具有荷载缓和功能的鸟巢型索穹顶结构

摘要

本发明公开了一种具有荷载缓和功能的鸟巢型索穹顶结构，它由环梁、竖直撑杆、脊索、斜索、环索以及缓和装置组成。鸟巢型索穹顶的几何构型可用BN(Bird Nest)n－m型来表示，其中n为内外环的正多边形的边数，亦即周边的支撑点数，m为环索数。本发明造型美观，受力性能优越，而所用结构构件较少，在缓和装置作用下，结构内力进一步减少，在相同荷载作用下，结构构件的内力曲线较没有缓和装置时下降10％～20％。特别对于突发的大荷载作用下，缓和装置可以吸收一部分能量，而且缓和装置增大了结构的柔性，使结构产生较大的变形，减少了荷载作用的冲量，在一定程度范围内避免倒塌的危险。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有荷载缓和功能的鸟巢型索穹顶结构。具体涉及是由环梁，竖直撑杆，交错布置的脊索、斜索，环索以及缓和装置组成的一种张力结构。

背景技术

索杆张力结构是由索和杆为基本构成单元、通过预应力提供结构刚度的一类空间结构体系。它由张力索和压杆组成，是具有预应力平衡体系的结构。其中，索穹顶结构是美国工程师盖格尔(Geiger)根据富勒(Fuller)的张拉整体结构思想开发的，它体现了Fuller关于“压力的孤岛存在于拉力的海洋中”的思想，是一种结构效率极高的全张力结构。面对目前日益广泛的张力结构结构，结合其自身的特点，研究一种能够随着外部作用变化而对结构自身进行调节，最终达到自适应和自调节功能的结构一直是人们的一个美好梦想。上世纪80年代英国学者提出了荷载缓和结构(LOAD Relieving System)的概念，并将其运用于一个索网结构的垃圾场中，引起了人们的关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有荷载缓和功能的鸟巢型索穹顶结构。

它由环梁、竖直撑杆，脊索、斜索、环索、缓和装置组成；脊索两端经环梁孔道与环梁锚接，交错布置，脊索与脊索相交点与竖直撑杆顶部铰接，斜索一端与竖直撑杆底部铰接，斜索另一端与外侧相邻竖直撑杆顶部铰接，最外侧竖直撑杆底部斜索经环梁孔道与环梁锚接，环索与竖直撑杆底部铰接；在斜索与环梁锚接设置斜索缓和装置或环索与竖直撑杆底部铰接处设置环索缓和装置。

脊索、斜索、环索为预应力拉索。环梁为受压环梁。斜索缓和装置具有设置在环梁上的预埋钢板，与环梁孔道相接的预埋钢板上设有广义弹簧单元、锚板。环索缓和装置具有设置在环索一端部设有拉索承压球节点、广义弹簧单元、锚板。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1)自重轻，结构构件较少，且主要是高强度拉索，结构自重轻；

2)充分发挥高强度材料的性能，本结构可采用抗拉性能优越的高强度拉索，承压性能优越的砼圈梁或钢箱梁，可充分发挥这两种材料各自的特性；

3)受力性能优越，结构由预应力提供刚度，拉索始终处于受拉状态；

4)在缓和装置的调整下，结构内力进一步减少，在相同荷载作用下，结构构件的内力曲线较没有缓和装置时下降10％～20％；

5)在缓和装置的调整下，相同荷载作用时，该结构跨中挠度有所增大；

6)对于突发的大荷载作用下，缓和装置可以吸收一部分能量，而且缓和装置增大了结构的柔性，使结构产生较大的变形，减少了荷载作用的冲量，在一定程度范围内避免倒塌的危险；

7)建筑效果好，由于本结构构成的构件数远少于一般的网格结构，因此给人们一种简洁明快的效果，克服了网格结构感观上杆件繁多零乱的弊端，鸟巢型创意新颖，即有维护作用，又便于采光通气。

附图说明

图1是具有荷载缓和功能的鸟巢型索穹顶结构示意图；

图2是具有荷载缓和功能的鸟巢型索穹顶结构剖面图；

图3是缓和装置(6)详图；；

图4是缓和装置(7)详图；

图5实施例中竖向撑杆BC内力变化曲线；

图6实施例中斜索AC内力变化曲线；

图7实施例中环索C内力变化曲线；

图8实施例中脊索BD内力变化曲线；

图9实施例中斜索BE内力变化曲线；

图10实施例中环索E内力变化曲线；

图11实施例中环索E内力变化曲线；

图11实施例中节点B的位移-荷载变化曲线；

图13实施例中节点C的位移-荷载变化曲线；

图中：环梁1，，竖直撑杆2，脊索3、斜索4、环索5、斜索缓和装置6、环索缓和装置7、预埋钢板8、锚板9、广义弹簧单元10、孔道11、拉索承压球节点12。

具体实施方式

如图1所示，具有缓和功能的鸟巢型索穹顶结构由环梁1、竖直撑杆2，脊索3、斜索4、环索5、缓和装置组成；脊索3两端经环梁孔道11与环梁1锚接，交错布置，脊索与脊索相交点与竖直撑杆2顶部铰接，斜索4一端与竖直撑杆2底部铰接，斜索另一端与外侧相邻竖直撑杆2顶部铰接，最外侧竖直撑杆2底部斜索4经环梁孔道11与环梁1锚接，环索5与竖直撑杆2底部铰接；在斜索4与环梁1锚接设置斜索缓和装置6或环索5与竖直撑杆2底部铰接处设置环索缓和装置7。脊索3、斜索4、环索5为预应力拉索。环梁1为受压环梁。

如图3所示，斜索缓和装置6具有设置在环梁1上的预埋钢板8，与环梁孔道11相接的预埋钢板8上设有广义弹簧单元10、锚板9。

如图4所示，环索缓和装置6具有设置在环索5一端部设有拉索承压球节点12、广义弹簧单元10、锚板9。

具有缓和功能的鸟巢型索穹顶结构由不同强度的材料组合而成。环梁为受压环梁，可利用下部结构柱顶圈梁，一般为钢筋砼梁，刚度大，受压性能好，施工也方便，脊索锚板可固定在该梁上，张拉操作空间宽敞，操作方便。脊索、斜索、环索可采用高强钢丝，钢绞线，钢丝绳等。拉索施工时，首先要确定其零应力状态下的长度，加工索头、锚具和竖直撑杆，在实际施工中，拉索的初始预应力值与设计值仍有可能出现较大的差距，所以竖直撑杆可以设计为长度可调节的构件，环索与脊索和谷索之间的连接可采用可调节索，连接和调整方便。索与索连接，索与梁连接的节点已有许多形式可选择。结构的构件装配完毕后，结构仍处于无应力状态，当余下的小部分索张拉到位时，结构成形并具有刚度，可承受外部荷载作用。

实施例：

跨度为5m，承受轴对称荷载作用的BN 8-2型鸟巢型索穹顶，结构的立面图和剖面图如图1、2所示，在剖面图中的竖向撑杆高度分别为0.85m、0.25m。该穹顶各索的截面积A和初始预应力F₀见表1，布置荷载缓和装置后，通过调节初始预应力使其内力状态与未加缓和装置前基本相同。对该结构外圈8个上节点依次施加竖向荷载P＝0(即施工张拉完成时，仅有自重的情况)，100N，200N，300N，400N，500N，计算其未加缓和装置及在不同位置放置缓和装置时杆件及索的内力变化曲线，采用的缓和装置的弹簧单元刚度为3.01E×10⁵N/m，索的弹性模量1.95×10¹¹MPa。附图5、6、7、8分别是AC(斜索)，BD(脊索)，C(环索)及BC(竖直撑杆)的内力变化曲线，计算结果表明，在环索C节点上放置缓和装置效果最好，内力可下降15％以上，在AB斜索和环梁锚界处放置缓和装置，效果仅次之，内力可下降13％左右，但施工较前者方便。(附图9)(附图10)。

从算例可见，本发明的效果是有益的，方案是可行的。

表1：

  拉索    A/m²    F0/N  AB    1.26e-005    2067.19  BD    1.26e-005    1000.03  DF    1.26e-005    994.63  BE    1.26e-005    1052.46  AC    1.26e-005    2364.68  E(内环索)    1.96e-005    994.73  C(外环索)    1.96e-005    2222.88