一种由半新月形V柱桁架和受压环桁架构成的碗状钢结构体系

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其是涉及一种由半新月形V柱桁架和受压环桁架构成的碗状钢结构体系。

背景技术

大跨度索网结构具有简洁轻巧的建筑外观和出色的跨越能力，适用于大型体育场馆的屋盖。目前，索网屋盖的支承结构通常由外圈钢结构压环和支承压环的直线型柱子组成。常规的钢结构设计为了保证结构的效率，会尽可能采用直线或者竖直布置的竖向构件，因此需要完全避开看台结构，可能会进一步增加屋盖结构的跨度，增加屋面维护系统的面积，对工程造价产生不利影响，如图1a、图1b、图1c所示三种垂直柱形式的钢结构体系100和图2a、图2b、图2c所示三种倾斜直柱形式的钢结构体系200。

基于以上现状，申请人提出了一种由半新月形V柱桁架和受压环构成的碗状钢结构体系，该体系通过半新月形的V柱桁架，提高结构承载力和刚度，同时减小建筑轮廓尺寸，避免空间浪费，降低项目综合造价。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由半新月形V柱桁架和受压环桁架构成的碗状钢结构体系，具有可显著提高结构稳定性和承载力，缩小建筑体量的特点。同时，得益于碗状的造型，结构重力可平衡屋顶索网在压环产生的部分内力，降低钢结构内力峰值，从而减小构件截面，降低工程造价。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种由半新月形V柱桁架和受压环桁架构成的碗状钢结构体系，其包括：顶部设置的受压环桁架、下部连续设置的半新月形V柱桁架、镶嵌在半新月形V柱桁架之间的三向网格次桁架和环向支撑；所述半新月形V柱桁架由一系列半新月形桁架沿环向呈V字形布置成环，作为碗状钢结构体系的支承系统；所述三向网格次桁架设置于半新月形V柱桁架与受压环桁架之间；所述环向支撑设置于半新月形V柱桁架之间。

作为一种进一步的技术方案，所述受压环桁架标高位于一个马鞍面或平面上；所述受压环桁架的平面投影为圆形；所述受压环桁架的剖面为四边形或三角形的立体桁架。

作为一种进一步的技术方案，所述四边形的立体桁架包括：内侧立面桁架、外侧立面桁架、上层水平桁架和下层水平桁架；所述内侧立面桁架、上层水平桁架、外侧立面桁架、下层水平桁架构成四边形立体桁架的四个表面。

作为一种进一步的技术方案，所述三角形的立体桁架包括：下层水平桁架、内侧立面桁架和外侧立面桁架；所述下层水平桁架、内侧立面桁架和外侧立面桁架构成三角形立体桁架的三个表面。

作为一种进一步的技术方案，所述内侧立面桁架、外侧立面桁架均包括：立面桁架上弦弦杆、立面桁架下弦弦杆以及立面桁架腹杆；所述立面桁架腹杆设置于所述立面桁架上弦弦杆和立面桁架下弦弦杆之间，所述立面桁架腹杆包括依次连接的竖腹杆和斜腹杆。

作为一种进一步的技术方案，所述上层水平桁架和下层水平桁架均布置有水平腹杆和斜腹杆。

作为一种进一步的技术方案，所述内侧立面桁架、外侧立面桁架、上层水平桁架和下层水平桁架的内部布置有内部腹杆。

作为一种进一步的技术方案，所述半新月形V柱桁架包括：V柱桁架内弦杆、V柱桁架外弦杆和V柱桁架腹杆；所述V柱桁架腹杆连接于所述V柱桁架内弦杆与V柱桁架外弦杆之间。

作为一种进一步的技术方案，所述半新月形V柱桁架的顶部宽度与受压环桁架宽度一致，所述半新月形V柱桁架顶部的V柱桁架内弦杆和V柱桁架外弦杆分别交于受压环桁架的内弦和外弦节点处；所述半新月形V柱桁架底部的V柱桁架内弦杆和V柱桁架外弦杆交汇于一点，并与相邻的半新月形V柱桁架的底部重合交汇于下部铰支座之上。

作为一种进一步的技术方案，所述半新月形V柱桁架的V柱桁架内弦杆和V柱桁架外弦杆设置为外凸曲线线型，所述半新月形V柱桁架的顶部为新月形的中部，底部为新月形的尖部。

作为一种进一步的技术方案，所述三向网格次桁架布置在半新月形V柱桁架与受压环桁架形成的大三角形中，所述三向网格次桁架与半新月形V柱桁架的外弦杆和受压环桁架的外侧立面桁架下弦杆相连。

作为一种进一步的技术方案，所述三向网格次桁架由水平桁架、左斜桁架和右斜桁架交叉构成。

作为一种进一步的技术方案，所述水平桁架、左斜桁架和右斜桁架为空腹桁架或者带斜腹杆的桁架。

作为一种进一步的技术方案，所述环向支撑设置于半新月形V柱桁架的内弦杆之间。

作为一种进一步的技术方案，所述环向支撑设置为单圈或多圈。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

与传统钢结构体系相比，本发明具有以下特点和有益效果：

1)、本发明结构刚度大，承载力高。

2)、本发明可以减小建筑轮廓尺寸，避免空间浪费。

3)、本发明适用于立面为碗状的体育建筑的大跨度索网屋盖支承结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a、图1b和图1c为三种垂直柱形式的的结构体系；

图2a、图2b、图2c为三种倾斜直柱形式的的结构体系；

图3为本发明实施例提供的结构体系轴侧图；

图4为本发明实施例提供的结构体系平面图；

图5为本发明实施例提供的结构体系前视图；

图6为本发明实施例提供的结构体系右视图；

图7为本发明实施例提供的结构体系整体拆分图；

图8为本发明实施例提供的结构体系典型单元；

图9a、图9b、图9c、图9d为本发明实施例提供的结构体系四边形受压环桁架的四个表面示意图；

图10a、图10b、图10c为本发明实施例提供的结构体系三角形受压环桁架的三个表面示意图；

图11为本发明实施例提供的结构体系四边形受压环桁架拆分图；

图12为本发明实施例提供的结构体系半新月形V柱桁架拆分图；

图13为本发明实施例提供的结构体系三向网格次桁架实施例一拆分图。

图14为本发明实施例提供的结构体系三向网格次桁架实施例二拆分图。

图15为本发明实施例提供的结构体系三向网格次桁架实施例三拆分图。图标：1为受压环桁架，2为半新月形V柱桁架，3为三向网格次桁架，4为受压环桁架典型单元，5为半新月形V柱桁架典型单元，6为三向网格次桁架典型单元，7为受压环桁架外侧立面桁架，8为受压环桁架内侧立面桁架，9为受压环桁架上层水平桁架，10为受压环桁架下层水平桁架，11为受压环桁架内侧立面桁架上弦杆，12为受压环桁架内侧立面桁架下弦杆，13为受压环桁架内侧立面桁架腹杆，14为受压环桁架外侧立面桁架上弦杆，15为受压环桁架外侧立面桁架下弦杆，16为受压环桁架外侧立面桁架腹杆，17为受压环桁架上层水平桁架腹杆，18为受压环桁架下层水平桁架腹杆，19为受压环桁架内部腹杆，20为V柱桁架内弦杆，21为V柱桁架外弦杆，22为V柱桁架腹杆，23为三向网格次桁架的左斜桁架，24为三向网格次桁架的右斜桁架，25为三向网格次桁架的水平桁架，26为环向支撑。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图3至图15所示，本实施例提供一种由半新月形V柱桁架和受压环桁架构成的碗状钢结构体系，其包括：顶部设置的受压环桁架1、下部连续设置的半新月形V柱桁架2、镶嵌在半新月形V柱桁架2之间的三向网格次桁架3和环向支撑26；所述半新月形V柱桁架2由一系列半新月形桁架沿环向呈V字形布置成环，作为碗状钢结构体系的支承系统；所述三向网格次桁架3设置于半新月形V柱桁架2与受压环桁架1之间；所述环向支撑26设置于半新月形V柱桁架2之间。

优选地，所述受压环桁架1标高位于一个马鞍面或平面上；所述受压环桁架的平面投影为圆形；所述受压环桁架的剖面为四边形或三角形的立体桁架。图9a、图9b、图9c、图9d和图10a、图10b、图10c所示的受压环桁架典型单元4。

优选地，所述四边形的立体桁架包括：受压环桁架内侧立面桁架8、受压环桁架外侧立面桁架7、受压环桁架上层水平桁架9和受压环桁架下层水平桁架10；所述受压环桁架内侧立面桁架8、受压环桁架上层水平桁架9、受压环桁架外侧立面桁架7、受压环桁架下层水平桁架10构成四边形立体桁架的四个表面。

优选地，所述三角形的立体桁架包括：受压环桁架下层水平桁架10、受压环桁架内侧立面桁架8和受压环桁架外侧立面桁架7；所述受压环桁架下层水平桁架10、受压环桁架内侧立面桁架8和受压环桁架外侧立面桁架7构成三角形立体桁架的三个表面。

优选地，所述受压环桁架内侧立面桁架8包括：受压环桁架内侧立面桁架上弦杆11、受压环桁架内侧立面桁架下弦杆12和受压环桁架内侧立面桁架腹杆13。

优选地，所述受压环桁架外侧立面桁架7均包括：受压环桁架外侧立面桁架上弦杆14、受压环桁架外侧立面桁架下弦杆15和受压环桁架外侧立面桁架腹杆16。

优选地，所述受压环桁架上层水平桁架9包括受压环桁架上层水平桁架腹杆17。所述受压环桁架下层水平桁架10包括受压环桁架下层水平桁架腹杆18。

优选地，结合图12所示的半新月形V柱桁架典型单元5，所述受压环桁架内侧立面桁架8、受压环桁架外侧立面桁架7、受压环桁架上层水平桁架9和受压环桁架下层水平桁架10的内部布置有受压环桁架内部腹杆19。

优选地，所述半新月形V柱桁架2包括：V柱桁架内弦杆20、V柱桁架外弦杆21和V柱桁架腹杆22；所述V柱桁架腹杆22连接于所述V柱桁架内弦杆20与V柱桁架外弦杆21之间。

优选地，所述半新月形V柱桁架2的顶部宽度与受压环桁架宽度一致，所述半新月形V柱桁架2顶部的V柱桁架内弦杆20和V柱桁架外弦杆21分别交于受压环桁架的内弦和外弦节点处；所述半新月形V柱桁架2底部的V柱桁架内弦杆20和V柱桁架外弦杆21交汇于一点，并与相邻的半新月形V柱桁架2的底部重合交汇于下部铰支座之上。每一个半新月形V柱桁架典型单元5都是沿径向布置的平面桁架，具有较好的径向刚度和稳定性，同时和其上部设置的具有较大环向刚度的受压环桁架1一起，形成一系列沿环向布置的连续三角形，使整个钢结构体系具有较大且较均匀的整体径向刚度和整体环向刚度。

优选地，所述半新月形V柱桁架2的V柱桁架内弦杆20和V柱桁架外弦杆21设置为外凸曲线线型，所述半新月形V柱桁架2的顶部为新月形的中部，底部为新月形的尖部。采用这种半新月形V柱桁架2可以在不增加体育场整体尺寸的情况下，避开被占用的空间布置结构构件，降低工程造价。

优选地，结合图13至图15所示的三向网格次桁架典型单元6所述三向网格次桁架3布置在半新月形V柱桁架2与受压环桁架形成的大三角形中，所述三向网格次桁架3与半新月形V柱桁架2的外弦杆和受压环桁架1的外侧立面桁架下弦杆相连。

优选地，所述三向网格次桁架3由三向网格次桁架的水平桁架25、三向网格次桁架的左斜桁架23和三向网格次桁架的右斜桁架24交叉构成。

优选地，所述三向网格次桁架的水平桁架25、三向网格次桁架的左斜桁架23和三向网格次桁架的右斜桁架24为空腹桁架或者带斜腹杆的桁架。

优选地，所述环向支撑26设置于半新月形V柱桁架2的内弦杆之间。

优选地，所述环向支撑26设置为单圈或多圈。

由于整体结构的碗状造型，当以体育场中心为圆心时，半新月形V柱桁架2底部的支座点所处的圆环半径较受压环桁架1剖面形心位置所处的圆环半径小，在重力作用下，整体钢结构呈绕底部旋转向外倒的趋势，受压环桁架半径增大，周长增加，受压环桁架内侧立面桁架上弦杆11、受压环桁架内侧立面桁架下弦杆12承受拉力。V柱桁架外弦杆21承受压力，V柱桁架内弦杆20承受拉力。而在屋面索网安装完成后，受压环桁架1的半径会在索拉力作用下缩小，周长减少。V柱桁架内弦杆20承受压力，V柱桁架外弦杆21承受拉力。因此重力作用下的受压环桁架1和半新月形V柱桁架2的受力情况与索拉力作用下的受压环桁架1和半新月形V柱桁架2的受力情况相反，可在一定程度上互相平衡，从而大幅降低了受压环桁架1和半新月形V柱桁架构件2的构件内力幅值，降低结构构件尺寸。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。