一种具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，涉及一种具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖。

背景技术

目前，张力结构是构件受力效率最高的结构形式，作为一种典型的张力结构，轮辐式索膜结构是源自自行车轮辐的受力机理，并结合膜材自重轻的特点演化而来的结构体系，其构成特点是：有刚度较大的受压外环，通过沿径向布置的拉索或索桁架连到中心受拉内环索，径向索结构单元通常由径向承重索、径向稳定索以及它们之间的压杆或构造索构成。拉索或索桁架的张拉力与外环的压力平衡，整个结构属于自平衡受力体系。轮辐式大跨度张拉索膜结构具有质量轻、受力合理等优点，能够跨越非常大的跨度。

轮辐式索膜结构按照径向索的层数划分，可分为单层和双层两类。单层轮辐式张拉结构，需要其外压环高低起伏，从而形成马鞍形的空间曲面造型，为单层轮辐式索膜结构提供较大的竖向刚度。

与单层轮辐式索膜结构不同，双层轮辐式索膜结构的上径向索和下径向索形成较大的竖向刚度，故空间造型不需要做成马鞍形曲面。双层轮辐式索膜结构又分为外凸式和内凹式，外凸的索桁架有侧向失稳的可能，而内凹的索桁架没有这个问题，本发明的上径向索、下径向索与环向构造索形成的是内凹的索桁架。

目前采用轮辐式波形索膜结构的体育场，如佛山世纪莲体育场的平面拉力环及压力环均为圆形，其拉索受力较为均匀，但是由于体育场内场跑道及足球场接近椭圆形，故看台及屋盖布置采用圆形限制了建筑使用功能的合理布置。本发明适用于内外环均为圆形、内外环均为椭圆形，内环圆形外环椭圆形、内环椭圆形外环圆形四种情况。

常规的内凹轮辐式索膜结构一般设两道外环梁，两道外环梁之间通过腹杆形成平面桁架，但是由于其径向刚度小，导致外环径向压缩变形过大，使得径向索预应力损失较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖，其针对上述体育场屋盖平面采用圆形所存在的问题，能够更加符合由于体育场内场平面布置对看台和屋盖形状的需求。

本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖，包括上受压外环、下受压外环、造型外凸环和受拉内环索，上受压外环的标高大于下受压外环的标高，上受压外环、下受压外环和造型外凸环三者中的任意两者之间分别通过均匀分布的上斜腹杆、下斜腹杆、竖斜腹杆连接，构成立体环桁架；受拉内环索与上受压外环之间通过均匀分布的上径向索连接，受拉内环索与下受压外环之间通过均匀分布的下径向索连接，构成轮辐式波形屋盖。

本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖，该结构外圈设置三角形立体环桁架，铰接固定于看台的钢筋混凝土柱上。上径向索为承重索，上径向索外端固定在上受压外环上，上径向索内侧连接在受拉内环索上；下径向索为稳定索，下径向索外端固定在下受压外环上，下径向索内侧连接在受拉内环索上。下径向索和上径向索之间设置构造索，对张拉膜提供支承作用。受拉内环索通过上径向索、下径向索与钢结构系统连接成稳定的主索系，通过施加预张力形成空间整体预应力索网并通过其它构造索的协同作用控制膜结构在不同工况下的位移。

在以上方案中优选的是，上受压外环、下受压外环和造型外凸环可均为圆形，也可均为椭圆形。

还可以优选的是，上受压外环、下受压外环和造型外凸环的中心分别位于同一个标高上。

还可以优选的是，受拉内环索可为圆形，也可为椭圆形。

还可以优选的是，所述屋盖支承在钢筋混凝土柱上。

还可以优选的是，所述钢筋混凝土柱与所述屋盖铰接。

还可以优选的是，上径向索与受拉内环索和上受压外环铰接；下径向索与受拉内环索和下受压外环铰接。

还可以优选的是，上径向索、下径向索在水平平面内的投影间隔分布，构成波形屋盖。

还可以优选的是，上径向索与下径向索之间通过环向构造索连接。

本发明具有如下优点：

本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖，其在上受压外环和下受压外环外设置造型外凸环，使得这三部分环梁间通过斜腹杆相连，构成刚度较大的三角形结构立体桁架，既能够大大减小屋盖的径向压缩变形，从而减小上径向索和下径向索的预应力损失，且造型美观；其屋盖内侧设置受拉内环索，内外环之间通过上径向索、下径向索构成轮辐式波形屋盖，形成封闭的传力途径；其整个索膜结构屋盖充分发挥了各种材料的力学效能，实现了形状与效率的完美结合，自重轻，该结构抗震性能好，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为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的整体示意图。

图2为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的平面示意图。

图3为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的结构剖面图。

图4为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的环索索夹示意图。

图5为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的环索索夹剖视图。

图6为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的上径向索与环桁架上弦杆连接状态主视图。

图7为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的上径向索与环桁架上弦杆连接状态侧视图。

图8为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的下径向索与环桁架下弦杆连接状态主视图。

图9为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的下径向索与环桁架下弦杆连接状态侧视图。

图10为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的径向索构造索索夹主视图。

图11为本发明的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的径向索构造索索夹侧视图。

图中，1为上受压外环，2为下受压外环，3为造型外凸环，4为受拉内环索，5a为上斜腹杆，5b为下斜腹杆，5c为竖斜腹杆,6为立体环桁架，7为上径向索，8为下径向索，9为钢筋混凝土柱，10为构造索，11为径向索索头，12为环索索夹，13为支座，14为张拉膜。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例

一种具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖，参见图1至图3，包括上受压外环1、下受压外环2、造型外凸环3和受拉内环索4，上受压外环1的标高大于下受压外环2的标高，上受压外环1、下受压外环2和造型外凸环3三者中的任意两者之间分别通过均匀分布的上斜腹杆5a、下斜腹杆5b、竖向腹杆5c连接，构成立体环桁架6；受拉内环索4与上受压外环1之间通过均匀分布的上径向索7连接，受拉内环索4与下受压外环2之间通过均匀分布的下径向索8连接，构成轮辐式波形屋盖。

本实施例的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖的受力原理和结构特点是：该结构体系的刚度基本上由预应力提供，而不像普通结构那样来源于构件材料的自身刚度。由于预应力的可调控性，使结构的整体刚度可以通过调整预应力的大小获得。作为主要构件的索，由于强度较高，可以用相对较小的截面来提供巨大的预拉力，而外环桁架的整体稳定和构件局部稳定也不难满足。与外凸的索桁架相比，内凹的索桁架没有侧向失稳的可能。得益于高强轻质的屋面覆盖材料膜材，可以使结构具有非常大的跨越能力。其上径向索7与下径向索8间设环向构造索10，外压环与内拉环之间的拉索形成网格，为张拉膜14的铺设及成型提供了条件。每道上径向索7、下径向索8和构造索10均为单索受拉。内环索4根据受力情况，可采用单排布置，也可采用双层并排布置。构造索10为膜面内拉索，起抗雪和抗风的作用。曲率大的区域，作为承重索的上径向索7、作为稳定索的下径向索8的索力大，受拉内环索4索力小；曲率小的区域，承重索、稳定索索力小，受拉内环索4索力大。构造索10最大索力发生在屋盖悬挑根部(即环桁架附近)，最小索力发生在屋盖悬挑根部远端(即内环索附近)。由于上径向索7和下径向索8均承受拉力，作为外部受压环的立体环桁架6承受巨大的压力，有向内变形的趋势；内受拉内环索4承受拉力，有向外变形的趋势。

可见，本结构体系可通过整体张拉提升的施工方法实施，施工速度快，施工环境环保。该屋盖结构在施工中采用整体张拉的施工方法可以为，首先在胎架上搭设钢结构立体环桁架6，然后在场地内展开受拉内环索4和上径向索7、下径向索8；之后张拉上径向索7，然后再张拉下径向索8，最后安装张拉膜14。

实施例的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖，上受压外环1、下受压外环2、造型外凸环3、受拉内环索4均为椭圆形，且其中心分别位于同一标高上。

所述屋盖支承在钢筋混凝土柱9上。所述钢筋混凝土柱9与所述屋盖铰接，钢筋混凝土柱9以承担竖向轴力和水平剪力为主，无附加弯矩，其受力合理。

上径向索7与受拉内环索4和上受压外环1铰接；下径向索8与受拉内环索4和下受压外环2铰接。

上径向索7、下径向索8在水平平面内的投影间隔分布，构成波形屋盖，这样不仅受力合理，且在环向及径向均形成坡度，利于屋面有组织排水。

外环桁架6与受拉内环索4之间通过上径向索7、下径向索8连接，使得平面内受力自平衡，受拉内环索4不需要额外的锚固措施。

上述实施例的具有立体外环桁架的轮辐式波形索膜结构屋盖，张拉膜14四周边界分别与环桁架竖斜腹杆5c、上径向索7及下径向索8连接。所述环桁架腹杆包括环桁架上腹杆5a、环桁架下腹杆5b和环桁架竖腹杆5c，参见图6至图9。环桁架上弦杆1通过桁架上斜腹杆5a与造型外凸环3连接，环桁架下弦杆2通过环桁架下斜腹杆5b与造型外凸环3连接。环桁架上弦杆1位于环桁架下弦杆2上方，环桁架上弦杆1通过竖斜腹杆5c与下弦杆2连接，环桁架下弦杆2铰接固定于钢筋混凝土柱9上。造型外凸环3位于环桁架上弦杆1和环桁架下弦杆2的外侧。上径向索7和下径向索8的端部均与径向索索头11连接，径向索索头11均与环索索夹12连接，参见图4和图5。环桁架下弦杆2支撑在支座13上，环桁架下弦杆2与下径向索8连接，参见图8和图9。每根上径向索7和下径向索8分别与两根构造索10连接，两根构造索10相对于上径向索7或下径向索8对称分布，参见图10和图11。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。