阅读说明：本技术 一种交替复合式索穹顶结构及其实施方法 (Alternate composite cable dome structure and implementation method thereof ) 是由 张爱林 张艳霞 朱莉娜 文闻 林海鹏 于 2019-12-06 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了一种交替复合式索穹顶结构及其实施方法,包括：支撑组件、索组件和外压刚性环梁；支撑组件包括：中心撑杆、等高双撑杆、单撑杆、不等高双撑杆和水平压杆,所述等高双撑杆、单撑杆和不等高双撑杆在每一榀由索穹顶中心向索穹顶最外圈依次布置；索组件包括：脊索组件、环索组件、斜索组件和外拉斜索组件,斜索组件在每一榀由索穹顶中心向索穹顶最外圈单依次布置。本发明实施例提供了一种交替复合式索穹顶结构,不等高双撑杆与水平压杆首尾相接形成闭合撑杆环,撑杆与脊索、斜索形成四面体结构,提高了该索穹顶结构几何稳定性,构件数少易于施工安装和张拉成形,减少施工成本,综合经济效益良好。(The embodiment of the invention provides an alternate composite cable dome structure and an implementation method thereof, wherein the alternate composite cable dome structure comprises the following steps: the supporting assembly, the cable assembly and the external pressure rigid ring beam; the support assembly includes: the cable dome comprises a central stay bar, equal-height double stay bars, a single stay bar, unequal-height double stay bars and a horizontal compression bar, wherein the equal-height double stay bars, the single stay bars and the unequal-height double stay bars are sequentially arranged from the center of the cable dome to the outermost ring of the cable dome in each truss; the cable assembly includes: the device comprises a ridge cable assembly, a ring cable assembly, a stay cable assembly and an outer stay cable assembly, wherein the stay cable assemblies are sequentially arranged from the center of the cable dome to the outermost ring of the cable dome in each roof truss. The embodiment of the invention provides an alternate composite cable dome structure, wherein unequal-height double support rods and horizontal compression rods are connected end to form a closed support rod ring, and the support rods, ridge cables and inclined cables form a tetrahedral structure, so that the geometric stability of the cable dome structure is improved, the number of components is small, the construction and installation and stretch forming are easy, the construction cost is reduced, and the comprehensive economic benefit is good.)

一种交替复合式索穹顶结构及其实施方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其涉及一种交替复合式索穹顶结构及其实施方法。

背景技术

索穹顶结构是一种始终处于连续的张力状态的结构，其中包含不连续的压杆；索穹顶结构还属于自平衡自支承体系，结构由脊索、环索和压杆组成，三者之间相互作用形成结构体系，结构在成形过程中不断自平衡。结构在未对索施加预应力之前无自然刚度，刚度在施加预应力之后产生。于此同时合理的索穹顶结构体系对索穹顶结构构刚度，稳定性有很大的影响。目前国内外存在的索穹顶结构几何拓扑形态，结构形式单一，虽较传统的索穹顶结构而言，整体稳定性与刚度有很大的提高，但节点处的杆件较多，施工复杂。没有一种既适用于大跨度，整体稳定性好，侧向刚度高及结构布置均匀和节点杆件少的索穹顶结构体系。

发明内容

本发明的实施例提供了一种交替复合式索穹顶结构及其实施方法，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种交替复合式索穹顶结构，包括：支撑组件、索组件和外压刚性环梁；

所述支撑组件包括：中心撑杆、等高双撑杆、单撑杆、不等高双撑杆和水平压杆，所述等高双撑杆、单撑杆和不等高双撑杆在每一榀由索穹顶中心向索穹顶最外圈依次布置；

所述索组件包括：脊索组件、环索组件、斜索组件和外拉斜索组件，所述斜索组件在每一榀由索穹顶中心向索穹顶最外圈依次布置；

所述环索组件包括第一环索、第二环索和第三环索，所述第一环索、第二环索和第三环索的中心位于所述外压刚性环梁的轴线上，所述第一环索位于中心撑杆下方，所述第二环索位于第一环索下方，所述第三环索位于第二环索下方；

所述中心撑杆竖直设置于外压刚性环梁轴心的上方，其上端点与脊索组件连接，其下端点与斜索组件连接；

所述等高双撑杆、单撑杆、不等高双撑杆的上端点均与脊索组件和斜索组件相连；

所述等高双撑杆、单撑杆、不等高双撑杆的下端点均与斜索组件和环索组件相连；

所述相邻的等高双撑杆在环向上上端点相连接，形成闭合撑杆环；

所述不等高双撑杆与水平压杆首尾相接形成闭合撑杆环；

所述外压刚性环梁与最外圈斜索组件与最外圈脊索组件相连接。

优选地，所述脊索组件包括：内脊索、第一脊索、第二脊索以及第三脊索；

所述斜索组件包括内斜索、第一单斜索、双斜索和第二单斜索，所述内斜索、第一单斜索、双斜索和第二单斜索索从穹顶中心向外压刚性环梁依次布置；

所述外拉斜索组件包括：外拉斜索；

所述外拉斜索的上端点与第三脊索的上端点、不等高双撑杆的上端点相连接，其下端点与所述第二环索、双斜索的下端点及单撑杆的下端点连接。

优选地，所述内脊索的上端点相交一点并呈辐射状，所述内脊索的上端点还与中心撑杆的上端点相连接，其下端点与第一脊索上端点连接；

所述第一脊索的下端点与第二脊索的上端点连接；

所述第二脊索的下端点与第三脊索的上端点连接；

所述第三脊索的下端点与外压刚性环梁连接。

优选地，所述第一环索、第二环索和第三环索均为多边形；

所述第一环索各顶点均与等高双撑杆的下端点、第一单斜索的下端点连接；

所述第二环索各顶点均与单撑杆的下端点、外拉斜索的下端点和双斜索的下端点连接；

所述第三环索各顶点均与不等高双撑杆的下端点、第二单斜索的下端点连接。

优选地，所述内斜索的下端点相交并呈辐射状，所述内斜索的下端点还与中心撑杆的下端点连接，其上端点与等高双撑杆的上端点、内脊索的下端点、第一脊索的上端点连接；

所述第一单斜索的下端点与第一环索的顶点、等高双撑杆的下端点连接，其上端点与单撑杆的上端点、第一脊索的下端点、第二脊索的上端点连接；

所述双斜索的下端点与第二环索的顶点、单撑杆的下端点连接，其上端点与不等高双撑杆的上端点、第二脊索的下端点连接；

所述第二单斜索的下端点与第三环索的顶点、不等高双撑杆的下端点连接，其上端点与外压刚性环梁、第三脊索的下端点连接。

优选地，所述索穹顶结构平面投影呈标准圆。

优选地，所述等高双撑杆的水平投影与第一环索重合。

一种交替复合式索穹顶结构的实施方法，包括以下步骤：

S1、确定索穹结构跨度以及矢跨比，确定所述索穹顶结构最外圈节点与外压刚性环梁之间的连接方式，包括：

根据设计要求以及实际情况选择索穹顶结构跨度，根据索的相关规范，初步选取索穹顶的矢高，外压刚性环梁与索穹顶连接的地方采用铰接连接；

S2、利用节点平衡方法与位移法计算索穹顶结构内力，包括：

索穹顶结构沿每一榀中心线对称，同时也沿最内圈内脊索所在直线对称，假设中心撑杆内力为V₀，与中心撑杆上下端连接的未知力索数均为超过2个，利用节点平衡法求出各索内力，同理可求得与第一环索相连的等高双撑杆与斜索的内力，同理也可求得单撑杆与脊索内力；

将与第二环索连接的斜索、环索、单撑杆看作一个单元并交汇于一点，单撑杆内力作为已知外力施加在该单元节点上，假定与斜索、环索远端连接节点不会因外力作用而产生位移，即远端节点视为铰接；斜索、环索单位刚度为已知，根据与该单元上连接的斜索、环索、脊索以及单撑杆单位刚度求得单元刚度；与第二环索相连的单撑杆的内力已知，当一个已知力作用在已知单位刚度的单元节点上时则可求得该单元在外力作用下所产生的位移；单元中各索相交于一点，则单元节点的位移也即是斜索、环索连接端点的位移；当位移与单位刚度都已知的情况下则可求出环索与斜索的内力；

同理可求得与第三环索相连的斜索、环索和不等高双撑杆以及脊索的内力；

S3、初步确定构件尺寸，以及环索上预应力大小：

将S2推算的各索杆内力放大到使结构能承受规范规定的荷载以及规范规定的变形要求，然后施加到索穹顶结构上，将变形后的索穹顶结构位移控制在规范限定的范围内，根据变形后索杆的内力为参考依据，选取索、杆截面尺寸；

S4、对结构进行极限承载力、正常使用的极限状态分析以及其他必要的分析；

经过S1-S3索穹顶结构已有足够的刚度和承载力能力，按照建筑结构荷载规范对索穹顶结构施加恒载、活载、雪荷载以及风荷载，并将上述荷载按照规范要求进行荷载组合，施加到索穹顶结构上，控制节点位移，以及变形后的矢跨比，若不满足相关规范则增大索组件初始预应力，或者调整撑杆组件高，反复迭代到满足规范要求为止；

S5、调整和优化参数，满足规范要求：

以撑杆组件截面直径或者索穹顶结构的总重量为控制参数，对结构进行优化。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种交替复合式索穹顶结构及其实施方法，该索穹顶结构能有效抵抗非均布荷载，且其上层结构中既存在索又存在水平压杆，约束了上层索在受力后的变形，使结构整体性更好。各撑杆与脊索、斜索形成四面体结构，提高了该索穹顶结构几何稳定性。此外，整体结构上节点构件数少易于施工安装和张拉成形，减少施工成本，综合经济效益良好。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种交替复合式索穹顶结构的三维视图；

图2为本发明实施例提供的一种交替复合式索穹顶初始几何形态平面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种交替复合式索穹顶初始几何形态计算简图；

图4为本发明实施例提供的一种交替复合式索穹顶几何形态一榀结构三维视图；

图5为本发明实施例提供的一种交替复合式索穹顶几何形态一榀结构平面图。

附图标记

11、中心撑杆；12、等高双撑杆；13、单撑杆；14、不等高双撑杆；21、内斜索；22、第一单斜索；23、双斜索；24、第二单斜索；31、内脊索；32、第一脊索；33、第二脊索；34、第三脊索；41、第一环索；42、第二环索；43、第三环索；5、外拉斜索；6、水平压杆；7、外压刚性环梁。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种交替复合式索穹顶结构，如图1-5所示，索穹顶结构平面投影呈标准圆，包括：支撑组件、索组件和外压刚性环梁。

支撑组件包括：中心撑杆11、等高双撑杆12、单撑杆13、不等高双撑杆14和水平压杆6，等高双撑杆12、单撑杆13和不等高双撑杆14在每一榀由索穹顶中心向索穹顶最外圈依次布置。

索组件包括：脊索组件、环索组件、斜索组件和外拉斜索组件。其中，脊索组件包括：内脊索31、第一脊索32、第二脊索33以及第三脊索34，内脊索为6根上，其上端点相交于一点呈辐射状，第一脊索32、第二脊索33和第三脊索34为折线形，均具有一个顶点和两个端点，脊索组件在水平面上的投影长度相等。环索组件包括第一环索41、第二环索42和第三环索43，第一环索41、第二环索42和第三环索43均为多边形，第一环索41、第二环索42和第三环索43的中心位于外压刚性环梁7的轴线上，第一环索41位于中心撑杆11下方，第二环索42位于第一环索41下方，第三环索43位于第二环索42下方。斜索组件包括内斜索21、第一单斜索22、双斜索23和第二单斜索24，内脊索为6根，其下端点相交于一点呈辐射状，内斜索21、第一单斜索22、双斜索23和第二单斜索24在每一榀由索穹顶中心向索穹顶最外圈依次布置，双斜索23为折线形，具有一个顶点和两个端点；外拉斜索组件包括：外拉斜索5，外拉斜索5为折线形，具有一个顶点和两个端点。

中心撑杆11竖直设置于外压刚性环梁7轴心的上方，其上端点与6个内脊索31的上端点相连接，其下端点与6个内斜索21的下端点连接，等高双撑杆12、单撑杆13和不等高双撑杆14在每一榀依次由索穹顶中心向索穹顶最外圈布置。

等高双撑杆12的上端点与内脊索31的下端点、第一单斜索22的上端点和内斜索21的上端点相连接，其下顶点与第一环索41的顶点和第一单斜索22的下端点相连接，相邻的等高双撑杆12在环向上(沿圆周方向)上端点相连接，形成闭合撑杆环，等高双撑杆12的水平投影与第一环索41重合。

单撑杆13的上端点与第一脊索32的下端点、第二脊索33的上顶点和第一单斜索22的上端点相连接，其下端点与第二环索42的顶点和双斜索23的下顶点和外拉斜索5的下顶点相连接。

不等高双撑杆14的一个上端点与第二脊索33的下端点、第三脊索的34一个上端点、双斜索23的上端点、水平压杆6的一端点相连接，不等高双撑杆14的另一个上端点与外拉斜索5的上端点及第三脊索34另一个上端点相连接，不等高双撑杆14的下顶点与第三环索43的顶点、第二单斜索24的下端点相连接；每2个相邻不等高双撑杆14之间连接一个水平压杆5，水平压杆5与不等高双撑杆14首尾相接形成闭合撑杆环。

内脊索31的下端点与第一脊索32的上端点连接，第一脊索32的下顶点与第二脊索33的上顶点连接，第二脊索33的下端点与第三脊索34的上端点连接，第三脊索34的下顶点与外压刚性环梁7和第二单斜索24的上端点连接于一点。

外拉斜索5的上端点与第三脊索34的上端点、第二脊索33的下端点、不等高双撑杆14的上顶点连接，其下顶点与第二环索42的顶点、单撑杆13的下端点、双斜索23的下顶点相连接。

第一环索41在各顶点处均与等高双撑杆12的下顶点、第一单斜索22的下端点连接；第二环索42在各顶点处均与单撑杆13的下端点、外拉斜索5的下顶点和双斜索23的下顶点连接；第三环索43在各顶点处均与不等高双撑杆14的下顶点、第二单斜索24的下端点连接。

6个内斜索21的下端点相交并呈辐射状，内斜索21的下端点与中心撑杆11的下端点连接，其上端点与等高双撑杆12的上端点、内脊索31的下端点、第一脊索32的上端点连接；第一单斜索22的下端点与第一环索41的顶点、等高双撑杆12的下端点连接，其上端点与单撑杆13的上端点、第一脊索32的下端点、第二脊索33的上端点连接；双斜索23的下端点与第二环索42的顶点、单撑杆13的下端点连接，其上端点与不等高双撑杆14的上端点、第二脊索33的下端点连接；第二单斜索24的下端点与第三环索43的顶点、不等高双撑杆14的下端点连接，其上端点与外压刚性环梁7、第三脊索34的下端点连接。

本发明还提供了一种交替复合式索穹顶结构的实施方法，包括以下步骤：

S1、首先确定索穹结构跨度以及矢跨比，确定索穹顶结构最外圈节点与外压刚性环梁之间的连接方式；

根据设计要求以及实际情况选择适宜索穹顶跨度，同时根据索的相关规范，初步选取索穹顶的矢高。因索穹顶结构在施加预应力后对周边刚性环梁有相当大的拉力，所以得选取相对较大的截面。外压刚性环梁与索穹顶连接的地方采用铰接连接，利于索穹顶结构在施加预应力后的变形。

S2、利用节点平衡方法与位移法对结构内力计算；

该索穹顶结构沿每一榀中心线对称，同时也沿最内圈内脊索所在直线对称，因此可将该索穹顶结构进行简化，如图3所示，方便后续的理论分析。假设中心撑杆内力为V0,与中心撑杆上下端连接的未知力索数均为超过2个，此时可利用节点平衡法求出各索内力，同理可求得与第一环索相连的等高双撑杆与斜索的内力，同理也可求得单撑杆与脊索内力。由于与第二环索相连的斜索与不等高双撑杆的上端点连接，此时斜索不再对称，导致与第二环索相连的杆件未知力有3个，此时已无法利用节点平衡法求解，此时引入位移法。将与第二环索连接的斜索、环索、单撑杆看作一个研究单元并交汇于一点，单撑杆内力作为已知外力施加在该单元节点上。由于索穹顶在施加完预应力后具有足够大的刚度，则可假定与斜索、环索远端连接节点不会因外力作用而产生位移，即远端节点视为铰接。斜索、环索单位刚度为已知，则可根据各索杆单位刚度求得单元刚度。因与第二环索相连的单撑杆的内力已知，当一个已知力作用在已知单位刚度的单元节点上时则可求得该单元在外力作用下所产生的位移。单元中各索相交于一点，则单元节点的位移也即是斜索、环索连接端点的位移。当位移与单位刚度都已知的情况下则可求出环索与斜索的内力。同理可求得与第三环索相连的斜索、环索和不等高双撑杆以及脊索的内力。

S3、初步确定构件尺寸，以及环索上预应力大小；

将步骤S2推算的各索杆内力放大到使结构能承受规范规定的荷载以及规范规定的变形要求，然后施加到索穹顶结构上，将变形后的索穹顶结构位移控制在规范限定的范围内，根据变形后索杆的内力为参考依据，选取合适的索、杆截面尺寸。注意索组件的初始预应力不要超过0.45倍的极限破断力，撑杆组件的轴压比控制在合理范围内。

S4、对结构进行极限承载力、正常使用的极限状态分析以及其他必要的分析；

经过步骤S1、S2、S3索穹顶结构已有足够的刚度和承载力能力，按照建筑结构荷载规范对索穹顶结构施加恒载、活载、雪荷载以及风荷载等，并将这些荷载按照规范要求进行荷载组合，施加到索穹顶结构上。控制节点位移，以及变形后的矢跨比等，若不满足相关规范则增大索组件初始预应力，或者调整撑杆组件高，反复迭代到满足规范要求为止。

S5、调整和优化参数，同时使其满足规范要求。

为了使索穹顶结构的经济效益更高，在不影响索穹顶承载力的前提下，可以以撑杆组件截面直径或者结构的总重量为控制参数，对结构进行优化。

综上所述，本发明实施例提供了一种交替复合式索穹顶结构，索穹顶结构平面投影呈标准圆，支撑组件是受压杆件，水平压杆是受压杆件，其他组件均是受拉钢索。该索穹顶最内圈等高双撑杆在环向上闭合，使索穹顶内环具有足够承载力，避免在荷载作用下内环塌陷。该索穹顶结构上层构件同时存在索与钢管，这是其他索穹顶结构所不具有的，且水平压杆与不等高双撑杆共同形成闭合撑杆圆，相较于传统的索穹顶结构，因其在环向上连续，所以进一步提高了该索穹顶结构抵抗非均布荷载的能力，于此同时由于上层索之间设置有水平压杆，约束了上层索在受力后的变形，使结构整体性更好。各撑杆与脊索、斜索形成四面体结构，提高了该索穹顶结构几何稳定性。与第一环索一个节点相连的等高双撑杆与第一单斜索数量仅有三根，与第三环索一个节点相连的不等高双撑杆与第二单斜索数量也仅有三根，构件数少易于施工安装和张拉成形，减少施工成本，综合经济效益良好。本发明还提供了一种交替复合式索穹顶结构的实施方法，利用节点平衡方法与位移法对结构内力分析，方法简单易实施。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。