專利名稱：矩形平面網殼結構和矩形平面弦支穹頂的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種大跨度建筑的屋頂蓋結構，特別是一種網殼結構和在網殼 結構的基礎上引入拉索和撐桿兩種構件并按照特定方式組合而成的雜交空間結 構——弦支穹頂。
技術背景隨著大跨度建筑的逐漸增多和其跨度及規(guī)模的逐漸增大，大跨度建筑的屋 蓋也涌現出了許多種新的空間結構形式，其中，單層網殼結構由于結構美觀、 施工簡單和受力合理等優(yōu)點而得以推廣。目前已經提出的單層網殼的結構形式 有單層球面網殼、單層柱面網殼、單層橢球面網殼、單層旋轉拋物面網殼、單 層旋轉雙曲面網殼、單層圓錐面網殼、單層橢圓拋物面網殼、單層雙曲拋物面 網殼、單層扭曲面網殼、單層四角錐網殼等十種，在具體應用時，可以根據建筑功能的布置選用適宜的空間結構形式；盡管如此，在設計大跨度建筑時，設 計者仍然感覺到現有的屋蓋結構形式的選擇余地有限，無法滿足日益發(fā)展的對 建筑功能和建筑造型新穎、多樣化的需求。另外，上述單層網殼結構也有它的不足之處，如存在對初始幾何缺陷敏感、 整體剛度差等缺點，因此這種空間結構僅適宜在中小跨度的建筑中應用。為了 提高單層網殼跨越大跨度的能力，使其在大跨度建筑中能得到應用，對其進行 了改進，即用張拉整體的概念來加強單層網殼結構，從而形成了一種新的空間 結構形式——弦支穹頂，這是近年來被提出并得到應用的一種優(yōu)秀的空間結構。然而，截至目前，所提出的弦支穹頂都是以單層球面網殼為基礎，即在網 殼的下面增設撐桿和拉索，然后對拉索施加預應力，使單層球面網殼、撐桿和 拉索合而為一，形成一個整體受力結構，從而提高單層球面網殼的穩(wěn)定性和結 構剛度，增大單層球面網殼的建造跨度，這與張弦梁的工作原理相似，可以看 作是由張弦梁結構發(fā)展而來的，是張弦梁結構在三維空間內的拓展。張弦梁結 構的工作原理是將簡支梁的彎矩轉化為拉索和撐桿的軸向力，從而改善結構的 受力性能，提高結構的剛度和跨度，當把拉索和撐桿布置在簡支梁的彎矩圖內， 即張弦梁的下弦索與簡支梁彎矩圖相似時，把彎矩轉化為拉索和撐桿的軸向力， 梁的彎矩變小，結構以承受軸向力為主，圖5所示為簡支梁在均布荷載下的彎 矩圖，圖6所示為張弦梁結構中索的布置圖示意圖。在實踐中，單層球面網殼弦支穹頂被廣泛地應用于圓形或橢圓形平面的建 筑中，對于矩形平面的大跨度建筑卻不適用，因此，目前僅有的球面網殼形式的弦支穹頂結構同樣無法滿足日益發(fā)展的對建筑功能和建筑造型新穎、多樣化的需求。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種矩形平面網殼結構。 本發(fā)明的另一 目的是提供一種矩形平面弦支穹頂結構。為實現上述第一個目的，本發(fā)明采用如下技術方案矩形平面網殼結構，包 括一組中心在一條垂線上的、并且依次高低錯落布設的、且其對角線依次增大的 相似矩形環(huán)梁，每一矩形環(huán)梁由環(huán)向桿依次首尾連接而成，相鄰兩個矩形環(huán)梁的 同相位的頂點之間連接有頂點連桿，相鄰矩形環(huán)梁的梁邊之間設有邊間連桿，邊 間連桿的兩端分別剛結連接于該相鄰梁邊中環(huán)向桿的節(jié)點上；位于網殼中心的矩形環(huán)梁對角跨設有兩根中心連桿，兩根中心連桿在交匯處形成中心節(jié)點。上述矩形平面網殼結構中，由中心連桿和中央矩形環(huán)梁的環(huán)向桿、由頂點 連桿、邊間連桿和其他矩形環(huán)梁的環(huán)向桿共同組合構成三角形網格，該網格的 外表面由頂點連桿和中心連桿劃分成的四個區(qū)域均為弧面。為實現第二個目的，本發(fā)明采用如下技術方案矩形平面弦支穹頂，包括矩 形平面網殼結構和張拉支撐結構，矩形平面網殼結構包括一組中心在一條垂線上 的、并且依次高低錯落布設的、且其對角線依次增大的相似矩形環(huán)梁，每一矩形 環(huán)梁由環(huán)向桿依次首尾連接而成，相鄰兩個矩形環(huán)梁的同相位的頂點之間連接有 頂點連桿，相鄰矩形環(huán)梁的梁邊之間設有邊間連桿，邊間連桿的兩端分別連接于 該相鄰梁邊中環(huán)向桿的節(jié)點上；位于網殼中心的矩形環(huán)梁對角跨設有兩根中心連 桿，兩根中心連桿在交匯處形成中心節(jié)點；張拉支撐結構包括一組張拉后中心在 一條垂線上的、且其對角線依次增大的矩形環(huán)拉索和兩根對角拉索，矩形環(huán)拉索 與所述矩形環(huán)梁相應，對角拉索位于矩形平面網殼結構相應對角線所在的垂面內； 對角拉索的兩端與位于邊緣的矩形環(huán)梁的頂點相接，在兩根對角拉索的交接點與 矩形平面網殼結構的中心節(jié)點之間設有中心撐桿，在矩形環(huán)拉索與對角拉索相交 處的節(jié)點與對應的矩形環(huán)梁的頂點之間設有節(jié)點撐桿；在對角拉索和矩形環(huán)拉索 內施加預應力后，矩形平面網殼結構和張拉支撐結構形成整體受力結構。上述矩形平面弦支穹頂中，由中心連桿和中央矩形環(huán)梁的環(huán)向桿、由頂點 連桿、邊間連桿和其他矩形環(huán)梁的環(huán)向桿共同組合構成三角形網格，該網格的 外表面由頂點連桿和中心連桿劃分成的四個區(qū)域均為弧面。所述張拉支撐結構在矩形平面網殼結構的下方與網殼相連接。所述張拉支撐結構的對角拉索呈兩端和中心底的波浪形，對角拉索的中心低 凹部分位于矩形平面網殼結構的下方，對角拉索的其余部分位于矩形平面網殼結構的上方。矩形平面網殼結構是一種全新的網殼結構形式，由于其平面為矩形，所以非 常適用于矩形平面結構的建筑，從而使屋蓋和屋體產生協調統(tǒng)一的美感。該結構 中，所有的環(huán)向桿總共只有兩種幾何長度尺寸(當結構為正方形時，所有的環(huán)向 桿都等長)，而處于同一層內的邊間連桿的長度也相等，由此該結構的桿件規(guī)格 較少，有利于加工制作和網殼的組裝；另外，由于該結構中央只有兩根中心連桿交接，且邊緣矩形環(huán)梁的每個節(jié)點上是四根桿件相連，其余每個節(jié)點上是六根桿 件相連，可見該結構中與每個節(jié)點相連的桿件數量少，連接結構簡單，施工容易。 矩形平面弦支穹頂是在矩形平面網殼結構的基礎上引入張拉支撐結構而形 成的一種新的弦支穹頂，其中高強度預應力拉索的引入使矩形平面網殼結構的鋼材強度的利用更加充分；通過對拉索施加預應力，撐桿對網殼產生反變形以 形成彈性支撐，從而使整個弦支穹頂的桿件內力和變形減小，起到了調整體系 內力分布、降低內力幅值的作用，使結構整體的強度、剛度和穩(wěn)定性有了顯著 的改善，使增大網殼結構的建造跨度成為可能。矩形平面弦支穹頂在力學上最明顯的一個優(yōu)勢是，結構對邊界約束要求降 低。在結構受外來荷載作用時，內力通過網殼、撐桿傳給對角拉索，由對角拉 索承擔外荷載對網殼產生的外推力，從而不會對邊緣構件產生水平推力，整體 結構形成自平衡體系。另外，由于本發(fā)明弦支穹頂中的一部分拉索和撐桿布置在網殼的外部，這 種布置方式是與拱形梁在均布荷載下的彎矩圖相應。拱形梁在均布荷載下的變 形曲線圖和彎矩圖如圖7、圖8所示，圖7中虛線所示為變形曲線，拱結構引 入拉索和撐桿的合理布置圖如圖9所示，從圖9中可看出，其拉索、撐桿的布 置與彎矩圖相似，張緊拉索后，預應力通過撐桿使拱產生與使用荷載作用相反 的位移，對拱形成支撐，從而部分抵消了外荷載的作用，減小拱變形，提高拱 剛度。因此，本發(fā)明中將部分拉索和撐桿布置在網殼的外部更加科學合理，這 種布置方式與目前單純上下層結構的球面弦支穹頂相比，在同樣跨度、同樣用 鋼量的前提下，本發(fā)明可使結構的整體剛度得到有效地提高，通過對相同尺寸 相同荷載條件下的矩形平面網殼設計方案、本發(fā)明弦支穹頂技術方案和目前所 提出的弦支穹頂方案的比較，對這三種方案進行穩(wěn)定性分析，得到各結構的穩(wěn) 定承載能力曲線圖，根據計算結果可知，本發(fā)明所提出的弦支穹頂結構的極限 承載力為68.8 kN/ m2，比目前所提出的弦支穹頂的承載能力提高約10.3%，具 體見圖16所示，圖中，曲線A是本發(fā)明矩形平面弦支穹頂的承載能力曲線，曲 線B是單層球面網殼弦支穹頂的承載能力曲線，曲線C是本發(fā)明單層矩形平網殼結構的承載能力曲線。另外，將一部分拉索和撐桿布置在網殼的外部，還 使得網殼的內部變得簡潔清晰，建筑效果更加美觀。矩形平面弦支穹頂結構中，由于矩形平面網殼本身具有一定的剛度，在施 工時可以作為支架使用，同時，拉索可以簡單地通過調節(jié)撐桿長度或對角拉索 長度而獲得張拉，這些因素都使得施工簡單易行、方便操作，并且大大降低了 施工成本。矩形平面弦支穹頂的屋面材料更容易與剛性材料相匹配，因此其屋 面覆蓋材料可以采用剛性材料，與膜材料等柔性屋面材料相比，剛性屋面材料 具有建筑造價低、施工連接工藝成熟和保溫遮陽性能相對較好等優(yōu)點。


圖1為矩形平面網殼結構平面圖；圖2為矩形平面網殼結構正立面圖；圖3為矩形平面網殼結構側立面圖；圖4為矩形平面網殼結構軸測圖；圖5為簡支梁在均布荷載下的彎矩圖；圖6為張弦梁的拉索和撐桿布置圖；圖7為拱在均布荷載下的變形曲線圖；圖8為拱在均布荷載下的彎矩圖；圖9為拱結構引入拉索和撐桿的合理布置圖；圖IO為矩形平面網殼結構中引入的張拉支撐結構的示意圖；圖11為矩形平面弦支穹頂平面圖；圖12為矩形平面弦支穹頂正立面圖；圖13為矩形平面弦支穹頂側立面圖；圖14為矩形平面弦支穹頂剖面圖；圖15為矩形平面弦支穹頂軸測圖；圖16為三種結構穩(wěn)定極限承載力的比較圖。
具體實施方式
圖1-圖4所示的矩形平面網殼結構，包括一組中心在一條垂線上的、并 且依次高低錯落布設的、且其對角線依次增大的相似矩形環(huán)梁l，每一矩形環(huán) 梁均由環(huán)向桿2依次首尾連接而成，相鄰兩個矩形環(huán)梁的同相位的頂點之間連 接有頂點連桿4，相鄰矩形環(huán)梁的梁邊之間設有邊間連桿3，邊間連桿3的兩 端分別剛性連接于該相鄰梁邊中環(huán)向桿2的節(jié)點上；位于網殼中心的矩形環(huán)梁 5對角跨設有兩根中心連桿6，兩根中心連桿6在交匯處形成中心節(jié)點；由中 心連桿6和中央矩形環(huán)梁的環(huán)向桿、由頂點連桿4、邊間連桿3和其他矩形環(huán)梁的環(huán)向桿共同組合構成三角形網格，該網格的外表面由頂點連桿4和中心連 桿6劃分成的四個區(qū)域均為弧面。圖1中的圓點為節(jié)點，圖中僅示意出了一個 區(qū)域內的節(jié)點，其他區(qū)域內節(jié)點省略。圖10-圖15所示的矩形平面弦支穹頂，是在上述矩形平面網殼結構的基 礎上進一步改進的技術方案，包括上述的矩形平面網殼結構和張拉支撐結構， 見圖10，張拉支撐結構包括一組張拉后中心在一條垂線上的、且其對角線依 次增大的矩形環(huán)拉索7和交接點位于該垂線上的兩根相交的對角拉索8，矩形 環(huán)拉索7的形狀和大小與網殼結構的矩形環(huán)梁1相匹配，對角拉索8位于矩形 平面網殼結構相應對角線所在的垂面內，與矩形平面網殼結構的對角線對應， 矩形環(huán)拉索7與對角拉索8相交處形成節(jié)點。對角拉索8呈兩端和中心底的波 浪形，對角拉索的中心低凹部分位于矩形平面網殼結構的下方，對角拉索的其余 部分位于矩形平面網殼結構的上方；對角拉索8的兩端與位于邊緣的矩形環(huán)梁 的頂點相接，在兩根對角拉索8的交接點與矩形平面網殼結構的中心節(jié)點之間 設有中心撐桿9，在矩形環(huán)拉索7與對角拉索8的節(jié)點與對應的矩形環(huán)梁的頂 點之間設有節(jié)點撐桿10，具體見圖10、圖14和圖15。在對角拉索8和矩形 環(huán)拉索7內施加預應力后，通過撐桿對矩形平面網殼形成支撐，矩形平面網殼 結構和張拉支撐結構便成為一個整體受力結構。當然，上述結構中，假如將張 拉支撐結構總體設置在矩形平面網殼結構的下方與網殼相連接，也可成為一種 可實施的技術方案，但這種布置方式與穹的彎矩不相符，其獲得的剛度不如交 叉布置獲得的剛度大。矩形平面弦支穹頂在施工時，首先安裝矩形平面網殼，由于網殼本身是幾 何不變體系，具有一定的強度和剛度，可以作為拉索施工時的支架；拉索施工 時，首先要確定其零應力狀態(tài)下的長度，加工索頭和錨具(拉索與撐桿連接、 拉索與梁連接的節(jié)點目前有許多種形式可選擇)，其次是掛索，將大部分索與 網殼以及撐桿連接好，并準確定位，此時，結構仍處于無應力狀態(tài)，然后將撐 桿調整到相應的位置，張緊拉索。前述工作完成后，可對拉索施加預應力，施 加預應力的方法很多，例如調節(jié)撐桿長度、拉索長度或對拉索用千斤頂進行張 拉等。當張拉至預定拉力后，矩形平面網殼、撐桿和拉索合而為一，整體受力， 形成矩形平面弦支穹頂結構。上述各個構件的截面尺寸應根據建筑結構尺寸及外荷載的大小，具體計算 確定，下面給出一具體實施算例。根據建筑方案設計要求，某結構平面尺寸為80mX80m，矢高12m，采用周 邊多點支撐，支撐點可近似為三向鉸支固定約束。作用有均布荷載2kN/ n/及計算機自動形成的結構自重。采用矩形平面弦支穹頂結構，其中矩形平面網殼以及撐桿采用Q235鋼材， 彈性模量為2.06X10,Pa，抗拉強度215Mpa;拉索采用高強鋼索材料，其彈 性模量1.8X10"MPa，抗拉強度1570MPa。最后設計得到的結構方案如下拉 索截面積為0.007258m2，初應變0.01;矩形平面網殼桿件為圓鋼管，直徑 219mm，壁厚12mm;撐桿采用圓鋼管，直徑140mm，壁厚4mm。結構的布置方 案參考圖11-圖15，通過計算得到結構的整體變形結果見圖16所示，圖中橫 坐標為結構最大位移，橫坐標為極限荷載與施加荷載的比值。結構最大豎向撓 度為46ran，拉索中的最大應力為792MPa，桿件最大應力147 MPa，均能滿足 現行規(guī)程設計要求。
權利要求
1.矩形平面網殼結構，其特征在于包括一組中心在一條垂線上的、并且依次高低錯落布設的、且其對角線依次增大的相似矩形環(huán)梁，每一矩形環(huán)梁由環(huán)向桿依次首尾連接而成，相鄰兩個矩形環(huán)梁的同相位的頂點之間連接有頂點連桿，相鄰矩形環(huán)梁的梁邊之間設有邊間連桿，邊間連桿的兩端分別連接于該相鄰梁邊中環(huán)向桿的節(jié)點上；位于網殼中心的矩形環(huán)梁對角跨設有兩根中心連桿，兩根中心連桿在交匯處形成中心節(jié)點。
2. 根據權利要求1所述的矩形平面網殼結構，其特征在于由中心連 桿和中央矩形環(huán)梁的環(huán)向桿、由頂點連桿、邊間連桿和其他矩形環(huán)梁的環(huán)向桿 共同組合構成三角形網格，該網格的外表面由頂點連桿和中心連桿劃分成的四 個區(qū)域均為弧面。
3. 矩形平面弦支穹頂，其特征在于包括矩形平面網殼結構和張拉支撐 結構，矩形平面網殼結構包括一組中心在一條垂線上的、并且依次高低錯落布 設的、且其對角線依次增大的相似矩形環(huán)梁，每一矩形環(huán)梁由環(huán)向桿依次首尾 連接而成，相鄰兩個矩形環(huán)梁的同相位的頂點之間連接有頂點連桿，相鄰矩形 環(huán)梁的梁邊之間設有邊間連桿，邊間連桿的兩端分別連接于該相鄰梁邊中環(huán)向 桿的節(jié)點上；位于網殼中心的矩形環(huán)梁對角跨設有兩根中心連桿，兩根中心連 桿在交匯處形成中心節(jié)點；張拉支撐結構包括一組張拉后中心在一條垂線上的、 且其對角線依次增大的矩形環(huán)拉索和兩根對角拉索，矩形環(huán)拉索與所述矩形環(huán) 梁相應，對角拉索位于矩形平面網殼結構相應對角線所在的垂面內；對角拉索 的兩端與位于邊緣的矩形環(huán)梁的頂點相接，在兩根對角拉索的交接點與矩形平 面網殼結構的中心節(jié)點之間設有中心撐桿，在矩形環(huán)拉索與對角拉索相交處的 節(jié)點與對應的矩形環(huán)梁的頂點之間設有節(jié)點撐桿；在對角拉索和矩形環(huán)拉索內 施加預應力后，矩形平面網殼結構和張拉支撐結構形成整體受力結構。
4. 根據權利要求3所述的矩形平面弦支穹頂，其特征在于由中心連 桿和中央矩形環(huán)梁的環(huán)向桿、由頂點連桿、邊間連桿和其他矩形環(huán)梁的環(huán)向桿 共同組合構成三角形網格，該網格的外表面由頂點連桿和中心連桿劃分成的四 個區(qū)域均為弧面。
5. 根據權利要求3或4所述的矩形平面弦支穹頂，其特征在于所述張拉支撐結構在矩形平面網殼結構的下方與網殼相連接。
6. 根據權利要求3或4所述的矩形平面弦支穹頂，其特征在于所述張拉支撐結構的對角拉索呈兩端和中心底的波浪形，對角拉索的中心低凹部分位于 矩形平面網殼結構的下方，對角拉索的其余部分位于矩形平面網殼結構的上方。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種矩形平面網殼結構，包括一組中心在一條垂線上、并且依次高低錯落、其對角線漸大的相似矩形環(huán)梁，每一矩形環(huán)梁由環(huán)向桿依次首尾連接而成，相鄰矩形環(huán)梁頂點之間有頂點連桿，梁邊之間有邊間連桿，邊間連桿的兩端分別與該相鄰梁邊環(huán)向桿的節(jié)點連接；位于中心的矩形環(huán)梁對角跨設有兩根中心連桿，中心連桿在交匯處形成中心節(jié)點；矩形平面弦支穹頂是在上述網殼的基礎上增設張拉支撐結構，其矩形環(huán)拉索與矩形環(huán)梁相應，對角拉索位于網殼相應對角線所在的垂面內，對角拉索的兩端與位于邊緣的矩形環(huán)梁的頂點相接，對角拉索的交接點和兩種拉索的交接處與網殼對應的節(jié)點之間均設有撐桿，在拉索內施加預應力后，網殼和張拉支撐結構形成整體受力結構。
文檔編號E04B7/14GK101255749SQ20081004939
公開日2008年9月3日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權日2008年3月21日
發(fā)明者劉國光, 杜文風, 博 范 申請人:河南大學