具有缓和功能的肋环型索穹顶体系.pdf

本发明公开了一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系。它具有环梁、内拉环、竖直撑杆、脊索、斜索、环索以及缓和装置；脊索一端与内拉环铰接，另一端与环梁锚接，脊索上设置多个竖直撑杆，斜索一端与竖直撑杆底部铰接，另一端与外侧相邻竖直撑杆顶部铰接，最外侧竖直撑杆底部斜索与环梁锚接。本发明受力性能优越，可以充分发挥材料的强度，而所用结构构件较少，在缓和装置作用下，结构内力进一步减少，在相同荷载作用下，结构构件的内力曲线较没有缓和装置时下降10％～20％。特别对于突发的大荷载作用下，缓和装置可以吸收一部分能量，而且缓和装置增大了结构的柔性，使结构产生较大的变形，减少了荷载作用的冲量，在一定程度范围内避免倒塌的危险。

1.  一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系，其特征在于，它具有环梁(1)，内拉环(2)，竖直撑杆(3)，脊索(4)、斜索(5)、环索(6)以及缓和装置(7)；脊索(4)一端与内拉环(2)铰接，另一端与环梁(1)锚接，脊索(4)上设置多个竖直撑杆(3)，斜索(5)一端与竖直撑杆(3)底部铰接，另一端与外侧相邻竖直撑杆(3)顶部铰接，最外侧竖直撑杆(3)底部斜索(5)与环梁(1)锚接。

2.  根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系，其特征在于，所述的内拉环(2)标高最高，以内拉环(2)为中心，竖直撑杆(3)顶部标高环向相同，径向由内向外递减，同一环向上的竖直撑杆(3)底部由环索相连。

3.  根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系，其特征在于所述的脊索(4)，斜索(5)，环索(6)为预应力拉索。

4.  根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系，其特征在于，所述的外部环梁(1)为可受承压力的环梁。

5.  根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系，其特征在于，可以在在所述的斜索(5)与环梁(1)锚接处或最外圈环索节点(7)处，设置荷载缓和装置(7)。

6.  根据权利要求1所述的一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系，其特征在于，所述的缓和装置(7)由螺栓球、广义弹簧单元、锚固件组成。

具有缓和功能的肋环型索穹顶体系
技术领域
本发明涉及一种具有缓和功能的肋环型索穹顶体系。具体涉及是由环梁，内拉环，竖直撑杆，径向布置的脊索、斜索，环索以及缓和装置组成的一种张力结构。
背景技术
索穹顶结构是美国工程师Gerger发展和推广Fuller张拉整体结构思想后实现的一种新型预应力大跨结构，它体现了Fuller关于“压力的孤岛存在于拉力的海洋中”的思想，是一种结构效率极高的全张力体系。面对目前日益广泛的张力结构体系，结合其自身的特点，研究一种能够随着外部作用变化而对结构自身进行调节，最终达到自适应和自调节功能的结构一直是人们的一个美好梦想。上世纪80年代英国学者提出了荷载缓和体系(LOAD Relieving System)的概念，并将其运用于一个索网结构的垃圾场中，引起了人们的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种缓和功能的肋环型索穹顶体系。
它具有环梁、内拉环、竖直撑杆、脊索、斜索、环索以及缓和装置；脊索一端与内拉环铰接，另一端与环梁锚接，脊索上设置多个竖直撑杆，斜索一端与竖直撑杆底部铰接，另一端与外侧相邻竖直撑杆顶部铰接，最外侧竖直撑杆底部斜索与环梁锚接。
所述的内拉环标高最高，以内拉环为中心，竖直撑杆顶部标高环向相同，径向由内向外递减，同一环向上的竖直撑杆底部由环索相连。脊索，斜索，环索为预应力拉索。外部环梁为可受承压力的环梁。斜索与环梁锚接处或最外圈环索节点处，设置荷载缓和装置。缓和装置由螺栓球、广义弹簧单元、锚固件组成。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
1)自重轻，结构构件较少，且主要是高强度拉索，结构自重轻；
2)充分发挥高强度材料的性能，本结构可采用高强度拉索，承压性能优越的砼圈梁或钢箱梁，可充分发挥这两种材料各自的特性；
3)受力性能优越，结构由预应力提供刚度，拉索始终处于受拉状态；
4)在缓和装置的调整下，结构内力进一步减少，在相同荷载作用下，结构构件的内力曲线较没有缓和装置时下降10％～20％；
5)在缓和装置的调整下，相同荷载作用时，该结构跨中挠度有所增大；
6)对于突发的大荷载作用下，缓和装置可以吸收一部分能量，而且缓和装置增大了结构的柔性，使结构产生较大的变形，减少了荷载作用的冲量，在一定程度范围内避免倒塌的危险；
7)建筑效果好，由于本结构构成的构件数远少于一般的网格结构，因此给人们一种简洁明快的效果，克服了网格结构感观上杆件繁多零乱的弊端。
附图说明
图1是具有缓和功能的肋环型索穹顶结构平面示意图；
图2具有缓和功能肋环型索穹顶结构剖面示意图；
图3斜索和环梁锚固处具有缓和功能的肋环型索穹顶体系示意图；
图4缓和装置示意图(图3中的C节点详图)；
图5算例1中斜索C12内力变化曲线；
图6算例1中脊索C13内力变化曲线；
图7算例1中环索C2内力变化曲线；
图8算例1中竖向撑杆C23内力变化曲线；
图9算例1中Q＝1.2kN/m²时结构位移图；
图10算例1中Q＝1.2kN/m²，C13处放置缓和装置时结构位移图；
图11算例1中Q＝1.2kN/m²时结构应力图；
图12算例1中Q＝1.2kN/m²，C13处放置缓和装置时结构应力图。
具体实施方式
具有缓和功能的肋环型索穹顶体系具有环梁1，内拉环2，竖直撑杆3，脊索4、斜索5、环索6以及缓和装置7；脊索4一端与内拉环2铰接，另一端与环梁1锚接，脊索4按照跨度，设置相应的多个竖直撑杆3，斜索5一端与竖直撑杆3底部铰接，另一端与外侧相邻竖直撑杆3顶部铰接，最外侧竖直撑杆3底部斜索5与环梁1锚接。按照跨度，设置相应的竖直撑杆
所述的内拉环2标高最高，以内拉环2为中心，竖直撑杆3顶部标高环向相同，径向由内向外递减，同一环向上的竖直撑杆3底部由环索相连。脊索4，斜索5，环索6为预应力拉索。外部环梁1为可受承压力的环梁。斜索5与环梁1锚接处或环索7节点处，设置荷载缓和装置7。缓和装置7由螺栓球、广义弹簧单元、锚固件组成。
具有缓和功能的肋环型索穹顶体系由不同强度的材料组合而成。环梁为受压环梁，可利用下部结构柱顶圈梁，一般为钢筋砼梁，刚度大，受压性能好，施工也方便，脊索锚板可固定在该梁上，张拉操作空间宽敞，操作方便。脊索、斜索、环索可采用高强钢丝，钢绞线，钢丝绳等。拉索施工时，首先要确定其零应力状态下的长度，加工索头、锚具和竖直撑杆，在实际施工中，拉索的初始预应力值与设计值仍有可能出现较大的差距，所以竖直撑杆可以设计为长度可调节的构件，环索与脊索和谷索之间的连接可采用可调节索，连接和调整方便。索与索连接，索与梁连接的节点已有许多形式可选择。结构的构件装配完毕后，结构仍处于无应力状态，当余下的小部分索张拉到位时，结构成形并具有刚度，可承受外部荷载作用。
下面给出一具体算例。
算例1：一个跨度为50m，承受轴对称荷载作用的肋环型索穹顶，结构的平面图和剖面图如图1、2所示，在剖面图中的竖向撑杆高度分别为1.3m、2.4m、3.6m、5.0m。该穹顶各索的截面积A和初始预应力F₀见表1，对该结构依次施加竖向均布荷载Q＝0(即施工张拉完成时，仅有自重的情况)，0.3kN/m²，0.5 kN/m²，0.7kN/m²，8 kN/m²，1 kN/m²，1.2kN/m²，计算其未加缓和装置及在不同位置放置缓和装置时杆件及索的内力变化曲线，采用的缓和装置的弹簧单元刚度为5.0×10⁶N/m，索的弹性模量1.8×10¹¹MPa。附图5、6、7、8分别是C12(斜索)，C13(脊索)，C2(环索)及C89(竖直撑杆)的内力变化曲线，计算结果表明，在C2环索节点上放置缓和装置效果最好，内力可下降15％以上，在C12斜索和环梁锚界处放置缓和装置，效果仅次之，内力可下降10％左右，但施工较前者方便。Q＝1.2 kN/m²时，未加缓和装置跨中挠度为0.257m(附图9)，在C2处放置缓和装置时，跨中挠度为0.316m(附图10)。
从算例可见，本发明的效果是有益的，方案是可行的。
表1：