CN114876068A - 一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系，包括：上层承重索网，整体呈环形布置，由上层承重索双向汇交构成；外环梁，设置在上层承重索网的环形外圈；内环索，设置在上层承重索网的环形内圈，作为内部边界形成空间结构的中间大开口；立柱，分布布置在外环梁的下方，上端与外环梁连接固定，下端与下部支承结构连接固定；下层形态索，与双向上层承重索在平面投影上呈三向汇交；腹索，连接上层承重索与下层形态索。本发明通过索网的合理布局，优化整体索网传力路径，使得索体应力分布均匀，受荷载状态下变形较小，结构体系更稳定，抗垮塌能力更强，作为大面积无柱空间屋盖广泛应用。

Description

一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其是大跨度空间结构体系，具体涉及一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系。

背景技术

当前，为了最大可能地形成室内无柱的大空间，以满足容纳比赛场地、大型展示需要，像体育场、展览馆这样的大跨度建筑也广泛采用索网结构，对于大跨度环状双曲形空间，可采用索网结构作为屋盖结构形式。

对于传统的索网结构，其通常为单层结构，例如中国发明专利公开CN111980265A提及一种基于彭色列闭合多角星形的鸟巢型单层空间索网屋盖结构，受限于其是单层结构体系，承载能力低，结构刚度较小，受荷状态下变形较大，若想实现较大的刚度和承载力，通常只能增加结构构件用量，例如增加索的强度、用量，该专利即在空间结构周边使用了大量的环带状V形柱群1，环带状V形柱群1的底部与基础相连，环带状V形柱群1的顶部与马鞍形外压环梁2焊接连接，由环带状V形柱群1支撑马鞍形外压环梁2，这直接导致用钢量大大增加，也必然导致空间结构整体自重大，对基础要求高，成本高，建设周期长，且成型形态不美观，施工难度也会大大增加。

另外，轮辐式（或叫车辐式）索网结构也比较常见，其一般带有中间开口，例如中国发明专利公开CN112523358A提及一种双向斜交组合的轮辐式张拉索桁架体系及应用，对于所有的轮辐式索网结构，顾名思义，类似于车轮辐条结构布局，结构索直接连接外环索与内环索，由于环索是这种结构体系中的关键承重构件，尤其是外环索，这就导致结构受力主要在环索上，环索索力大，一旦发生破坏，可能发生连续坍塌失效，且空间结构跨度越大，上述问题越突显。

再者，现有的索网结构体系，尤其是轮辐式索网结构，因其结构体系本身特性，外环索与内环索通过结构索直接相连，索的布置基本上是外疏内密，这就导致索的受力不均匀，其形状难以达到应力分布均匀的状态，结构稳定性较差，成型形态不美观，施工难度较高。

基于此，有必要改进现有的结构体系，以满足室内无柱大空间的使用需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系，通过索网的合理布局，优化整体索网传力路径，使得索体应力分布均匀，受荷载状态下变形较小，结构体系更稳定，抗垮塌能力更强，作为大面积无柱空间屋盖广泛应用。

本发明是这样实现的：

一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系，包括：

上层承重索网，整体呈环形布置，由上层承重索双向汇交构成，双向上层承重索相互呈一定夹角；

外环梁，设置在上层承重索网的环形外圈，作为外部边界与上层承重索的外端连接固定；

内环索，设置在上层承重索网的环形内圈，作为内部边界形成空间结构的中间大开口，与上层承重索、下层形态索的内端连接固定；

立柱，分布布置在外环梁的下方，上端与外环梁连接固定，下端与下部支承结构连接固定；

下层形态索，与双向上层承重索在平面投影上呈三向汇交，下层形态索的外端连接固定在立柱上，内端与内环索连接固定；

腹索，连接上层承重索与下层形态索。

在一些实施例中，双向上层承重索包括沿第一方向布置的第一方向上层索和沿第二方向布置的第二方向上层索，第一方向上层索与第二方向上层索均匀布置，双向汇交形成均匀网格。

在一些实施例中，第一方向上层索相互平行或近似平行布置，和/或，第二方向上层索相互平行或近似平行布置。

在一些实施例中，第一方向上层索和第二方向上层索均包括局部索和贯通索，其中局部索的外端连接外环梁，内端连接内环索，贯通索的两端分别连接对向的外环梁。

在一些实施例中，下层形态索包括沿第三方向布置的第三方向下层索，第三方向下层索均匀布置，与第一方向上层索、第二方向上层索在平面投影上呈三向汇交。

在一些实施例中，第三方向下层索包括局部索和贯通索，其中局部索的外端连接固定在立柱上，内端连接内环索，贯通索的两端分别连接固定在对向的立柱上。

在一些实施例中，外环梁为圆钢管梁，其上焊接耳板，上层承重索通过耳板与外环梁连接固定。

在一些实施例中，外环梁形态包括马鞍形、双曲型。

在一些实施例中，立柱为钢管混凝土柱，其上端与外环梁焊接固定，下端与下部支承结构连接固定，立柱上焊接耳板，下层形态索的外端通过耳板连接固定在立柱上。

在一些实施例中，腹索能够通过调整其预应力分布改变上层承重索的局部受力状态，和/或调整下层形态索的形态，并且腹索能够形成空间结构的局部侧立面。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提出的一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系，包括但不限于如下具体的有益效果：

（1）将双层索网以三向形式组合，形成一种大跨度柔性索网结构体系，其中外环梁由立柱支撑，使外环梁形成刚度较大支撑体系，外环梁形态可根据建筑要求而变，可适用于多种复杂形态；

（2）上层设置双向汇交承重索，大大提高结构承载能力及稳定性，有效控制了结构在荷载态下的变形；

（3）下层索与上层索通过腹索连接，下层索可通过改变腹索应力调整其形态，控制结构形态满足建筑设计要求，上层索可通过改变腹索应力局部调整其受力状态，改善结构应力分布，使得结构应力分布更为均匀；

（4）上、下层索平行均匀布置，双向汇交后形成均匀网格，能够确保各索承受的索力尽量均匀一致，应力分布更均匀，承载能力较高，同时索网布置简洁美观；

（5）上、下层索采用局部索和贯通索，形成贯通受力构件，改变了整体索网的传力路径，部分拉索索力会传至内环索，部分拉索索力直接传至***支承构件，降低了内环索索力，并且提高了环索发生断裂时结构体系的连续抗倒塌能力；

（6）结构在施工上操作简便，可提前预制，装配时设置临时安装支柱，调整局部预应力使得整体满足形态要求即可，可大大节省施工费用及工期，提高建设速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1示例性示出本发明一种较佳实施方式的整体俯视示意图；

图2示例性示出本发明一种较佳实施方式的单榀索网侧视图；

图3示例性示出本发明一种较佳实施方式的单榀索网俯视图；

图4示例性示出本发明一种较佳实施方式的局部放大示意图；

图5示例性示出本发明一种较佳实施方式的节点详图；

图6示例性示出本发明一种较佳实施方式的外环梁连接节点示意图；

图7示例性示出本发明一种较佳实施方式的整体立体结构示意图；

图中：

1-上层承重索，11-第一方向上层索，111-第一局部索，112-第一贯通索，12-第二方向上层索，121-第二局部索，122-第二贯通索；2-外环梁；3-内环索；4-立柱；5-下层形态索，51-第三局部索，52-第三贯通索；6-腹索；7-约束。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是任意合适的设置方式，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。

如图1、图2、图3所示，本发明提供的一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系，由上层承重索网（由双向上层承重索1构成）、外环梁2、内环索3、立柱4、下层形态索5以及腹索6构成，下面结合具体示图对各结构及其位置、连接关系进行详细阐述。

参见图1，上层承重索网整体呈环形布置，中间形成大开口，由上层承重索1双向汇交构成，双向上层承重索1相互呈一定夹角；索网中间大开口，减少对自然光遮挡，使得结构美观大方，满足正常的使用要求。

在一些实施例中，如图3，双向上层承重索1包括沿第一方向布置的第一方向上层索11和沿第二方向布置的第二方向上层索12，第一方向上层索11与第二方向上层索12均匀布置，双向汇交形成均匀网格。

容易理解，第一方向、第二方向应当理解为在投影平面内两个不同的方向，能够以一定夹角形成汇交，且该夹角不为0，并不局限于严格的横向、纵向，或者X方向、Y方向。

较佳的，第一方向上层索11相互平行或近似平行布置，和/或，第二方向上层索12相互平行或近似平行布置。

本发明通过将双向上层承重索1采用平行或近似平行布置，同时各索之间采用均匀一致的间距，双向汇交后形成均匀网格，能够确保各索承受的索力尽量均匀一致，即应力分布更均匀，承载能力较高，同时索网布置简洁美观。传统的轮辐式由外向内汇聚的布置方式，索网外疏内密，网格外部大，向内越来越小，应力分布不均匀，且索网形态不美观，内部较密也会带来施工工艺上的难度增加。

在一些实施例中，如图4，第一方向上层索11包括第一局部索111和第一贯通索112，其中第一局部索111的一端连接外环梁2，另一端连接内环索3，第一贯通索112的两端分别连接对向的外环梁2，即连接固定在外环梁2相对的两个位置处。

容易理解，局部和贯通是相对而言，仅是为了加以区分地描述其安装连接位置，即第一局部索111是布置在环形空间结构的两端或者两侧，外端连接外环梁2，内端连接内环索3，而第一贯通索112则是两端均连接在外环梁2上，即贯通布置。

同样，第二方向上层索12包括第二局部索121和第二贯通索122，其中第二局部索121的一端连接外环梁2，另一端连接内环索3，第二贯通索122的两端分别连接对向的外环梁2。

传统的布索方式，索网均一端连接在环梁上，另一端连接在环索上，环索索力大，环索为结构体系中关键构件，一旦发生破坏，可能发生连续坍塌失效。跨度越大，该问题越突显。本发明重新布局索网，在平行和均匀一致的网格布局基础上，形成局部索和贯通索，局部索一端由环索承载，而贯通索两端均由外部环梁承载，形成贯通受力构件，改变了整体索网的传力路径，部分拉索索力会传至内环索，部分拉索索力直接传至***支承构件，降低了内环索的受力，并且提高了环索发生断裂时结构体系的连续抗倒塌能力。

继续参见图1、图7，外环梁2设置在上层承重索网的环形外圈，与立柱4共同形成整个空间结构的外部边界，与上层承重索1的外端连接固定；图中约束7代表连接节点。

容易理解，外环梁2与上层承重索1外端的连接方式本发明不做具体限定，图中未示出具体连接方式，仅以约束7示意，本领域技术人员容易预见任意合理可行的连接方式。

在一些实施例中，可以在外环梁2上焊接耳板，如图6所示，上层承重索1通过耳板与外环梁2连接固定，耳板连接便于施工，同时也便于上层承重索1在一定范围内自由转动。

较佳的，外环梁2为圆钢管梁，在圆钢管的外壁焊接耳板，上层承重索1通过耳板与外环梁2连接固定。

本发明的外环梁2形态可根据建筑要求而定，如马鞍形、双曲型，适用范围广泛。

再参见图1，内环索3设置在上层承重索网的环形内圈，作为内部边界形成空间结构的中间大开口，与上层承重索1、下层形态索5的内端连接固定；

容易理解，内环索3与上层承重索1、下层形态索5内端的连接方式本发明不做具体限定，图中未示出具体连接方式，本领域技术人员容易预见任意合理可行的连接方式。

较佳的，由于连接点在内环索处会产生较大的不平衡力，本发明内环索3与上层承重索1、下层形态索5的内端通过高抗滑移索夹连接固定，以抵抗不平衡力。

容易理解，本发明中内环索3可以是多根，排列方式可以是单层或者多层，根据实际跨度和受力确定。

继续参见图5，立柱4分布布置在外环梁2的下方，上端与外环梁2连接固定，下端与下部支承结构（图中未示出）连接固定；立柱4的布置间距、数量、结构、尺寸等根据实际跨度和受力确定。

图中并未示出下部支承结构，下部支承结构取决于工程实际情况，图中同样以约束7示意与下部支承结构的连接节点。

较佳的，本发明中立柱4上端与外环梁2焊接固定，下端与下部支承结构连接固定，立柱4上焊接耳板，下层形态索5的外端通过耳板连接固定在立柱4上。

更佳的，立柱4采用钢管混凝土柱，能够获得较高的承载力，满足大跨度空间结构体系的承载需求。

再参见图1、图2、图3，下层形态索5与双向上层承重索1在平面投影上呈三向汇交，下层形态索5的外端连接固定在立柱4上，内端与内环索3连接固定；

在一些实施例中，下层形态索5包括沿第三方向布置的第三方向下层索，第三方向下层索均匀布置，与第一方向上层索11、第二方向上层索12在平面投影上呈三向汇交。

容易理解，第三方向为投影平面中与第一方向、第二方向网格汇交的方向，第三方向下层索会根据第一方向上层索11、第二方向上层索12的方向和夹角的改变而改变，只要能够在投影平面中与第一方向、第二方向形成汇交即可，并不局限于严格的横向、纵向，或者X方向、Y方向。

还容易理解，第三方向当然也不局限于一个方向，也可以是两个方向，或者说下层形态索5还可以包括沿第四方向布置的第四方向下层索，即下层形态索5在两方向布设，如此受力性能就更容易调整，结构优化方法更丰富，具体可以根据结构跨度和建筑造型综合考虑设计。

在一些实施例中，再如图1，第三方向下层索包括第三局部索51和第三贯通索52，其中第三局部索51的外端连接固定在立柱4上，内端连接内环索3，第三贯通索52的两端分别连接固定在对向的立柱上4。

容易理解，与上层承重索1一样，局部和贯通是相对而言，仅是为了加以区分地描述其安装连接位置，即第三局部索51是布置在环形空间结构的两端或者两侧，外端连接固定在立柱4上，内端连接内环索3，而第三贯通索52则是两端均连接固定在对向的立柱上4，即贯通布置。

与上层承重索1一样，局部索一端由环索承载，而贯通索两端均由立柱承载，形成贯通受力构件，改变了整体索网的传力路径，降低了内部环索的受力，与上层承重索1共同形成抗倒塌能力更强的结构体系。

再参见图2、图5，腹索6连接上层承重索1与下层形态索5，使得上、下层索相互连接形成整体，并且可通过调整腹索预应力分布，改变上层承重索1的受力状态，使得结构应力分布更为均匀，结构体系更稳定；通过调整腹索预应力分布，调整下层形态索5的形态，实现下层形态索5的形态可控，控制结构形态满足建筑设计要求，使得结构形态更为立体，外形美观。

另外，腹索6能够形成空间结构的局部侧立面，可供建筑设计造型。

本发明中，上层承重索网、下层形态索、内环索以及腹索的索形式可选用螺旋状钢丝束、全封闭锁紧钢丝束、带防腐护套的平行钢丝束；索材质可选用密闭索、不锈钢拉索、高钒索。索形式与索材质都可根据具体需求灵活选用，结构应用广泛。

本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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 (10)

1.一种双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于，包括：

上层承重索网，整体呈环形布置，由上层承重索双向汇交构成，双向上层承重索相互呈一定夹角；

外环梁，设置在上层承重索网的环形外圈，作为外部边界与上层承重索的外端连接固定；

内环索，设置在上层承重索网的环形内圈，作为内部边界形成空间结构的中间大开口，与上层承重索、下层形态索的内端连接固定；

立柱，分布布置在外环梁的下方，上端与外环梁连接固定，下端与下部支承结构连接固定；

下层形态索，与双向上层承重索在平面投影上呈三向汇交，下层形态索的外端连接固定在立柱上，内端与内环索连接固定；

腹索，连接上层承重索与下层形态索。

2.根据权利要求1所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

双向上层承重索包括沿第一方向布置的第一方向上层索和沿第二方向布置的第二方向上层索，第一方向上层索与第二方向上层索均匀布置，双向汇交形成均匀网格。

3.根据权利要求2所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

第一方向上层索相互平行或近似平行布置，和/或，第二方向上层索相互平行或近似平行布置。

4.根据权利要求2所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

第一方向上层索和第二方向上层索均包括局部索和贯通索，其中局部索的外端连接外环梁，内端连接内环索，贯通索的两端分别连接对向的外环梁。

5.根据权利要求2所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

下层形态索包括沿第三方向布置的第三方向下层索，第三方向下层索均匀布置，与第一方向上层索、第二方向上层索在平面投影上呈三向汇交。

6.根据权利要求5所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

第三方向下层索包括局部索和贯通索，其中局部索的外端连接固定在立柱上，内端连接内环索，贯通索的两端分别连接固定在对向的立柱上。

7.根据权利要求1所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

外环梁为圆钢管梁，其上焊接耳板，上层承重索通过耳板与外环梁连接固定。

8.根据权利要求1所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

外环梁形态包括马鞍形、双曲型。

9.根据权利要求1所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

立柱为钢管混凝土柱，其上端与外环梁焊接固定，下端与下部支承结构连接固定，立柱上焊接耳板，下层形态索的外端通过耳板连接固定在立柱上。

10.根据权利要求1所述的双层三向大开口柔性索网空间结构体系，其特征在于：

腹索能够通过调整其预应力分布改变上层承重索的局部受力状态，和/或调整下层形态索的形态，并且腹索能够形成空间结构的局部侧立面。

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