[发明专利]一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系

权利要求书

1.一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：该结构体系分为上部结构与下部结构两部分，其中上部结构由预应力脊杆(1)、高性能钢节点(5)及预应力连接节点(6)组成；下部结构由斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及中心压杆(7)组成；高性能钢节点(5)用于连接相邻各圈预应力脊杆(1)，各高性能钢节点(5)的形式由结构拓扑形式确定的相邻各圈预应力脊杆(1)数量决定，并由高性能钢材构成的无缝圆钢管焊接而成；预应力连接节点(6)由开孔十字节点及开孔角钢节点组成，其中开孔十字节点与高性能钢节点(5)焊接，开孔角钢节点与刚性脊杆通过预应力筋连接，开孔十字节点与开孔角钢节点通过高强螺栓连接以满足装配化施工要求；

该结构体系的径向圈数由结构拓扑形式确定其中与边环梁铰接的预应力脊杆(1)为最外圈与中心压杆(7)连接的预应力脊杆(1)为最内圈(第一圈)，预应力脊杆(1)作为受拉构件与高性能钢节点(5)通过预应力连接节点(6)连接；中心压杆(7)垂直地面布置与最内圈的高性能钢节点(5)连接，环向撑杆(4)的上端点与高性能钢节点(5)连接，环向撑杆(4)的下端点与相邻环向撑杆(4)的下端点、环索(3)及斜索(2)的下端点相连接，环向撑杆(4)呈倒“V”字型布置于高性能钢节点(5)与环索(3)之间且其水平投影与环索(3)重合，斜索(2)用于连接相邻各圈的高性能钢节点(5)、环索(3)及环向撑杆(4)或中心压杆(7)的下端点，环索(3)连接各圈环向撑杆(4)及斜索(2)的下端点且在各圈环向闭合布置。

2.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：由预应力脊杆(1)代替传统索穹顶结构中的脊索作为受拉构件，预应力脊杆(1)由外部无缝圆钢管及内部预应力筋两部分通过预应力连接节点(6)连接构成。

3.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的上部结构中预应力脊杆(1)与高性能钢节点(5)之间通过预应力连接节点(6)装配连接，下部结构中斜索(2)、环索(3)及环向撑杆(4)同样能够实现装配连接，在施工现场配合工装索的使用、分步提升能够实现该新型结构体系上、下部结构同时满足整体装配、整体张拉的施工要求。

4.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及高性能钢节点(5)之间的连接均为铰接，预应力脊杆(1)与高性能钢节点(5)之间通过预应力连接节点(6)采用高强螺栓连接，最外圈预应力脊杆(1)、斜索(2)与边环梁之间采用铰接连接。

5.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的环向撑杆(4)与中心压杆(7)均采用无缝圆钢管，环向撑杆(4)在同圈环向呈倒“V”字型首尾连续布置且其水平投影与环索(3)重合，中心压杆(7)垂直地面布置且中心压杆(7)标高最高，同圈环向撑杆(4)顶部标高相同沿径向逐圈递减。

6.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：所述的斜索(2)和环索(3)均为预应力拉索，其材料选用钢绞线或钢丝绳，拉索索头选用可调节长度的索头。

7.根据权利要求1所述的一种大跨度装配式预应力脊杆环撑索穹顶结构体系，其特征在于：

该结构体系的构件加工与装配施工可分为工厂内构件加工与施工现场装配施工；工厂内构件加工：根据结构设计荷载及该结构体系的几何拓扑形式，首先确定各圈高性能钢节点(5)的构造形式及尺寸并在工厂内加工成型，其次根据结构找形与找力分析结果确定各圈预应力脊杆(1)、斜索(2)、环索(3)、环向撑杆(4)及中心压杆(7)在零应力状态下的截面尺寸及下料长度并在工厂加工，最后按照预应力脊杆(1)的构造要求在工厂内组装成型，同时由零应力状态下斜索(2)、环索(3)的下料长度选择相配套的可调节长度的索头及锚具；

施工现场装配工作：

S1.定位中心压杆(7)的位置，采用铰接连接方式建立中心压杆(7)与最内圈(第一圈)高性能钢节点(5)的连接；

S2.根据结构几何拓扑形式确定第二圈高性能钢节点(5)的几何形状与位置并采用预应力连接节点(6)建立最内圈高性能钢节点(5)与预应力脊杆(1)及第二圈高性能钢节点(5)之间的连接；

S3.用斜索(2)建立第一圈高性能钢节点(5)与中心压杆(7)之间的铰接连接；

S4.根据第一圈环向撑杆(4)的布置形式建立第一圈环向撑杆与第一圈环索(3)及高性能钢节点(5)之间的铰接连接，其中环向撑杆(4)呈倒“V”字形布置于高性能刚节点(5)与环索(3)之间；

S5.以第一圈各构件之间的连接方式为参考，采用同样的连接方式并根据结构几何拓扑形式逐圈建立各圈不同构件之间的连接直至结构最终成型；

S6.在装配施工过程中配合工装索的使用，每完成一圈安装分步提升各圈高性能钢节点到设计标高；

S7.待装配完成最外圈预应力脊杆(1)并提升到设计标高后建立该结构体系与边环梁之间的铰接连接；

S8.待该结构体系整体装配完成后，通过张拉最外圈斜索的方式对整个结构体系施加预应力使其由机构变为结构体系达到设计目的；由以上构件加工与施工步骤可知该结构体系能够实现工厂加工，施工现场其上部结构与下部结构同时满足整体装配、整体张拉的施工要求。