一种用几何法安装球面肋环型索穹顶结构的方法

摘要

本发明公开了一种用几何法安装球面肋环型索穹顶结构的方法。首先将脊索连接悬挂于受压环梁上，其次脊索与中心竖压杆一端连接，其下部为临时安装脚手架，并将中心竖压杆顶升至设计标高，其标高点即为索穹顶顶点标高，接着中心斜索一端连接于脊索，中心斜索另一端连接于中心竖压杆另一端，然后由内而外逐圈将竖压杆一端与脊索连接、环索与竖压杆另一端连接、斜索一端与脊索连接，斜索另一端与竖压杆另一端和环索连接，并顶升竖压杆，最后张拉边斜索，锚固于受压环梁上。本发明的索穹顶结构施工方法只需张拉斜索，可按本发明给出的表中数值进行安装即可，从而使这种原施工技术极高的结构有可能得到普遍的推广。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑领域，尤其涉及一种用几何法安装球面肋环型索穹顶结构的方法。

背景技术

索穹顶(Cable Dome)结构是美国工程师Geiger发展和推广Fuller张拉整体思想后实现的一种新型预张力大跨结构，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体系。其中以俄罗斯圣彼得堡的太阳海岸穹顶(直径210m)，韩国汉城的奥运会体育馆(直径为119.8m)和美国亚特兰大奥运会主馆——乔治亚穹顶(椭圆面积：240.79m×193.02m)最为瞩目。但现有的施工方法计算技术要求比较高，一般技术人员不易掌握，为此，本发明给出了用几何方法施工索穹顶，其概念清晰，方法简单，一般技术人员即可使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用几何法安装球面肋环型索穹顶结构的方法。

用几何法安装球面肋环型索穹顶结构的方法是：首先将脊索连接悬挂于受压环梁上，其次脊索与中心竖压杆一端连接，其下部为临时安装脚手架，并将中心竖压杆顶升至设计标高，其标高点即为索穹顶顶点标高，接着中心斜索一端连接于脊索，中心斜索另一端连接于中心竖压杆另一端，然后由内而外逐圈将竖压杆一端与脊索连接、环索与竖压杆另一端连接、斜索一端与脊索连接，斜索另一端与竖压杆另一端和环索连接，并顶升竖压杆，最后张拉边斜索，锚固于受压环梁上；其中，设脊索与中心竖压杆相连的节点编号为，脊索与受压环梁相连的节点编号为n，脊索与竖压杆相连的节点由中心至边缘的编号为2，…，i，i+1，…，n-1，则与节点编号i相连的竖压杆杆顶顶升标高应比设计标高下降值其中j＝1，2，…，i，Δ₁＝0，Δ_i+1＝a_i·tan(α_i-α′_i)·sinα′_i，a_i为脊索节点编号i，i+1两点之间的设计长度，α_i为脊索节点编号i所对应的竖压杆与脊索节点编号i，i+1连线之间的夹角，h_i为脊索节点编号i对应竖压杆的设计长度。

所述的边斜索一端与受压环梁为铸锚锚接，脊索与受压环梁、中心竖压杆一端、竖压杆一端、中心斜索一端、斜索一端通过节点销栓连接，环索与竖压杆另一端、斜索另一端、边斜索另一端通过节点销栓连接，中心竖压杆另一端与中心斜索另一端通过节点销栓连接。

所述的中心竖压杆与相邻竖压杆之间的水平距离相等，两相邻竖压杆之间的水平距离相等。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1)给出了常用几何尺寸比例下球面环型索穹顶的安装顺序。

2)给出了常用几何尺寸比例下球面环型索穹顶的安装时的关键控制点数值。

3)本法概念清晰，没有高深理论，只要作简单的四则运算即可确定安装位置，一般技术人员即可掌握，因此为应用这种结构创造了极好的条件。

附图说明

图1为球面肋环型索穹顶结构的平面图；

图2为球面肋环型索穹顶结构的剖面图；

图3为球面肋环型索穹顶结构的脊索节点编号示意图；

图4为球面肋环型索穹顶结构竖压杆杆顶顶升标高计算示意图；

图5为悬挂脊索于受压环梁示意图，实线为安装的状态，虚线为整个结构安装完毕时的状态；

图6为安装中心竖压杆，并顶升至设计标高示意图，其下部为临时安装脚手架，实线为安装的状态，虚线为整个结构安装完毕时的状态；

图7为由索穹顶中心到边缘逐圈安装竖压杆、环索、斜索示意图，实线为安装的状态，虚线为整个结构安装完毕时的状态，其下部为临时安装脚手架；

图8为张拉边斜索，并锚固于受压环梁示意图，安装完毕。

图中：脊索1、受压环梁2、中心竖压杆3、临时安装脚手架4、竖压杆5、环索6、中心斜索7、斜索8、边斜索9。

具体实施方式

用几何法安装球面肋环型索穹顶结构的方法是：首先将脊索1连接悬挂于受压环梁2上，其次脊索1与中心竖压杆3一端连接，其下部为临时安装脚手架4，并将中心竖压杆3顶升至设计标高，其标高点即为索穹顶顶点标高，接着中心斜索7一端连接于脊索1，中心斜索7另一端连接于中心竖压杆3另一端，然后由内而外逐圈将竖压杆5一端与脊索1连接、环索6与竖压杆5另一端连接、斜索8一端与脊索1连接，斜索8另一端与竖压杆5另一端和环索6连接，并顶升竖压杆5，最后张拉边斜索9，锚固于受压环梁2上；其中，设脊索1与中心竖压杆3相连的节点编号为1，脊索1与受压环梁2相连的节点编号为n，脊索1与竖压杆5相连的节点由中心至边缘的编号为2，…，i，i+1，…，n-1，则与节点编号i相连的竖压杆5杆顶顶升标高应比设计标高下降值其中j＝1，2，…，i，Δ₁＝0，Δ_i+1＝a_i·tan(α_i-α′_i)·sinα′_i，a_i为脊索1节点编号i，i+1两点之间的设计长度，α_i为脊索1节点编号i所对应的竖压杆5与脊索1节点编号i，i+1连线之间的夹角，h_i为脊索1节点编号i对应竖压杆5的设计长度。

所述的边斜索9一端与受压环梁2为铸锚锚接，脊索1与受压环梁2、中心竖压杆3一端、竖压杆5一端、中心斜索7一端、斜索8一端通过节点销栓连接，环索6与竖压杆5另一端、斜索8另一端、边斜索9另一端通过节点销栓连接，中心竖压杆3另一端与中心斜索7另一端通过节点销栓连接。

所述的中心竖压杆3与相邻竖压杆5之间的水平距离相等，两相邻竖压杆5之间的水平距离相等。

实施例。假设肋环型索穹顶结构的节点在同一圆弧上，索穹顶顶点至边缘环梁节点编号为1，2，…，n，将索穹顶一半跨度平均分成n-1份。矢跨比λ取0.1～0.3，f为索穹顶的矢高，l为跨度。设在节点i处，竖压杆长h_i，节点i，i+1连线的索长a_i，令h_i/a_i＝Y_i(i＝1，2，3，...，n-1)，即不限制最外侧竖杆与脊索的比值。假设索和压杆在力的作用下的伸缩量与原长相比可不计，即索和压杆在力的作用后仍可按原长a_i、h_i计算几何尺寸；为能不用张拉即可安装斜索，则斜索两端节点间距离应小于最终斜索长度b_i(含节点几何尺寸)，设斜索两端节点间安装时的距离即不用张拉就可安装上拉索；而i节点下方对应的环索，由于节点i的位置在结构初始态的内侧，因此，环索可不用张拉即可安装。由图4几何关系，可以求得i节点在施工安装时与安装完毕相比，应下降的距离

由$\left(\begin{array}{c}{b}_i^2=a_i^2+h_i^2-2a_i{h}_i\cos {\alpha }_i\\ b_i^{\prime 2}=a_i^2+h_i^2-2a_i{h}_i\cos {\alpha }_i^{\prime }\end{array}\right),$代入b′_i＝0.95b_i    (1)

可以得到${\alpha }_i^{\prime }=\arccos \frac{1}{2}[\left({1-0.95}^2\right)\frac{a_i}{h_i}+\left({1-0.95}^2\right)\frac{h_i}{a_i}+2\times {0.95}^2\cos {\alpha }_i]---\left(2\right)$

而节点i+1相对于i点应下降的距离Δ_i+1可以表示为

Δ_i+1＝a_itan(α_i-α′_i)sinα′_i    (3)

因此，代入不同的a_i、h_i、α_i，可以求得i节点应下降的垂直距离其中Δ₁＝0，Δ_i+1＝a_i·tan(α_i-α′_i)·sinα′_i，(j＝1，2，…，i)，(4)由(1)～(4)式，可计算得到通过无量纲化，得节点相对下降高度与跨度的比值本实施例给出了n＝3，n＝4，n＝5，常用几何尺寸比例范围内的各种情况，即下弦环索分别有一圈、二圈、三圈时各节点顶升点与施工完毕相比，应下降的垂直距离的与跨度的比值，并列于表1～表3。表中未列数值，可进行插值处理。

表1 n＝3时节点相对下降高度与跨度的比值

n＝4，为保证斜索与竖杆夹角小于90°，索穹顶结构成立，矢跨比0.3时要求Y2＞0.149，Y3＞0.447。

表2 n＝4时节点相对下降高度与跨度的比值

n＝5，矢跨比0.2时要求Y2＞0.087，Y3＞0.260，Y4＞0.433，矢跨比0.3时要求Y2＞0.111，Y3＞0.333，Y4＞0.556。

由于实际竖杆长度，从中心向支座总是逐渐增大的，因此对等分数为5的情况，可以假设其中k取0～3，表示竖杆长度的不同变化规律。

表3 n＝5时节点相对下降高度与跨度的比值