CN106049737A - 车辐式斜交刚弦张拉结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辐式斜交刚弦张拉结构，包括刚性外环体系、柔性拉索内环体系、张拉索杆体系和刚梁体系，所述刚性外环体系由上部刚性外环和下部刚性外环组成，所述柔性拉索内环体系由上部内环索和下部内环索组成，所述刚梁体系由若干刚性梁组成，所述刚性梁的两端分别与下部刚性外环和上部内环索铰接，所述张拉索杆体系包括若干与刚性梁对应的拉索，所述拉索与对应刚性梁相互交叉，在所述拉索与刚性梁之间设置有竖向撑杆和竖向吊索。本发明主要以轴向力抵抗外荷载，受力效率高，刚度大，有利于减小材料用量，而刚性梁又可承担局部的弯矩，从而使得屋面可采用多种曲面造型，便于采用刚性屋面板，在体育场、足球场等大型公共建筑中具有广泛的适用性。

Description

车辐式斜交刚弦张拉结构

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种车辐式斜交刚弦张拉结构。

背景技术

1962年美国著名建筑师 Fuller 提出了由索杆体系组成的张拉整体结构 (Tensegrity Systems)的思想。80年代，美国著名工程师Geiger对Fuller的思想进行演变和发展，提出了索穹顶结构体系(Cable Domes)，该体系被成功运用于汉城***体育场馆(直径 119. 8m 和 89. 8m)、亚特兰大***主体育馆( 240m×193m)等多项工程中。由于真正意义上的张拉整体结构较难在大型结构工程中应用，科研工作者转而探索实用性强的包含张拉整体结构原理的结构体系。其中车辐式张拉结构传力直接、轻盈美观，被广泛应用于中部开口的非封闭大跨度建筑（如体育场、足球场等）中，如波兰华沙国家体育场（314m×280 m）、釜山体育场（180m×152 m）、巴西马拉卡纳体育场（298m×260m）以及国内的深圳宝安体育场（230m×237 m）和佛山世纪莲体育场(直径310m)等。他们的屋盖无一例外的采用了柔性的轻质膜材作为覆盖材料，膜材虽然具有通透性好、自洁性好等特点，但造价高、对风敏感、易老化、使用寿命小于建筑周期；同时膜材特有的建筑表现方式，不能完全满足多样化的建筑造型需求。刚性屋面（如直立锁边板）造价低、耐久性好、可适应各种建筑造型，是应用更为广泛的屋面材料。然而车辐式张拉结构由于为全索杆体系，导致其难以采用刚性屋面，极大限制了其适用范围。已有部分专家学者提出了便于采用刚性屋面的刚柔杂交结构，如张弦结构、弦支穹顶结构，利用撑杆连接上弦抗弯受压构件和下弦抗拉构件形成自平衡体系，结构的刚度较大，屋面覆盖材料的适用范围更广。但张弦结构与弦支穹顶结构的上弦均为连续的刚性体系，如梁、桁架、网壳等，常用于体育馆、会展馆等封闭的建筑。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于中部开口的非封闭建筑的新型张拉结构体系，且便于采用刚性屋面的车辐式斜交刚弦张拉结构。

本发明技术的技术方案实现方式：车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：包括设置在结构边缘处的刚性外环体系、设置在结构中部开口处的柔性拉索内环体系以及设置在刚性外环体系与柔性拉索内环体系之间的张拉索杆体系和刚梁体系，所述刚性外环体系由上部刚性外环和下部刚性外环组成，所述上部刚性外环和下部刚性外环之间设置有支撑杆件，所述柔性拉索内环体系由上部内环索和下部内环索组成，所述刚梁体系由若干刚性梁组成，所述刚性梁的两端分别与下部刚性外环和上部内环索连接，所述张拉索杆体系包括若干与刚性梁对应的拉索，所述拉索两端分别与上部刚性外环和下部内环索连接，所述拉索与对应刚性梁相互交叉，在所述拉索位于刚性梁下方的一侧，所述拉索与刚性梁之间设置有至少一根竖向撑杆，所述竖向撑杆两端分别与拉索和刚性梁连接。

本发明所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其在所述拉索位于刚性梁上方的一侧，所述拉索与刚性梁之间设置有至少一根竖向吊索，所述竖向吊索两端分别与拉索和刚性梁连接。

本发明所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其所述刚性梁的两端分别与下部刚性外环和上部内环索铰接，所述拉索两端分别与上部刚性外环和下部内环索铰接，所述竖向撑杆两端分别与拉索和刚性梁铰接，所述竖向吊索两端分别与拉索和刚性梁铰接。

本发明所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其在所述上部内环索和下部内环索之间设置有斜腹杆形成环向桁架。

本发明所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其所述斜腹杆两端分别与上部内环索和下部内环索铰接。

本发明所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其所述若干刚性梁和若干拉索分别沿柔性拉索内环体系外周呈辐射式布置且对应配合。

本发明所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其所述若干刚性梁和若干拉索分别沿柔性拉索内环体系外周呈三角式布置且对应配合。

本发明所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其所述若干刚性梁和若干拉索分别沿柔性拉索内环体系外周呈交叉式布置且对应配合。

本发明主要以轴向力抵抗外荷载，受力效率高，刚度大，有利于减小材料用量，而刚性梁又可承担局部的弯矩，从而使得屋面可采用多种曲面造型，便于采用刚性屋面板，在体育场、足球场等大型公共建筑中具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中刚梁体系的结构示意图。

图3是本发明中柔性拉索内环体系与张拉索杆体系的连接示意图。

图4是图1的局部放大图。

图5和图6是本发明中竖向撑杆两端铰接节点的结构示意图。

图7和图8是本发明中竖向吊索两端铰接节点的结构示意图。

图9是本发明中上部内环索铰接节点的结构示意图。

图10是本发明中下部内环索铰接节点的结构示意图。

图11是本发明中刚梁体系和张拉索杆体系辐射式布置的结构示意图。

图12是本发明中刚梁体系和张拉索杆体系三角式布置的结构示意图。

图13是本发明中刚梁体系和张拉索杆体系交叉式布置的结构示意图。

图中标记：1a为上部刚性外环，1b为下部刚性外环，2a为上部内环索，2b为下部内环索，3为刚性梁，4a为拉索，4b为竖向撑杆，4c为竖向吊索，5为支撑杆件，6为环向桁架。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图1-10所示，车辐式斜交刚弦张拉结构，包括设置在结构边缘处的刚性外环体系、设置在结构中部开口处的柔性拉索内环体系以及设置在刚性外环体系与柔性拉索内环体系之间的张拉索杆体系和刚梁体系，所述刚性外环体系由上部刚性外环1a和下部刚性外环1b组成，所述上部刚性外环1a和下部刚性外环1b之间设置有支撑杆件5，所述柔性拉索内环体系由上部内环索2a和下部内环索2b组成，所述刚梁体系由若干刚性梁3组成，所述刚性梁3的两端分别与下部刚性外环1b和上部内环索2a铰接，所述张拉索杆体系包括若干与刚性梁3对应的拉索4a，所述拉索4a两端分别与上部刚性外环1a和下部内环索2b铰接，所述拉索4a与对应刚性梁3相互交叉，所述拉索穿过对应的刚性梁，在所述拉索4a位于刚性梁3下方的一侧，所述拉索4a与刚性梁3之间设置有至少一根竖向撑杆4b，所述竖向撑杆4b两端分别与拉索4a和刚性梁3铰接，在所述拉索4a位于刚性梁3上方的一侧，所述拉索4a与刚性梁3之间设置有至少一根竖向吊索4c，所述竖向吊索4c两端分别与拉索4a和刚性梁3铰接，其中，在所述上部内环索2a和下部内环索2b之间设置有斜腹杆形成环向桁架6，所述斜腹杆两端分别与上部内环索2a和下部内环索2b铰接，屋面覆盖材料设置于刚梁体系上。

本发明的受力原理及结构特点是：该结构体系兼具张拉结构体系与刚性结构体系的特点。通过在拉索中施加预张力，使上、下部内环索、拉索、刚性梁、竖向吊索受拉，上、下部刚性外环和竖向撑杆受压，整个结构处于一种自平衡的张紧状态，具有很好的结构刚度。从整体受力上看，当结构受到向下的荷载时，刚性梁及上部内环索内力减小，拉索及下部内环索内力增大，抵抗外荷载；当结构受到向上的荷载时，拉索及下部内环索内力减小，刚性梁及上部内环索内力增大，抵抗外荷载；若需要进一步增加结构刚度，可在上、下部内环索之间布置斜向构件，形成内环带桁架。而从局部受力上看，拉索通过竖向撑杆和竖向吊索弹性支撑刚性梁，减小刚性梁的局部弯矩。该上下弦交叉的刚弦张拉结构，在相同悬挑跨度下大大降低上、下部内环索竖向间距，减小了竖向撑杆的高度，在保证受力效率的同时，有效的解决了传统车辐式张拉结构撑杆较高，影响场内空间的缺陷。

如图11所示，所述若干刚性梁3和若干拉索4a分别沿柔性拉索内环体系外周呈辐射式布置且对应配合；或者，如图12所示，所述若干刚性梁3和若干拉索4a分别沿柔性拉索内环体系外周呈三角式布置且对应配合；或者，如图13所示，所述若干刚性梁3和若干拉索4a分别沿柔性拉索内环体系外周呈交叉式布置且对应配合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：包括设置在结构边缘处的刚性外环体系、设置在结构中部开口处的柔性拉索内环体系以及设置在刚性外环体系与柔性拉索内环体系之间的张拉索杆体系和刚梁体系，所述刚性外环体系由上部刚性外环（1a）和下部刚性外环（1b）组成，所述上部刚性外环（1a）和下部刚性外环（1b）之间设置有支撑杆件（5），所述柔性拉索内环体系由上部内环索（2a）和下部内环索（2b）组成，所述刚梁体系由若干刚性梁（3）组成，所述刚性梁（3）的两端分别与下部刚性外环（1b）和上部内环索（2a）连接，所述张拉索杆体系包括若干与刚性梁（3）对应的拉索（4a），所述拉索（4a）两端分别与上部刚性外环（1a）和下部内环索（2b）连接，所述拉索（4a）与对应刚性梁（3）相互交叉，在所述拉索（4a）位于刚性梁（3）下方的一侧，所述拉索（4a）与刚性梁（3）之间设置有至少一根竖向撑杆（4b），所述竖向撑杆（4b）两端分别与拉索（4a）和刚性梁（3）连接。

2.根据权利要求1所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：在所述拉索（4a）位于刚性梁（3）上方的一侧，所述拉索（4a）与刚性梁（3）之间设置有至少一根竖向吊索（4c），所述竖向吊索（4c）两端分别与拉索（4a）和刚性梁（3）连接。

3.根据权利要求2所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：所述刚性梁（3）的两端分别与下部刚性外环（1b）和上部内环索（2a）铰接，所述拉索（4a）两端分别与上部刚性外环（1a）和下部内环索（2b）铰接，所述竖向撑杆（4b）两端分别与拉索（4a）和刚性梁（3）铰接，所述竖向吊索（4c）两端分别与拉索（4a）和刚性梁（3）铰接。

4.根据权利要求1所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：在所述上部内环索（2a）和下部内环索（2b）之间设置有斜腹杆形成环向桁架（6）。

5.根据权利要求4所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：所述斜腹杆两端分别与上部内环索（2a）和下部内环索（2b）铰接。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：所述若干刚性梁（3）和若干拉索（4a）分别沿柔性拉索内环体系外周呈辐射式布置且对应配合。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：所述若干刚性梁（3）和若干拉索（4a）分别沿柔性拉索内环体系外周呈三角式布置且对应配合。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的车辐式斜交刚弦张拉结构，其特征在于：所述若干刚性梁（3）和若干拉索（4a）分别沿柔性拉索内环体系外周呈交叉式布置且对应配合。