一种索杆体系大跨度建筑结构

1.本实用新型涉及一种索杆体系大跨度建筑结构，属于土木工程中大跨度结构或空间结构技术领域。


背景技术：

2.随着社会需求的增长，各类体育、展览等公共场所不断向更大跨度发展。在此过程中，张弦梁，索网、预应力桁架，弦支穹顶，索穹顶等以预应力技术与钢结构体系结合的新型结构形式应运而生，极大地丰富了建筑造型，提高了结构的承载能力。常规索穹顶是一种主要由脊索、斜索和环索构成的，基于张拉整体结构思想的空间结构，其构形简洁、空间跨越能力强、自重轻、净空高，现已被普遍推广应用。
3.为满足建筑造型和结构承载的要求，索穹顶构件之间网格尺寸较大，这就要求屋面系统自身具有很好的跨越能力，与此同时，由于索结构属柔性结构，在荷载作用下会发生较大变形，为适应其变形的特性，屋面体系宜采用柔性膜材料而不宜采用刚性板材，因此在国内外多采用张拉膜作为索穹顶的屋面材料。
4.然而，传统的索穹顶结构存在下述不足之处：(1)索穹顶结构的施工成形机理较为复杂，施工难度大，施工要求高；(2)传统中心支承的索穹顶结构，一般在中心位置布置单个主要竖向支承构件，此竖向支承构件承载极大，安全性要求极高，且结构冗余约束少，安全性低； (3)传统周边支承的索穹顶结构，边环梁压力大，导致边环梁设计截面增大，加重了竖向支承结构负担，材料耗费量巨大。


技术实现要素：

5.若采用传统索穹顶支承屋面，屋面刚度较差，当屋面采用张拉膜时，则在强风振作用下，屋面的变形控制与受力安全得不到保障；当屋面采用刚性屋面材料时，需要较大索力支承屋面，对索网的材料要求更高。因此，希望继承常规索穹顶的优点，并适用多种屋面材料，就需要一种整体刚度和稳定性更佳的新型索杆体系大跨度建筑结构。
6.本实用新型的目的是提出一种新型索杆体系大跨度建筑结构，该结构由中心桁架环梁、中心辐射索、斜拉索、径向索、环向索、交叉索、径向格构式脊索系、索塔和连杆构成，其上可铺设张拉膜或轻型刚性屋面材料。索杆体系大跨度建筑结构在汲取张拉整体结构理念的基础上，继承了索穹顶的优点，在结构整体刚度和稳定性方面也有进一步的提升，使结构更为轻便，屋面材料的可选择范围更广，有利于该类结构的推广和应用。
7.本实用新型提供一种索杆体系大跨度建筑结构，所述索杆体系大跨度建筑结构包括：中心桁架环梁(1)、多道中心辐射索(2)、多道斜拉索(3)、多个索塔(4)、多个连杆(5)、多道径向格构式脊索系(6)、多道环向索(7)、多道交叉索(8)和多道径向索(9)；所述中心桁架环梁(1)、多道所述中心辐射索(2)、多道所述径向格构式脊索系(6)、多道所述环向索(7)和多道所述交叉索(8)构成穹顶体系，其中，多道所述中心辐射索(2)在中心桁架环梁(1)的圆心互相连接到一点，并由所述中心桁架环梁(1)的圆心向四周辐射张拉至所述中心桁架环
梁(1)的上弦杆；多道所述径向格构式脊索系(6)的上端与所述中心桁架环梁(1)相连，下端与基础锚固；多道所述交叉索(8)搭接于多道所述环向索(7) 之上，且所述环向索(7)和所述交叉索(8)的两端均与相邻所述径向格构式脊索系(6)相连，构成穹顶体系；所述索塔(4)在塔顶通过多道所述斜拉索(3)与多道所述径向格构式脊索系(6)连接，并且所述索塔(4)在塔顶通过所述径向索(9)与所述中心桁架环梁(1) 连接，以对穹顶体系形成多点、多方向、多层次的悬吊支承；所述索杆体系大跨度建筑结构形成空间整体受力结构体系。
8.在一种实施方式中，多个所述索塔(4)通过多个所述连杆(5)环向连接，所述连杆(5) 作为跨间侧向支撑，提高索塔(4)的稳定性。
9.在一种实施方式中，所述径向格构式脊索系(6)由两道上部径向脊索(10)、一道下部径向脊索(11)和短撑杆(12)组成；所述径向格构式脊索系(6)中，两道上部径向脊索(10) 的上端与所述中心桁架环梁(1)的上弦杆(13)连接，一道下部径向脊索(11)的上端与所述中心桁架环梁(1)的下弦杆(14)连接，两道上部径向脊索(10)和一道下部径向脊索(11) 在下端汇集并与基础锚固；所述短撑杆(12)布置在径向格构式脊索系(6)与环向索(7) 的连接断面，且每一断面处由三根短撑杆(12)构成闭合三角形。
10.在一种实施方式中，所述短撑杆(12)用于保持所述径向格构式脊索系(6)中三道脊索的间距，并提高截面整体抗弯、抗扭刚度。
11.在一种实施方式中，多道所述交叉索(8)与多道所述环向索(7)斜向交错，并且所述环向索(7)布置在所述交叉索(8)下方，以所述环向索(7)作为结构的承重索，以所述交叉索(8)作为结构的稳定索。
12.在一种实施方式中，多道中心辐射索(2)、多道斜拉索(3)、多道环向索(7)、多道交叉索(8)、多道径向索(9)、多道上部径向脊索(10)和下部径向脊索(11)均为柔性拉索，可采用由高强度钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束制作。
13.在一种实施方式中，所述短撑杆(12)为刚性构件，若受力较大，可采用圆钢管制作。
14.在一种实施方式中，所述短撑杆(12)若受力较小，可采用单角钢制作。
15.在一种实施方式中，所述索塔(4)若受力较小，则采用实腹式钢构件，截面包括圆管、 h形截面或箱形截面。
16.在一种实施方式中，所述索塔(4)若受力较大，则采用圆形截面或矩形截面的钢管混凝土构件，或采用格构式钢构件制作。
17.有益效果：
18.本实用新型在汲取张拉整体结构理念的基础上，应用中心桁架环梁、中心辐射索、斜拉索、索塔、连杆、径向格构式脊索系、环向索、交叉索和径向索组成空间整体受力结构体系，其有益效果在于：
19.(1)由两道上部径向脊索、一道下部径向脊索和若干短撑杆形成的径向格构式脊索系，可以事先在工厂预制，现场张拉连接，施工效率高；其中的短撑杆可保持三道脊索的间距，提高截面整体抗弯、抗扭刚度。整个径向格构式脊索系成为穹顶索网体系的若干道刚度相对较大的径向骨架，一方面提高整个穹顶索网的刚度，另一方面为环向索和交叉索的张拉提供可靠边界。
20.(2)索塔通过斜拉索和径向索对索网体系实现多点、多方向、多层次悬吊约束，富
余约束保证了屋面索网形态可控，也提高了结构的安全性。
21.(3)与传统中心支承索穹顶相比，显著减少了对于中心竖向支承构件的依赖，提高了安全性；与传统周边支承索穹顶相比，不需要设计截面较大的刚性环梁，节约了材料，更为经济。
附图说明
22.图1为本实用新型的索杆体系大跨度建筑结构的三维结构示意图；
23.图2为本实用新型的索杆体系大跨度建筑结构的俯视图；
24.图3为本实用新型的索杆体系大跨度建筑结构的径向格构式脊索系的三维示意图；
25.图4为本实用新型的索杆体系大跨度建筑结构的中心桁架环梁的三维示意图；
26.其中，1-中心桁架环梁；2-中心辐射索；3-斜拉索；4-索塔；5-连杆；6-径向格构式脊索系；7-环向索；8交叉索；9-径向索；10-上部径向脊索；11下部径向脊索；12-短撑杆；13
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中心桁架环梁的上弦杆；14中心桁架环梁的下弦杆。
具体实施方式
27.以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的索杆体系大跨度建筑结构作进一步详细说明。根据下述的说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
28.实施例一
29.本实施例提供一种索杆体系大跨度建筑结构，所述索杆体系大跨度建筑结构包括：中心桁架环梁1、多道中心辐射索2、多道斜拉索3、多个索塔4、多个连杆5、多道径向格构式脊索系6、多道环向索7、多道交叉索8和多道径向索9。其中，多道中心辐射索2在中心桁架环梁1的圆心互相连接到一点，并由圆心向四周辐射张拉至所述中心桁架环梁1的上弦杆；多道径向格构式脊索系6上端与所述中心桁架环梁1相连，下端与基础锚固；多道交叉索8 搭接于多道所述环向索7之上，且两者两端均与相邻所述径向格构式脊索系6相连，构成穹顶体系。所述索塔4在塔顶通过多道斜拉索3与多道所述径向格构式脊索系6连接，所述索塔4在塔顶通过所述径向索9与所述中心桁架环梁1连接，以对穹顶体系形成多点、多方向、多层次的悬吊支承；所述索杆体系大跨度建筑结构形成空间整体受力结构体系。
30.索塔4在塔顶通过多道斜拉索3与多道径向格构式脊索系6的两道上部径向脊索10连接，所述索塔4在塔顶通过径向索9与中心桁架环梁1连接，对穹顶体系形成多点、多方向、多层次悬吊支承。
31.在一种实施方式中，所述索塔4通过连杆5环向连接，作为跨间侧向支撑，提高索塔4 的稳定性。
32.在一种实施方式中，所述径向格构式脊索系6由两道上部径向脊索10、一道下部径向脊索11和短撑杆12组成；所述径向格构式脊索系6中，两道上部径向脊索10的上端与中心桁架环梁1的上弦杆13连接，一道下部径向脊索11的上端与中心桁架环梁1的下弦杆14连接，两道上部径向脊索10和一道下部径向脊索11在下端汇集并与基础锚固；短撑杆12布置
在径向格构式脊索系6与环向索7连接断面，每一断面处三根短撑杆12构成闭合三角形。
33.在一种实施方式中，所述交叉索8与环向索7斜向交错，环向索7布置在下方，交叉索 8布置在上方，以环向索7作为结构的承重索，以交叉索8作为结构的稳定索。
34.在一种实施方式中，多道中心辐射索2、多道斜拉索3、多道环向索7、多道交叉索8、多道径向索9和多道下部径向脊索11均为柔性拉索，可采用由高强度钢丝组成的钢绞线、钢丝绳或钢丝束等制作。
35.在一种实施方式中，所述短撑杆12为刚性构件，若受力较大，可采用圆钢管制作。
36.在一种实施方式中，所述短撑杆12若受力较小，可采用单角钢制作。
37.在一种实施方式中，所述索塔4若受力较小，则采用实腹式钢构件，截面包括圆管、h 形截面或箱形截面。
38.在一种实施方式中，所述索塔4若受力较大，则采用圆形截面或矩形截面的钢管混凝土构件，或采用格构式钢构件制作。
39.实施例二
40.本实施例提供一种设计实施例一所述的索杆体系大跨度建筑结构的方法，其基本步骤如下：
41.1)首先根据建筑造型和功能及结构承载要求，初步确定中心桁架环梁的半径，索塔布置方案数量、索塔距离穹顶圆心的半径以及索穹顶空间曲面尺寸。
42.2)根据竖向荷载分布，计算受力最大索塔分担荷载，初步设计索塔结构方案。根据受力最大索塔稳定性要求，设计连杆数量、材料与截面。
43.3)根据索塔数量和间距，确定径向格构式脊索系布置位置和间距。根据一道径向格构式脊索系最大分担荷载，初步设计其组成径向索材料、截面尺寸和短撑杆材料、截面尺寸。
44.4)选定屋面材料，根据其跨越能力初步确定环向索的间距，继而根据穹顶设计曲面确定环向索数量。根据屋面材料自重、屋面最大活荷载，考虑索系强度和索网的允许变形值，初步确定环向索材料与截面尺寸。
45.5)根据中心桁架环梁范围内选用屋面材料跨越能力确定中心辐射索间距，继而确定其数量；根据中心桁架环梁范围内屋面材料自重、屋面最大活荷载，考虑索系强度和索网的允许变形值，初步确定中心辐射索材料与截面尺寸。
46.6)建立结构体系整体受力分析模型，根据各荷载工况组合下的强度、刚度和稳定性验算，调整并确定索塔、连杆、径向格构式脊索系、环向索和中心辐射索的结构设计方案；确定中心桁架环梁结构设计方案包括环梁组成杆件截面、桁架高度和腹杆布置方式、径向索、斜拉索和交叉索的材料与截面尺寸；确定各索张拉预应力。
47.7)最终体系在施工完成后需要实现的合理位形、各部件优化的结构设计方案以及索系的张拉预应力值，都需要对整个结构体系反复执行在各种可能荷载工况组合下的承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算和结构设计调整，直至设计结果安全可靠且经济合理才能得到。
48.施工阶段，第一步，先地面预制中心桁架环梁，其内张拉锚固中心辐射索；同时制作索塔与连杆，工地现场竖立索塔并环向连接连杆，索塔竖立后顶部张拉缆风绳确保其空间稳定性。第二步，在中心桁架环梁与索塔顶部连接径向索，径向索另一端锚固于地面基
础，通过张拉径向索起吊中心桁架环梁至预定位置。第三步，连接并张拉径向格构式脊索系，使之上端连接中心桁架环梁，下端锚固于地面基础。第四步，连接并张拉斜拉索，使索塔顶部与径向格构式脊索系之间建立可靠联系。第五步，连接并张拉环向索。第六步，连接并张拉交叉索。第七步，铺设屋面材料。第八步，调整径向索、斜拉索和径向格构式脊索系张拉力，使得中心桁架环梁处在预期位置，使得径向格构式脊索系达到预期曲线形态；调整环向索和交叉索张拉力，使得索系穹顶曲面达到预期位置与形态。
49.与常规索穹顶不同，本实用新型结构具有以下特点：
50.(1)每道径向格构式脊索系由两道上部径向脊索、一道下部径向脊索和短撑杆构成，大大增强了结构的整体刚度。
51.(2)交叉索与环向索斜向交错，以下方的环向索作为结构的承重索，以上方的交叉索作为结构的稳定索。在屋面自重和风荷载的主要作用下，环向索和交叉索会因呈现不同的正负曲率状态而紧扣，使结构承载力更强且更稳定。
52.(3)索塔通过斜拉索和径向索对屋盖体系形成多点、多方向、多层次悬吊，其施加的富余约束使整体结构形态更可控；相邻索塔之间的连杆也可保证索塔的侧向稳定性。
53.虽然本实用新型已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。