[發明專利]雙層索-桿屋蓋體系

有效

• 申請號: 201010292642.5
• 申請日: 2010-09-27
• 公開（公告）號: CN101956440A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發明（設計）人: 張莉
• 申請（專利權）人: 薛貴寶
• 主分類號: E04B7/00
• 分類號: E04B7/00;E04B7/14;E04B1/34;E04B1/342
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 黃玨

本發明是在中國發明專利第200710097153.2號的“雙層索-桿屋蓋體系”基礎上的延續，且以引用方式并入包含其全部內容。

技術領域

本發明涉及一種屋蓋體系，更具體地說是一種具有新穎的拉索、壓桿布置形式的雙層索-桿屋蓋體系，該屋蓋體系是一種自應力狀態下的穩定自平衡體系，適用于會展場館、體育場館、影劇院、機場候機樓、火車站站屋等大跨度空間結構建筑。

背景技術

近幾十年來，多種類型的大跨度屋蓋體系被廣泛采用，如由剛性構件組成的網殼結構。為獲得必要的剛度和良好的工作性能，網殼結構的高跨比通常較大，而且隨著跨度的增加，結構自重及用鋼量也過大。

新材料和新技術的應用使屋蓋結構逐步向輕型化發展，如索網結構、張拉膜結構等預應力柔性結構的應用。預應力體系的特點是，在沒有施加預應力之前體系沒有剛度，其形狀是不確定的。這里柔性指體系內部節點上只有索、膜等柔性受拉構件，無剛性受壓構件。這種結構的優點是跨度大，造型優美。就結構受力而言，體系內部是連續受拉，因此內部結構必須依賴于外部支承體系來平衡體系的內拉力。只有將內部體系的邊界節點錨固在外部邊界及下部支承體系上，并在它們的強大支承作用下，通過施加預應力，體系才能成為承受外部荷載的結構。外部邊界及下部支承只有設計的非常堅固，才能平衡體系的內拉力，內部結構與外部支承缺一不可，并共同組成一個平衡的力系，二者的相互作用與依賴，使整個預應力結構的施工變得復雜且造價昂貴。柔性結構的另一個缺點是在荷載作用下結構的變形過大。

為了使結構的受力更加合理，學者們提出了一種自應力的結構形式-張拉整體結構。張拉整體結構是由拉索與壓桿組成的自應力狀態下的穩定自平衡體系，其中受拉連續，受壓不連續。這里穩定和自平衡，表明了體系的初始力學狀態，在這一狀態下沒有任何外部荷載作用(暫不考慮自重)。穩定是指體系在受到外界干擾后，能重新恢復到其平衡位置，體系的穩定與結構中各單元的合理拓撲關系密切相關。體系的自平衡是在自應力狀態下的平衡。這里自應力狀態是指：桿和索以特定的拓撲關系相互連接，在連接過程中由于單元間的相互作用以及節點與單元的相互作用，產生了索的受拉與桿的受壓，而且拉、壓自相平衡。這種內力是在體系自身的連接過程中建立的，并且能夠自平衡，它的產生與外界作用無關，不需要依靠外部邊界支承體系來實現內外力的平衡，所以這種內力為自應力。這也表明張拉整體體系自成一體，與預應力體系有著本質的區別。張拉整體結構與傳統結構(如網架、網殼結構等)在構件布置和傳力方式方面也有本質的區別。就構件布置而言，它是由柔性拉索與剛性壓桿組成的一種剛柔相濟的自應力體系；就傳力方式而言，它是受拉連續、受壓不連續。這種力學機理是工程領域所追求的非常合理的受力形式。但是，到目前為止，除了一些帶有藝術特征的張拉整體雕塑外，張拉整體結構尚無法被應用于建筑領域大跨度屋蓋體系的實際工程。

Geiger在其美國專利第4,736,553號中首次提出了一種圓形平面索桁架穹頂結構，這種索穹頂結構是受張拉整體原理啟發而產生的一種新型空間結構形式。該結構是由一系列脊索、斜索、垂直壓桿組成的類似平面桁架的片狀結構，脊索與斜索以輻射狀分別連接于中央拉力環、垂直壓桿及外部壓力環，在各圈垂直壓桿的底部由數道環索相互連接，在結構的上方覆蓋薄膜。這種結構與索網結構、膜結構等預應力柔性結構的區別是，在結構內部節點上除了有柔性受拉構件(如鋼索)之外，還有剛性受壓構件(如鋼桿)，剛性構件與柔性構件的結合增加了結構的剛度，克服了柔性結構在荷載作用下變形過大的缺點。與傳統結構(如網殼結構)相比，索穹頂結構中的壓桿是不連續布置的，改變了傳統結構內部受壓連續的傳力方式，并充分利用高強索的抗拉強度，用鋼量和自重顯著減少。但是這種結構由于沒有采用三角劃分，使得呈輻射狀的穹頂上部缺乏側向剛度。此外，該結構呈輻射狀桿件布置，使得結構僅適用于圓形平面。

Levy在其美國專利第5,259,158號、美國專利第5,355,641號以及美國專利第5,440,840號中，以Geiger設計的索穹頂為基礎，對Geiger體系的索穹頂進行了三角劃分，使結構在幾何上更容易滿足橢圓形平面。經過三角劃分的Levy體系，對于橢圓形平面結構在長軸方向還設置了中心桁架。該結構同樣可設計成中心大開孔的索穹頂結構及可開合的索穹頂結構。