[发明专利]一种改善索穹顶性能的构造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种索穹顶张拉结构设计方法，特别涉及一种改善索穹顶受力及使用性能的方法。

 

背景技术

索穹顶结构具有合理的受力特性和极高的结构效率，是最能体现当代建筑先进材料、设计和施工技术水平的现代化结构体系。索穹顶主体结构构成可分为四个部分：由脊索、斜索、环索组成的连续张力索网，受压撑杆，中央拉力环，周边受压环桁架或环梁。索膜次结构包括由张紧于脊索之上的膜和设置在径向脊索之间的谷索。预应力的施加使索穹顶从机构演变为能承受设计使用荷载的结构，所以张力索网是索穹顶结构的主要承力构件，它实现了“连续的张力海洋”结构力学先进理念。

一般索穹顶的环索均为单索，或因为单索截面太大而改为多索，而没有进行采用多索对索穹顶性能研究分析。

 

发明内容

 

技术问题

本发明的目的一在于改善索穹顶受力性能。环索作为索穹顶体系的关键受力构件，在同样材料用量的前提下，索穹顶结构体系在相同荷载状态下环索的应力水平越低，相同荷载状态下的整体变形位移越小，索穹顶结构体系的受力性能越好。

本发明的目的二在于增加索穹顶体系的可靠度。索穹顶预应力钢结构通过张拉拉索产生预应力，环索作为作为索穹顶的主要受力构件之一，其受力的可靠性极为重要，一旦出现松弛或其他任何影响其受力性能的问题，将直接降低整个索穹顶体系的受力可靠性。

本发明的目的三在于增加结构体系的可维护性。索穹顶结构体系在使用过程中不可避免可能出现影响环索受力性能的问题，此时就必须更换出问题的环索，否则将会使索穹顶体系的受力性能下降。但是当环索仅用一根索时，索穹顶体系将无法实现更换环索的操作。因为一旦环索卸除，整个索穹顶体的传力体系就崩溃，不再具有原来承受外荷载的整体刚度，从而丧失承受原荷载的能力。

 

技术方案

本发明涉及的改善索穹顶性能的构造方法包括以下步骤：

（1）在设计计算分析时将环索视为单一索，对索穹顶体系进行计算分析，并最终确定环索的预应力设计值及环索截面积。

（2）将环索截面积平均分成2根或多根，并确定一定的排列方法排列成一种特定组合，排列可以水平一字排成一排，可以水平排成上下两排，或多排，也可以竖直排成一列，还可以排成圆环形，还可以排列成内外分为多层的环形。

（3）在数值模拟计算中，按实际位置将环索内各根索之间的排列布置关系输入计算模型，并在环索与其他结构构件连接节点位置，用刚性连接连接此处的所有环索节点或耦合此处所有环索节点自由度耦合的方法模拟索夹的夹持作用。

（4）根据数值模拟计算结果，对比选出最优的环索分离布置方式。 

（5）根据选定的排列的组合截面形状，设计索夹。

 

有益效果

根据分析结果，将环索分为多根后，环索应力的内力峰值比单索时明显下降；以环索节点水平弹塑性大变形位移为h/30（h为撑杆高度）作为结构体系变形延性性能目标，其对应的体系荷载系数大于将环索作为一根时的体系荷载系数，由此可见，环索采用多索布置可有效解决索穹顶在不对称荷载作用下体系大变形延性安全性能低的问题。

若每根索的失效概率为A，当使用一根环索时，环索失效将直接导致整个索穹顶体系失效，因此索穹顶整体失效概率也为A；将原来整体为一根的环索都分为n（n为大于零的整数）根具有同样失效概率A的环索，此时当其中一根环索失效时，不至于导致索穹顶整体失效，只有当n根环索同时都失效时，索穹顶才会发生整体失效，因此将环索分为n根后整个环索以及索穹顶整体的失效概率变为Aⁿ，由此可以有效降低索穹顶整体的失效概率，提高了索穹顶结构体系的可靠度。

将环索分成n根后，其中一根或几根出现问题后，可以逐根更换环索，更换过程中不会使原来成组的环索全部卸除，而只卸除其中一根，因此换索过程中，整个索穹顶体系不会丧失所有刚度，只会出现部分减弱，从而可以实现环索更换操作。因此将环索分离为n根后有效的提高了索穹顶结构体系的可维护性。

 

附图说明

图1 索穹顶结构示意图；

图2 索夹各种布置形式；

图3 本发明设计方法的流程图。

图1中1为外脊索上端节点，2为外斜索下端点，3为外环梁上拉索耳板节点中心，4为内斜索，5为中斜索，6为外斜索，7为中间拉力环，8为内环索，9为外环索，10为内脊索，11为中脊索，12为外脊索。