專利名稱：具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)。具體涉及是由環(huán)梁，豎直撐桿，交錯布置的脊索、斜索，環(huán)索以及緩和裝置組成的一種張力結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
索桿張力結(jié)構(gòu)是由索和桿為基本構(gòu)成單元、通過預應(yīng)力提供結(jié)構(gòu)剛度的一類空間結(jié)構(gòu)體系。它由張力索和壓桿組成，是具有預應(yīng)力平衡體系的結(jié)構(gòu)。其中，索穹頂結(jié)構(gòu)是美國工程師蓋格爾(Geiger)根據(jù)富勒(Fuller)的張拉整體結(jié)構(gòu)思想開發(fā)的，它體現(xiàn)了Fuller關(guān)于“壓力的孤島存在于拉力的海洋中”的思想，是一種結(jié)構(gòu)效率極高的全張力結(jié)構(gòu)。面對目前日益廣泛的張力結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，結(jié)合其自身的特點，研究一種能夠隨著外部作用變化而對結(jié)構(gòu)自身進行調(diào)節(jié)，最終達到自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能的結(jié)構(gòu)一直是人們的一個美好夢想。上世紀80年代英國學者提出了荷載緩和結(jié)構(gòu)(LOAD Relieving System)的概念，并將其運用于一個索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的垃圾場中，引起了人們的關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)。
它由環(huán)梁、豎直撐桿，脊索、斜索、環(huán)索、緩和裝置組成；脊索兩端經(jīng)環(huán)梁孔道與環(huán)梁錨接，交錯布置，脊索與脊索相交點與豎直撐桿頂部鉸接，斜索一端與豎直撐桿底部鉸接，斜索另一端與外側(cè)相鄰豎直撐桿頂部鉸接，最外側(cè)豎直撐桿底部斜索經(jīng)環(huán)梁孔道與環(huán)梁錨接，環(huán)索與豎直撐桿底部鉸接；在斜索與環(huán)梁錨接設(shè)置斜索緩和裝置或環(huán)索與豎直撐桿底部鉸接處設(shè)置環(huán)索緩和裝置。
脊索、斜索、環(huán)索為預應(yīng)力拉索。環(huán)梁為受壓環(huán)梁。斜索緩和裝置具有設(shè)置在環(huán)梁上的預埋鋼板，與環(huán)梁孔道相接的預埋鋼板上設(shè)有廣義彈簧單元、錨板。環(huán)索緩和裝置具有設(shè)置在環(huán)索一端部設(shè)有拉索承壓球節(jié)點、廣義彈簧單元、錨板。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比具有的有益效果是1)自重輕，結(jié)構(gòu)構(gòu)件較少，且主要是高強度拉索，結(jié)構(gòu)自重輕；2)充分發(fā)揮高強度材料的性能，本結(jié)構(gòu)可采用抗拉性能優(yōu)越的高強度拉索，承壓性能優(yōu)越的砼圈梁或鋼箱梁，可充分發(fā)揮這兩種材料各自的特性；
3)受力性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)由預應(yīng)力提供剛度，拉索始終處于受拉狀態(tài)；4)在緩和裝置的調(diào)整下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力進一步減少，在相同荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力曲線較沒有緩和裝置時下降10％～20％；5)在緩和裝置的調(diào)整下，相同荷載作用時，該結(jié)構(gòu)跨中撓度有所增大；6)對于突發(fā)的大荷載作用下，緩和裝置可以吸收一部分能量，而且緩和裝置增大了結(jié)構(gòu)的柔性，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，減少了荷載作用的沖量，在一定程度范圍內(nèi)避免倒塌的危險；7)建筑效果好，由于本結(jié)構(gòu)構(gòu)成的構(gòu)件數(shù)遠少于一般的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，因此給人們一種簡潔明快的效果，克服了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)感觀上桿件繁多零亂的弊端，鳥巢型創(chuàng)意新穎，即有維護作用，又便于采光通氣。


圖1是具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3是緩和裝置(6)詳圖；；圖4是緩和裝置(7)詳圖；圖5實施例中豎向撐桿BC內(nèi)力變化曲線；圖6實施例中斜索AC內(nèi)力變化曲線；圖7實施例中環(huán)索C內(nèi)力變化曲線；圖8實施例中脊索BD內(nèi)力變化曲線；圖9實施例中斜索BE內(nèi)力變化曲線；圖10實施例中環(huán)索E內(nèi)力變化曲線；圖11實施例中環(huán)索E內(nèi)力變化曲線；圖11實施例中節(jié)點B的位移-荷載變化曲線；圖13實施例中節(jié)點C的位移-荷載變化曲線；圖中環(huán)梁1，，豎直撐桿2，脊索3、斜索4、環(huán)索5、斜索緩和裝置6、環(huán)索緩和裝置7、預埋鋼板8、錨板9、廣義彈簧單元10、孔道11、拉索承壓球節(jié)點12。
具體實施例方式
如圖1所示，具有緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)由環(huán)梁1、豎直撐桿2，脊索3、斜索4、環(huán)索5、緩和裝置組成；脊索3兩端經(jīng)環(huán)梁孔道11與環(huán)梁1錨接，交錯布置，脊索與脊索相交點與豎直撐桿2頂部鉸接，斜索4一端與豎直撐桿2底部鉸接，斜索另一端與外側(cè)相鄰豎直撐桿2頂部鉸接，最外側(cè)豎直撐桿2底部斜索4經(jīng)環(huán)梁孔道11與環(huán)梁1錨接，環(huán)索5與豎直撐桿2底部鉸接；在斜索4與環(huán)梁1錨接設(shè)置斜索緩和裝置6或環(huán)索5與豎直撐桿2底部鉸接處設(shè)置環(huán)索緩和裝置7。脊索3、斜索4、環(huán)索5為預應(yīng)力拉索。環(huán)梁1為受壓環(huán)梁。
如圖3所示，斜索緩和裝置6具有設(shè)置在環(huán)梁1上的預埋鋼板8，與環(huán)梁孔道11相接的預埋鋼板8上設(shè)有廣義彈簧單元10、錨板9。
如圖4所示，環(huán)索緩和裝置6具有設(shè)置在環(huán)索5一端部設(shè)有拉索承壓球節(jié)點12、廣義彈簧單元10、錨板9。
具有緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)由不同強度的材料組合而成。環(huán)梁為受壓環(huán)梁，可利用下部結(jié)構(gòu)柱頂圈梁，一般為鋼筋砼梁，剛度大，受壓性能好，施工也方便，脊索錨板可固定在該梁上，張拉操作空間寬敞，操作方便。脊索、斜索、環(huán)索可采用高強鋼絲，鋼絞線，鋼絲繩等。拉索施工時，首先要確定其零應(yīng)力狀態(tài)下的長度，加工索頭、錨具和豎直撐桿，在實際施工中，拉索的初始預應(yīng)力值與設(shè)計值仍有可能出現(xiàn)較大的差距，所以豎直撐桿可以設(shè)計為長度可調(diào)節(jié)的構(gòu)件，環(huán)索與脊索和谷索之間的連接可采用可調(diào)節(jié)索，連接和調(diào)整方便。索與索連接，索與梁連接的節(jié)點已有許多形式可選擇。結(jié)構(gòu)的構(gòu)件裝配完畢后，結(jié)構(gòu)仍處于無應(yīng)力狀態(tài)，當余下的小部分索張拉到位時，結(jié)構(gòu)成形并具有剛度，可承受外部荷載作用。
實施例跨度為5m，承受軸對稱荷載作用的BN 8-2型鳥巢型索穹頂，結(jié)構(gòu)的立面圖和剖面圖如圖1、2所示，在剖面圖中的豎向撐桿高度分別為0.85m、0.25m。該穹頂各索的截面積A和初始預應(yīng)力F0見表1，布置荷載緩和裝置后，通過調(diào)節(jié)初始預應(yīng)力使其內(nèi)力狀態(tài)與未加緩和裝置前基本相同。對該結(jié)構(gòu)外圈8個上節(jié)點依次施加豎向荷載P＝0(即施工張拉完成時，僅有自重的情況)，100N，200N，300N，400N，500N，計算其未加緩和裝置及在不同位置放置緩和裝置時桿件及索的內(nèi)力變化曲線，采用的緩和裝置的彈簧單元剛度為3.01E×105N/m，索的彈性模量1.95×1011MPa。附圖5、6、7、8分別是AC(斜索)，BD(脊索)，C(環(huán)索)及BC(豎直撐桿)的內(nèi)力變化曲線，計算結(jié)果表明，在環(huán)索C節(jié)點上放置緩和裝置效果最好，內(nèi)力可下降15％以上，在AB斜索和環(huán)梁錨界處放置緩和裝置，效果僅次之，內(nèi)力可下降13％左右，但施工較前者方便。(附圖9)(附圖10)。
從算例可見，本發(fā)明的效果是有益的，方案是可行的。
表1

權(quán)利要求
1.一種具有緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于，它由環(huán)梁(1)、豎直撐桿(2)，脊索(3)、斜索(4)、環(huán)索(5)、緩和裝置組成；脊索(3)兩端經(jīng)環(huán)梁孔道(10)與環(huán)梁(1)錨接，交錯布置，脊索與脊索相交點與豎直撐桿(2)頂部鉸接，斜索(4)一端與豎直撐桿(2)底部鉸接，斜索另一端與外側(cè)相鄰豎直撐桿(2)頂部鉸接，最外側(cè)豎直撐桿(2)底部斜索(4)經(jīng)環(huán)梁孔道(10)與環(huán)梁(1)錨接，環(huán)索(5)與豎直撐桿(2)底部鉸接；在斜索(4)與環(huán)梁(1)錨接設(shè)置斜索緩和裝置(6)或環(huán)索(5)與豎直撐桿(2)底部鉸接處設(shè)置環(huán)索緩和裝置(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的脊索(3)、斜索(4)、環(huán)索(5)為預應(yīng)力拉索。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的環(huán)梁(1)為受壓環(huán)梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的斜索緩和裝置(6)具有設(shè)置在環(huán)梁(1)上的預埋鋼板(8)，與環(huán)梁孔道(11)相接的預埋鋼板(8)上設(shè)有廣義彈簧單元(10)、錨板(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的環(huán)索緩和裝置(6)具有設(shè)置在環(huán)索(5)一端部設(shè)有拉索承壓球節(jié)點(12)、廣義彈簧單元(10)、錨板(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有荷載緩和功能的鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)，它由環(huán)梁、豎直撐桿、脊索、斜索、環(huán)索以及緩和裝置組成。鳥巢型索穹頂?shù)膸缀螛?gòu)型可用BN(Bird Nest)n－m型來表示，其中n為內(nèi)外環(huán)的正多邊形的邊數(shù)，亦即周邊的支撐點數(shù)，m為環(huán)索數(shù)。本發(fā)明造型美觀，受力性能優(yōu)越，而所用結(jié)構(gòu)構(gòu)件較少，在緩和裝置作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力進一步減少，在相同荷載作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力曲線較沒有緩和裝置時下降10％～20％。特別對于突發(fā)的大荷載作用下，緩和裝置可以吸收一部分能量，而且緩和裝置增大了結(jié)構(gòu)的柔性，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形，減少了荷載作用的沖量，在一定程度范圍內(nèi)避免倒塌的危險。
文檔編號E04B1/342GK101041999SQ200710068138
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者高博青, 趙超超, 馬洪步 申請人:浙江大學