本發(fā)明屬于大跨空間結(jié)構(gòu)，涉及一種部分自平衡的閉合馬鞍形空間結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

自平衡體系是一種完全封閉的自?xún)?nèi)力體系，支座反力只有結(jié)構(gòu)材料的自重，不隨著結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件內(nèi)力的變化而變化，因而可以實(shí)現(xiàn)超大跨度的結(jié)構(gòu)如體育場(chǎng)館、會(huì)展中心的屋面等；然而，由于這種體系的剛度完全由體系的預(yù)應(yīng)力決定，跨度越大，結(jié)構(gòu)剛度需求高，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力就越大，因而通常體系的內(nèi)外環(huán)為平面圓形，若外環(huán)（壓力環(huán)）是一個(gè)馬鞍形，其剛度就會(huì)呈幾何級(jí)數(shù)的降低，難以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的變形要求，且需要結(jié)構(gòu)材料較多，造成巨大浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

（1）解決的技術(shù)問(wèn)題

車(chē)輻式張拉索結(jié)構(gòu)體系是一種常用的自平衡結(jié)構(gòu)體系，由內(nèi)環(huán)（拉力環(huán)）、徑向預(yù)應(yīng)力鋼索（脊索和谷鎖）和外環(huán)（壓力環(huán)）組成。這種體系充分利用外環(huán)的軸向剛度以及鋼索的抗拉能力抵抗外荷載，但通常壓力環(huán)是一個(gè)平面的圓形環(huán)梁或者圓形桁架，此時(shí)壓力環(huán)僅承受軸向壓力，結(jié)構(gòu)剛度較高；當(dāng)壓力環(huán)不是平面圓而是豎向高差較大的馬鞍形時(shí)，壓力環(huán)不僅僅受到軸力的作用，還受到較大的彎矩和扭矩，大大地降低了結(jié)構(gòu)體系抵抗外荷載的效率。

本發(fā)明提出一種新型平衡結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)一系列新型的支座系統(tǒng)，充分利用壓力環(huán)的軸向剛度，避免其受到較大的彎矩和扭矩，提高了該體系抵抗外荷載的能力和效率，由于內(nèi)環(huán)、外環(huán)和徑向預(yù)應(yīng)力鋼索之間并不是一個(gè)完全自平衡的受力體系，只是一種部分自平衡的空間結(jié)構(gòu)體系。

（2）技術(shù)方案

本發(fā)明提出的部分自平衡的閉合馬鞍形空間結(jié)構(gòu)體系

內(nèi)環(huán)由一組平行拉索組成；徑向脊索內(nèi)端通過(guò)索夾與內(nèi)環(huán)連接，外端通過(guò)鋼板節(jié)點(diǎn)與外環(huán)桁架相連，脊索在外環(huán)連接節(jié)點(diǎn)高于內(nèi)環(huán)連接節(jié)點(diǎn)；徑向谷索內(nèi)端通過(guò)索夾與內(nèi)環(huán)連接，外端通過(guò)鋼板節(jié)點(diǎn)與外環(huán)桁架相連，谷索在外環(huán)連接節(jié)點(diǎn)低于內(nèi)環(huán)連接節(jié)點(diǎn)；可徑向滑動(dòng)鉸支座支座上部連接外環(huán)桁架，下部支承于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土環(huán)梁頂；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土環(huán)梁支承于鋼筋混凝土環(huán)梁柱，梁頂與柱頂標(biāo)高相同。

內(nèi)環(huán)為拉力環(huán)，僅受拉力；脊索主要承受重力、積雪等向下的荷載；谷索主要承受風(fēng)吸力等向上的荷載；馬鞍形外環(huán)桁架承受或傳遞拉索傳來(lái)的力；可徑向滑動(dòng)鉸支座僅傳遞環(huán)桁架切向的水平力和豎向力，徑向可以滑動(dòng)；下部鋼筋混凝土環(huán)梁及鋼筋混凝土環(huán)梁柱，環(huán)梁承受支座傳來(lái)的環(huán)向水平力，柱承受豎向力。

部分自平衡體系是指脊索和谷索的拉力不能通過(guò)內(nèi)環(huán)和外環(huán)形成完全的自平衡體系，內(nèi)外環(huán)只能平衡一部分拉力，還有一部分拉力需要下部預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土環(huán)梁承擔(dān)。完全自平衡體系是只脊索和谷索的所有拉力均由內(nèi)環(huán)和外環(huán)承擔(dān)，無(wú)論拉力多大，其支座反力是不變的，下部結(jié)構(gòu)僅承受內(nèi)外環(huán)及脊索、谷索的自重，是一個(gè)完全封閉的自?xún)?nèi)力體系。本發(fā)明涉及的結(jié)構(gòu)體系是不完全封閉的，增加脊索、谷索的拉力，支座的反力也會(huì)增加，下部結(jié)構(gòu)不僅僅要承受上部結(jié)構(gòu)自重，還必須承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)內(nèi)外環(huán)無(wú)法平衡的脊谷索拉力。

（3）有益效果

本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)體系，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)及外環(huán)的各種空間建筑造型，不僅僅局限于平面形狀，且大幅降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，充分發(fā)揮拉索、鋼材和混凝土材料各自的優(yōu)勢(shì)，充分利用構(gòu)件軸向剛度遠(yuǎn)大于抗彎剛度和抗扭剛度的特點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面和造價(jià)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性和建筑美學(xué)的高度統(tǒng)一。

附圖說(shuō)明：

圖1結(jié)構(gòu)體系整體三維圖

圖2局部單元剖面圖

圖3局部單元三維軸側(cè)圖

圖4內(nèi)環(huán)示意圖

圖5脊索和谷索示意圖

圖6外環(huán)桁架示意圖

圖7下部環(huán)梁及柱示意圖

圖8索夾結(jié)構(gòu)圖

圖9鋼板節(jié)點(diǎn)圖

附圖標(biāo)記：1內(nèi)環(huán)（馬鞍形），2徑向脊索，3徑向谷索，4外環(huán)桁架（馬鞍形），5可徑向滑動(dòng)鉸支座，6預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土環(huán)梁，7鋼筋混凝土環(huán)梁柱，8索夾，9鋼板節(jié)點(diǎn)，10鋼柱11背索。

具體實(shí)施方式：

以某體育場(chǎng)為例，對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

（1）本發(fā)明所涉及的工程實(shí)例為一個(gè)馬鞍形的體育場(chǎng)，體育場(chǎng)平面為圓形，直徑260米，屋蓋平面為橢圓形，最大懸挑45米。

（2）體育場(chǎng)內(nèi)環(huán)采用一組平行鋼絲索構(gòu)成，內(nèi)環(huán)為馬鞍線，馬鞍線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高差不能超過(guò)20米。

（3）脊索與谷索通過(guò)索夾節(jié)點(diǎn)與環(huán)索連接

（4）谷索外端連接在外環(huán)桁架下弦

（5）脊索外端連接在豎立于外環(huán)桁架上弦的鋼柱上，谷索根部與脊索根部高差不小于懸挑長(zhǎng)度的1/4.

（6）柱頂通過(guò)背索與環(huán)桁架下弦連接。

（7）環(huán)桁架下弦通過(guò)可徑向滑動(dòng)鉸支座與下部混凝土環(huán)梁及混凝土柱連接。

（8）內(nèi)環(huán)的形狀通過(guò)調(diào)整谷索及脊索的預(yù)應(yīng)力大小形成，張拉過(guò)程中，支座必須保證在徑向上可以滑動(dòng)，切向和豎向不能滑動(dòng)，同時(shí)，支座可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)。

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土環(huán)梁鋼筋包括直線預(yù)應(yīng)力筋及曲線預(yù)應(yīng)力筋，其形狀必須與外環(huán)桁架一致。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種部分自平衡的閉合馬鞍形空間結(jié)構(gòu)，其特征在于：內(nèi)環(huán)由一組平行拉索組成；徑向脊索內(nèi)端通過(guò)索夾與內(nèi)環(huán)連接，外端通過(guò)鋼板節(jié)點(diǎn)與外環(huán)桁架相連，脊索在外環(huán)連接節(jié)點(diǎn)高于內(nèi)環(huán)連接節(jié)點(diǎn)；徑向谷索內(nèi)端通過(guò)索夾與內(nèi)環(huán)連接，外端通過(guò)鋼板節(jié)點(diǎn)與外環(huán)桁架相連，谷索在外環(huán)連接節(jié)點(diǎn)低于內(nèi)環(huán)連接節(jié)點(diǎn)；可徑向滑動(dòng)鉸支座支座上部連接外環(huán)桁架，下部支承于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土環(huán)梁頂；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土環(huán)梁支承于鋼筋混凝土環(huán)梁柱，梁頂與柱頂標(biāo)高相同。

技術(shù)研發(fā)人員：楊霄;葛家琪;蔣炳麗;趙天文;何曉洪;沈敏杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.18
技術(shù)公布日：2017.07.25