径向开启式索穹顶结构技术领域
本发明涉及一种穹顶结构,尤其是一种径向开启式索穹顶结构。
背景技术
从遮风挡雨及抵御侵害的基本要求，到各式各样的表演聚会，建筑的功能随着人们生活水平的提高在不断演变。从古罗马的万神庙到现今的许多造型新颖的大跨度公共建筑（机场候机厅、会展中心、大剧院、体育馆等），人们对于建筑在功能和形态上都在不断综合和创新。现代建筑要求建筑由单一的功能向多功能化方向发展。例如多功能体育建筑既要为人们提供一个遮风挡雨的适宜空间进行各种体育运动，又要体现出和大自然亲近的运动环境，还要能够举办大型会议、比赛和演出。
索杆张力结构体系由高强度索和压杆组成，其质量较小，收纳率较大，且索杆连接的节点相对简单。体系的基本特点是其一部分刚度由预应力提供，可以节省大量的材料；另外由于其应力态恒定，它也是一种结构效率很高的体系。索穹顶结构是由美国工程师Geiger首先提出的，它体现了Fuller关于“拉力海洋中的压力孤岛”的张拉整体结构思想，是一种结构效率极高额全张力结构。具有开启式屋盖的体育建筑越来越受到工程师的青睐，但目前国内外已建成的开启式屋盖的跨度均不大。
发明内容
为了克服现有开启屋盖结构技术的缺陷,本发明提供了一种径向开启式索穹顶结构。
为了达到上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种径向开启式索穹顶结构，包括边环梁、脊索、环索、最内圈撑杆、辅助撑杆、径向索、上中心拉力环索、下中心拉力环索以及主动索，所述的边环梁由至少四根相同的梁首尾相连组成，上中心拉力环索为一根拉索依次穿越最内圈撑杆的上端形成一个环；下中心拉力环索为一根拉索依次穿越最内圈撑杆的下端形成一个环；脊索由多段拉索相连构成，脊索的一端锚固在边环梁接点上，脊索的另一端连接在最内圈撑杆上端，辅助撑杆上端与脊索的转折点铰接，辅助撑杆的下端与径向索的一端铰接，最外圈径向索的另一端锚固在边环梁接点上，最内圈径向索的另一端连接在最内圈撑杆的下端；环索为一根拉索依次穿越辅助撑杆的下端形成；所述主动索的一端连接在最内圈撑杆的中部，另一端锚固在边环梁接点上。
所述径向开启式索穹顶结构，所述组成边环梁的梁根数不小于4且不大于720。
所述径向开启式索穹顶结构，所述的最内圈撑杆标高最高，以最内圈撑杆为中心，沿脊索布置的辅助撑杆上端标高环向相同，径向由内向外递减，同一环向上的辅助撑杆下端由环索相连。
所述径向开启式索穹顶结构，上中心拉力环索和下中心拉力环索的每段拉索上套设第一钢管，其长度为相邻最内圈撑杆之间的距离；环索的每段拉索上套设第二钢管，其长度为相邻辅助撑杆之间的距离。
所述径向开启式索穹顶结构,所述的上中心拉力环索、下中心拉力环索、径向索、脊索与环索为预应力拉索。
所述径向开启式索穹顶结构，所述上中心拉力环索、下中心拉力环索、径向索、脊索与环索采用高强度钢丝、钢绞线或者钢丝绳。
本发明的有益效果是，本发明由锚固在边环梁和最内圈撑杆上的主动索驱动穹顶结构的开启，利用环索驱动穹顶结构的闭合，实现了索穹顶结构的径向开启，其运动机理简单、构造合理；本发明结构的外荷载主要由索杆体系承担，其自重轻，而且采用高强度拉索，结构的刚度主要由预应力提供，其受力性能十分优越；另外，本结构的构件数量远小于一般的网格结构，因此给人一种简洁明快的效果，克服了常用折叠结构感观上杆件繁多凌乱的缺点；而且其设计和施工简单，特别适合于具有大跨度开合屋盖结构。
附图说明
图1是本发明最内圈撑杆示意图；
图2是闭合状态上中心拉力环索及其外部钢管示意图；
图3是闭合状态环索及其外部钢管示意图；
图4是运动过程本发明示意图；
图5是运动过程中环索及其外部钢管示意图；
图6是环索及其外部钢管预应力分析示意图。
图中：1，边环梁；2，脊索；3，环索；4，撑杆；41，最内圈撑杆；42，辅助撑杆；5，径向索；61，上中心拉力环索；62，下中心拉力环索；7，主动索；8，第一钢管；9，第二钢管。
具体实施方式
本发明的径向开启式索穹顶结构，如图1所示，包括：边环梁1、脊索2、环索3、最内圈撑杆41、辅助撑杆42、径向索5、上中心拉力环索61、下中心拉力环索62和主动索7，所述的边环梁1是由n根梁首尾相连组成的正n边形环梁，n不小于4且不大于720，所述的上中心拉力环索61是由一根拉索依次穿越最内圈撑杆41的上端，并形成一个环，在上中心拉力环索61的每段拉索外套一根第一钢管8，其长度为最内圈撑杆之间的距离，上中心拉力环索61外部共有n根第一钢管8，如图2所示。
所述的下中心拉力环索62是由一根拉索依次穿越最内圈撑杆41的下端，并形成一个环，在下中心拉力环索62的每段拉索外套一根第一钢管8，其长度为最内圈撑杆之间的距离，、下中心拉力环索62外部共有n根第一钢管8。
脊索2的一端锚固在边环梁1上，脊索2的另一端与上中心拉力环索61连接，脊索2是向下弧形辐射状，由多段拉索相连构成，辅助撑杆42的上端与脊索2的转折点铰接，辅助撑杆42的下端与最外圈径向索5的一端和环索3铰接，最外圈径向索5的另一端也锚固在边环梁1上，最内圈径向索5的一端与脊索2的转折点铰接，最内圈径向索5的另一端与最内圈撑杆41的下端铰接，主动索7的一端连接在最内圈撑杆41的中部，另一端锚固在边环梁1接点上。
所述的环索3沿环向闭合布置，每个环为一根拉索依次穿过辅助撑杆42的端部，在辅助撑杆42之间的每段环索3上套一根第二钢管9，第二钢管9的长度为辅助撑杆42之间的距离，如图3所示。
所述的上中心拉力环索61标高最高，撑杆顶部标高环向相同，径向由内向外递减，所述的上中心拉力环索61和下中心拉力环索62、脊索2、环索3、径向索5为预应力拉索，所述的撑杆可以是金属杆棒或者金属管， 所述的边环梁1为受压边环梁，一般可以用钢筋混凝土梁，刚度大，受压性能好，施工也方便，径向索5、主动索7和脊索2的锚固用的钢板可预埋在该梁上，张拉操作空间宽敞，操作方便，所有预应力拉索可以采用高强钢丝、钢绞线或者钢丝绳，
径向开启式索穹顶结构开启过程为：放松上中心拉力环索61和下中心拉力环索62和每根环索3的约束，使索穹顶结构的预应力移除，也即索穹顶结构转变为机构，向边环梁1处收缩主动索7，随着主动索7的不断收缩，环索的长度不断增大，结构的覆盖范围不断减小，中央没有索穹顶覆盖的范围越来越大，直至主动索7的长度减小为最小，结构的开启过程结束，开启过程中的结构构形如图4所示，第一钢管8在运动过程中如图5所示。
径向开启式索穹顶结构闭合过程为：放松主动索7的约束，不断张拉上中心拉力环索61和下中心拉力环索62和环索3，上中心拉力环索61和下中心拉力环索62和环索3的长度减小，从而使所有杆件不断向中部移动，直至每段上中心拉力环索61和下中心拉力环索62的长度等于第一钢管8的长度以及每段环索3的长度等于第二钢管9的长度，继续张拉上中心拉力环索61和下中心拉力环索62和环索3，使杆件中产生预应力，从而使机构变为结构。
对于常规的索穹顶结构，其预应力分布可以通过平衡矩阵理论求得，而本发明在上中心拉力环索61和下中心拉力环索62和环索3外面套了一根钢管，其预应力方式了改变，其计算示意图如图6所示。T1为索穹顶结构本身自应力模态赋予上中心拉力环索61或下中心拉力环索62或环索3的拉力；T2为与钢管中压力C平衡的索拉力，所以径向开启式索穹顶结构上中心拉力环索61或下中心拉力环索62或环索3的预应力为T1＋T2。