[發明專利]一種交替復合式索穹頂結構及其實施方法

在審

• 申請號: 201911244687.2
• 申請日: 2019-12-06
• 公開（公告）號: CN110805191A
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 張愛林;張艷霞;朱莉娜;文聞;林海鵬
• 申請（專利權）人: 北京建筑大學
• 主分類號: E04B7/14
• 分類號: E04B7/14
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 麻吉鳳

1.一種交替復合式索穹頂結構，其特征在于，包括：支撐組件、索組件和外壓剛性環梁；

所述支撐組件包括：中心撐桿、等高雙撐桿、單撐桿、不等高雙撐桿和水平壓桿，所述等高雙撐桿、單撐桿和不等高雙撐桿在每一榀由索穹頂中心向索穹頂最外圈依次布置；

所述索組件包括：脊索組件、環索組件、斜索組件和外拉斜索組件，所述斜索組件在每一榀由索穹頂中心向索穹頂最外圈依次布置；

所述環索組件包括第一環索、第二環索和第三環索，所述第一環索、第二環索和第三環索的中心位于所述外壓剛性環梁的軸線上，所述第一環索位于中心撐桿下方，所述第二環索位于第一環索下方，所述第三環索位于第二環索下方；

所述中心撐桿豎直設置于外壓剛性環梁軸心的上方，其上端點與脊索組件連接，其下端點與斜索組件連接；

所述等高雙撐桿、單撐桿、不等高雙撐桿的上端點均與脊索組件和斜索組件相連；

所述等高雙撐桿、單撐桿、不等高雙撐桿的下端點均與斜索組件和環索組件相連；

所述相鄰的等高雙撐桿在環向上上端點相連接，形成閉合撐桿環；

所述不等高雙撐桿與水平壓桿首尾相接形成閉合撐桿環；

所述外壓剛性環梁與最外圈斜索組件與最外圈脊索組件相連接。

2.根據權利要求1所述的結構，其特征在于，所述脊索組件包括：內脊索、第一脊索、第二脊索以及第三脊索；

所述斜索組件包括內斜索、第一單斜索、雙斜索和第二單斜索，所述內斜索、第一單斜索、雙斜索和第二單斜索索從穹頂中心向外壓剛性環梁依次布置；

所述外拉斜索組件包括：外拉斜索；

所述外拉斜索的上端點與第三脊索的上端點、不等高雙撐桿的上端點相連接，其下端點與所述第二環索、雙斜索的下端點及單撐桿的下端點連接。

3.根據權利要求2所述的結構，其特征在于，所述內脊索的上端點相交一點并呈輻射狀，所述內脊索的上端點還與中心撐桿的上端點相連接，其下端點與第一脊索上端點連接；

所述第一脊索的下端點與第二脊索的上端點連接；

所述第二脊索的下端點與第三脊索的上端點連接；

所述第三脊索的下端點與外壓剛性環梁連接。

4.根據權利要求3所述的結構，其特征在于，所述第一環索、第二環索和第三環索均為多邊形；

所述第一環索各頂點均與等高雙撐桿的下端點、第一單斜索的下端點連接；

所述第二環索各頂點均與單撐桿的下端點、外拉斜索的下端點和雙斜索的下端點連接；

所述第三環索各頂點均與不等高雙撐桿的下端點、第二單斜索的下端點連接。

5.根據權利要求4所述的結構，其特征在于，所述內斜索的下端點相交并呈輻射狀，所述內斜索的下端點還與中心撐桿的下端點連接，其上端點與等高雙撐桿的上端點、內脊索的下端點、第一脊索的上端點連接；

所述第一單斜索的下端點與第一環索的頂點、等高雙撐桿的下端點連接，其上端點與單撐桿的上端點、第一脊索的下端點、第二脊索的上端點連接；

所述雙斜索的下端點與第二環索的頂點、單撐桿的下端點連接，其上端點與不等高雙撐桿的上端點、第二脊索的下端點連接；

所述第二單斜索的下端點與第三環索的頂點、不等高雙撐桿的下端點連接，其上端點與外壓剛性環梁、第三脊索的下端點連接。

6.根據權利要求1所述的結構，其特征在于，所述索穹頂結構平面投影呈標準圓。

7.根據權利要求2所述的結構，其特征在于，所述等高雙撐桿的水平投影與第一環索重合。

8.一種權利要求1-7任一所述的交替復合式索穹頂結構的實施方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、確定索穹結構跨度以及矢跨比，確定所述索穹頂結構最外圈節點與外壓剛性環梁之間的連接方式，包括：

根據設計要求以及實際情況選擇索穹頂結構跨度，根據索的相關規范，初步選取索穹頂的矢高，外壓剛性環梁與索穹頂連接的地方采用鉸接連接；

S2、利用節點平衡方法與位移法計算索穹頂結構內力，包括：

索穹頂結構沿每一榀中心線對稱，同時也沿最內圈內脊索所在直線對稱，假設中心撐桿內力為V₀，與中心撐桿上下端連接的未知力索數均為超過2個，利用節點平衡法求出各索內力，同理可求得與第一環索相連的等高雙撐桿與斜索的內力，同理也可求得單撐桿與脊索內力；

將與第二環索連接的斜索、環索、單撐桿看作一個單元并交匯于一點，單撐桿內力作為已知外力施加在該單元節點上，假定與斜索、環索遠端連接節點不會因外力作用而產生位移，即遠端節點視為鉸接；斜索、環索單位剛度為已知，根據與該單元上連接的斜索、環索、脊索以及單撐桿單位剛度求得單元剛度；與第二環索相連的單撐桿的內力已知，當一個已知力作用在已知單位剛度的單元節點上時則可求得該單元在外力作用下所產生的位移；單元中各索相交于一點，則單元節點的位移也即是斜索、環索連接端點的位移；當位移與單位剛度都已知的情況下則可求出環索與斜索的內力；

同理可求得與第三環索相連的斜索、環索和不等高雙撐桿以及脊索的內力；

S3、初步確定構件尺寸，以及環索上預應力大?。?/p>

將S2推算的各索桿內力放大到使結構能承受規范規定的荷載以及規范規定的變形要求，然后施加到索穹頂結構上，將變形后的索穹頂結構位移控制在規范限定的范圍內，根據變形后索桿的內力為參考依據，選取索、桿截面尺寸；

S4、對結構進行極限承載力、正常使用的極限狀態分析以及其他必要的分析；

經過S1-S3索穹頂結構已有足夠的剛度和承載力能力，按照建筑結構荷載規范對索穹頂結構施加恒載、活載、雪荷載以及風荷載，并將上述荷載按照規范要求進行荷載組合，施加到索穹頂結構上，控制節點位移，以及變形后的矢跨比，若不滿足相關規范則增大索組件初始預應力，或者調整撐桿組件高，反復迭代到滿足規范要求為止；

S5、調整和優化參數，滿足規范要求：

以撐桿組件截面直徑或者索穹頂結構的總重量為控制參數，對結構進行優化。