每根中压杆3的两端与相邻的一组外压杆11的一端分别连接有上斜索9和下斜索10，相邻组的外压杆11之间连接有张拉索，其中中环索8与下斜索10为Levy型索穹顶和环形张拉整体的共用索。

本实施例的一种全张力索杆屋盖结构构造方法包括以下步骤：

1）明确索杆的数量和索杆连接的拓扑关系，按照设计要求进行环形张拉整体的算法找形，即在如图4所示的坐标系中，利用以下公式确定环形张拉整体梯形变换的节点坐标：

 

式中x,y,z均为杆件节点的局部坐标，A,E表示节点编号；

2）基于设计要求的张拉整体单元与地面的倾角，环形张拉整体的外径以及张拉整体的数目等参数，确定环形张拉整体的最终构型；

3）基于步骤2）中环形张拉整体的最终构型，确定Levy型索穹顶的构型；

4）在安装现场按照步骤2）、3）确定的构型分别完成环形张拉整体施工和索穹顶的装配；

5）采用顶升法把索穹顶安装到环形张拉整体上，采用球铰将共用节点相连，再把共用索换成一根索。