技术领域

本发明涉及葵花型索穹顶结构体系与施工成形 方法， 具体涉及一种逐层双 环葵花型索穹顶结构与施工成形方法。

背景技术

现有的葵花型索穹顶结构是一说种由环索、 脊索 （上弦斜索）、 斜索 （下弦斜 索）、 撑杆以及索杆节点组成， 依靠施加预应力提供刚度的柔性体系， 其预应力 的生成及结构的成形是伴随着施工过程完成的 。 各圈的环索只有一道， 与撑杆 的下索杆节点相连。 索杆节点与脊索 （杆） 、 斜索 （杆） 、 环索之间的连接关 系为可转动的铰接关系。 已建成的葵花型索穹书顶结构工程一般采用同 步张拉各 斜索或顶升各撑杆的预应力施工方法， 为了保证各索的预应力导入精度， 需要 各斜索或各撑杆同步、 均匀地产生预应力。 这种施工方法需要数量众多的千斤 顶， 并在计算机的实时控制下进行同步集群张拉或 顶升。 现有索穹顶结构对于 构件制作的加工精度、 张拉设备的控制精度的要求很高。

尽管索穹顶是目前大跨度结构中自重最轻、 结构效率最高的一种先进的结 构形式， 但现在只有极少数几个发达国家的个别企业有 能力设计与建造大跨度 索穹顶结构， 其中的主要瓶颈问题是， 现有索穹顶结构的构造方式和施工方法， 决定了其成功建造对于构件制作精度与预应力 施工精度有着极大的依赖。 否则， 无法建好， 甚至无法建成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逐层双环葵花型索 穹顶结构与施工成形方法， 通过对现有葵花型索穹顶结构体系及其施工成 形方法的改造， 能够使建造摆脱 对构件制作精度与预应力施工精度的过度依赖 ， 并使施工成形方法更加简单、 施工质量更好、 施工成本更低。

提出的新型葵花型索穹顶结构称为逐层双环葵 花型索穹顶结构， 其关键技 术在于： （1 ) 通过把现有的每层只有下环索的葵花型索穹顶 结构体系改变成为 每层有上、 下两道连续贯通的环索的葵花型索穹顶结构体 系， 并把现有难度很 大的整体安装、 整体张拉或顶升索杆结构的施工成形方法， 简化为逐层安装、 逐层张拉、 分层叠加索杆结构的施工成形方法。 （2) 通过改变索杆节点的构造 使环索与索杆节点之间在施工时形成可滑动的 铰接关系， 使环索通过每个索杆 节点后的预应力损失接近于零， 使相邻两段环索的内力相等， 最终使整个结构 的环索、 斜索 （杆） 、 撑杆等构件的内力与设计相符。 （3 ) 在整体结构施工完 成后， 能够方便地把环索与各索杆节点锁住， 使环索与各索杆节点之间形成不 可滑动、 可转动的铰接关系， 以提高整体结构的承载力。 （4) 把集群控制、 一 次多点张拉众多斜索 （杆） 或顶升众多撑杆的预应力施工方法， 简化为一次仅 张拉上、 下两道环索的预应力施工方法。

本发明采用的技术方案是：

一、 一种逐层双环葵花型索穹顶结构：

包括以立面上一圈撑杆为一层， 除顶层外的每层均由若干个几何特征相同、 个数相同的单元构成， 每层的单元等间距布置， 其特征在于： 每个单元的撑杆 上下端分别安装上索杆节点和下索杆节点； 上索杆节点的一侧连接两根本层的 上斜索、 上索杆节点的另一侧分别连接上层的两根上斜 索和上层的两根下斜索， 以及穿过上索杆节点中间的上环索； 下索杆节点上连接两根本层的下斜索， 以 及穿过下索杆节点中间的下环索。

顶层为由上索杆节点、 下索杆节点和一根可伸缩撑杆构成， 上索杆节点连 接顶层全部上斜索， 下索杆节点连接顶层全部下斜索， 可伸缩撑杆由两根内部 带左、 右向螺紋的撑杆和一个套筒构成。

所述上索杆节点为一个椭圆形钢环， 所述椭圆形钢环的一个窄边焊接两个 分别连接本层上斜索的第一、 第二耳板， 第一、 第二耳板分别与本层的上斜索 连接； 在椭圆形钢环的另一个窄边焊接分别连接上层 的两根上斜索的第三、 第 四耳板和焊接分别连接上层的两根下斜索的第 五、 第六耳板， 第三、 第四耳板 分别与各自的上层的上斜索连接， 第五、 第六耳板分别与各自的上层的下斜索 连接； 所述椭圆形钢环的二个宽边内装有中空凹形圆 环， 中空凹形圆环的一侧 与上环索滑动连接。

所述下索杆节点为另一个椭圆形钢环， 所述椭圆形钢环的一个窄边焊接两 根分别连接本层下斜索的第七、 第八耳板， 第七、 第八耳板分别与本层的下斜 索连接； 所述椭圆形钢环的二个宽边内装有中空凹形圆 环， 中空凹形圆环的一 侧与下环索滑动连接。

所述顶层上索杆节点等分布置有与顶层全部上 斜索相应个数的耳板， 相应 个数的耳板分别连接顶层全部上斜索； 所述顶层下索杆节点等分布置有与顶层 全部下斜索相应个数的耳板， 相应个数的耳板分别连接顶层全部下斜索。

二、 一种逐层双环葵花型索穹顶结构的施工成形方 法： 包括以立面上一圈撑杆为一层， 除顶层外的每层均由若干个几何特征相同、 个数相同的单元构成， 每层的单元等间距布置， 其特征在于： 每个单元的撑杆 上下端分别安装上索杆节点和下索杆节点； 上索杆节点的一侧连接两根本层的 上斜索、 上索杆节点的另一侧分别连接上层的两根上斜 索和上层的两根下斜索， 以及穿过上索杆节点中间的上环索； 下索杆节点上连接两根本层的下斜索， 以 及穿过下索杆节点中间的下环索。

顶层为由上索杆节点、 下索杆节点和一根可伸缩撑杆构成， 上索杆节点连 接顶层全部上斜索， 下索杆节点连接顶层全部下斜索， 可伸缩撑杆由两根内部 带左、 右向螺紋的撑杆和一个套筒构成。

安装与整体施工成形步骤如下：

( 1 ) 把第一层的上、 下斜索的一端与建筑物的支座进行安装连接， 第一层 的上、 下斜索的另一端与第一层相应撑杆两端的上、 下索杆节点连接； 在上、 下索杆节点内安装第一层的上、 下环索； 同步张拉第一层的上、 下两道环索， 张拉完成后就形成了一个一层的、 稳定的、 自平衡的开口索杆结构；

(2 ) 把第二层的上、 下斜索的一端与第一层的上索杆节点进行安装 连接， 第二层的上、 下斜索的另一端与第二层相应撑杆两端的上、 下索杆节点连接； 在上、 下索杆节点内安装第二层的上、 下环索； 同步张拉第二层的上、 下两道 环索， 张拉完成后就形成了一个两层的、 稳定的、 自平衡的开口索杆结构；

( 3 ) 同理， 完成其它各层的安装与预应力施工， 无环索顶层则可用伸长该 层中间可伸缩撑杆的方法导入预应力， 直至索穹顶整体结构施工成形完成；

(4 )在结构施工成形完成后， 把环索与索杆节点锁住固定， 形成不可滑动、 可转动的铰接关系， 然后， 在结构上进行屋面层的施工。

三、 另一种逐层双环葵花型索穹顶结构的施工成形 方法：

包括以立面上一圈撑杆为一层， 除顶层外的每层均由若干个几何特征相同、 个数相同的单元构成， 每层的单元等间距布置， 其特征在于： 每个单元的撑杆 上下端分别安装上索杆节点和下索杆节点； 上索杆节点的一侧连接两根本层的 上斜索、 上索杆节点的另一侧分别连接上层的两根上斜 索和上层的两根下斜索， 以及穿过上索杆节点中间的上环索； 下索杆节点上连接两根本层的下斜索， 以 及穿过下索杆节点中间的下环索。

顶层为由上索杆节点、 下索杆节点和一根可伸缩撑杆构成， 上索杆节点连 接顶层全部上斜索， 下索杆节点连接顶层全部下斜索， 可伸缩撑杆由两根内部 带左、 右向螺紋的撑杆和一个套筒构成。 安装与整体施工成形步骤如下：

( 1 ) 把第一层的上、 下斜索的一端与建筑物的支座进行安装连接， 第一层 的上、 下斜索的另一端与第一层相应撑杆两端的上、 下索杆节点连接； 在上、 下索杆节点内安装第一层的上、 下环索； 第二层的上、 下斜索的一端与第一层 的上索杆节点安装连接， 第二层的上、 下斜索的另一端与第二层相应撑杆两端 的上、 下索杆节点连接； 在上、 下索杆节点内安装第二层的上、 下环索； 以此 类推， 完成整体索穹顶结构构件的连接工作；

(2) 逐层同步张拉上、 下两道环索， 无环索顶层则可用伸长该层中间可伸 缩撑杆的方法导入预应力， 直至整体索穹顶结构施工成形完成。

(3 ) 在索穹顶结构施工成形完成后， 把环索与索杆节点锁住固定， 形成不 可滑动、 可转动的铰接关系。 然后， 在结构上进行屋面层的施工。

本发明与背景技术相比， 具有的有益效果是：

1、 预应力施工精度高。 在施工成形期间新型索杆节点与环索之间为可 滑动 铰接关系， 相互之间摩擦力几乎为零， 使每道环索的各索段之间、 每层各上斜 索 （杆） 之间、 每层各下斜索 （杆） 之间、 每层各撑杆之间的内力， 在预应力 作用下都能始终相等或接近相等。 新型葵花型索穹顶结构体系在施工成形期间 表现为， 预应力作用下结构的变形协调能力增强， 使构件制造等误差对控制预 应力精度的敏感度降低， 并使结构预应力施工高精度控制工作变得容易 。 高质 量的预应力施工精度保证了整体结构的受力性 能。

2、 施工方法简便， 工效高。 采用从下往上逐层安装、 逐层同步张拉每层仅 上、 下两道环索的预应力导入方法， 而非现有的结构集群张拉众多斜索或顶升 众多撑杆的预应力施工方法， 不仅降低了施工难度， 而且工效高、 易于掌控。

3、 施工成本低。 采用每层仅同步张拉上、 下两道环索的预应力导入方法， 所用的张拉设备及控制方法简单。 同时， 索杆节点与环索之间的摩擦力几乎为 零， 方便了预应力施工精度的控制， 避免了反复调整索力的时间、 人力、 物力 等资源， 使施工成本大幅度降低。

4、 结构使用安全。 在施工成形完成后， 新型索杆节点与环索之间由可滑动 铰结关系转变为可转动、 不可滑动的铰接关系， 提高了整体结构的承载力。 附图说明

图 1是逐层双环葵花型索穹顶第一层索杆结构成� �三维透视图。

图 2是逐层双环葵花型索穹顶第二层索杆结构成� �三维透视图。

图 3是逐层双环葵花型索穹顶第三层索杆结构成� �三维透视图。 图 4是逐层双环葵花型索穹顶顶层索杆结构成形� �维透视图。

图 5是逐层双环葵花型索穹顶结构上索杆节点制� �流程示意图。

图 6是上、 下索杆节点与撑杆组合件的立面图。

图 7是上、下索杆节点与撑杆组合件连接本层上� �下斜索（杆）后的立面图。 图 8是上、 下索杆节点中安装了上、 下环索后的立面图。

图 9是上索杆节点安装了上一层的上、 下斜索 （杆） 后的立面图。

图 10是顶层撑杆构造立面图。

图 11是上、 下环索与上、 下索杆节点锁住固定后的剖面图。

图 12是上索杆节点及其相关构件俯视图。

图 13是下索杆节点及其相关构件仰视图。

图中： 1、 上环索， Γ、 下环索， 2、 上斜索 （杆） ， 2，、 下斜索 （杆） ， 3、 撑杆， 4、 椭圆形钢环， 5、 螺栓孔， 6、 圆孔， 7、 螺孔， 8、 耳板， 9、 耳板， 9'、 耳板， 10、 中空凹形圆环， 11、 铜套环， 12、 圆柱轴， 13、 短螺杆， 14、 左向 螺紋撑杆， 14'、 右向螺紋撑杆， 15、 内部带螺紋套筒， 16、 螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 。

如图 1、 图 2、 图 3、 图 4所示， 本发明包括以立面上一圈撑杆 3为一层， 除顶层外的每层均由若干个几何特征相同、 个数相同的单元构成， 每层的单元 等间距布置。 每个单元的撑杆 3 上下端分别安装上索杆节点和下索杆节点； 上 索杆节点的一侧连接两根本层的上斜索 （杆） 2、 上索杆节点的另一侧分别连接 上层的两根上斜索 （杆） 2和上层的两根下斜索 （杆） 2'， 以及穿过上索杆节点 中间的上环索 1 ; 下索杆节点上连接两根本层的下斜索 （杆） 2'， 以及穿过下索 杆节点中间的下环索 Γ ;

如图 5a、 图 5b、 图 5c、 图 5d、 图 5e、 图 5f、 图 5g、 图 12、 图 13所示， 所述上索杆节点为一个椭圆形钢环 4，所述椭圆形钢环 4的一个窄边焊接两个分 别连接本层上斜索 （杆） 2的第一、 第二耳板 8， 第一、 第二耳板 8分别与本层 的上斜索（杆） 2连接； 在椭圆形钢环 4的另一个窄边焊接分别连接上层的两根 上斜索 （杆） 2的第三、 第四耳板 9和焊接分别连接上层的两根下斜索 （杆） 2， 的第五、 第六耳板 9'， 第三、 第四耳板 9 分别与各自的上层的上斜索 （杆） 2 连接， 第五、 第六耳板 9'分别与各自的上层的下斜索（杆） 2'连接； 所述椭圆形 钢环 4的二个宽边内装有中空凹形圆环 10， 中空凹形圆环 10的一侧与上环索 1 滑动连接。 所述下索杆节点为另一个椭圆形钢环 4，所述椭圆形钢环 4的一个窄边焊接 两根分别连接本层下斜索 （杆） 2'的第七、 第八耳板 8， 第七、 第八耳板 8分别 与本层的下斜索（杆） 2'连接； 所述椭圆形钢环 4的二个宽边内装有中空凹形圆 环 10， 中空凹形圆环 10的一侧与下环索 Γ滑动连接。

图 6是上、 下索杆节点与撑杆组合件的立面图。 图 7是上、 下索杆节点与 撑杆组合件连接本层上、 下斜索 （杆） 后的立面图。 图 8 是上、 下索杆节点中 安装了上、 下环索后的立面图。 图 9是上索杆节点安装了上一层的上、 下斜索 (杆） 后的立面图。

如图 10所示， 所述顶层为由上索杆节点、 下索杆节点和一根可伸缩撑杆构 成， 上索杆节点等分布置有与顶层全部上斜索 （杆） 2相应个数的耳板， 相应个 数的耳板分别连接顶层全部上斜索 （杆） 2; 下索杆节点等分布置有与顶层全部 下斜索（杆） 2'相应个数的耳板，相应个数的耳板分别连接� ��层全部下斜索（杆） T , 可伸缩撑杆由两根内部带左、 右向螺紋撑杆 14、 14'和一个套筒 15构成。

实施例：

一、 索杆节点的构造与制作

以图 4所示的逐层双环葵花型索穹顶结构为例， 与索杆节点相关联的构件 包括上、 下环索 1、 V , 上、 下斜索 （杆） 2、 2，， 撑杆 3。

上索杆节点的制作过程如图 5a、 图 5b、 图 5c、 图 5d、 图 5e、 图 5f、 图 5g、 图 12、 图 13所示。 用铸造或切削工艺加工成一个椭圆形钢环 4; 在椭圆形钢环 4一个窄边侧面钻螺栓孔 5; 在椭圆形钢环 4一个宽边中间钻圆孔 6直至另一个 宽边内； 在椭圆形钢环 4一个宽边的圆孔 6上部加工成螺孔 7; 在椭圆形钢环 4 的一个窄边一端焊接连接本层上斜索 （杆） 2的耳板 8; 在椭圆形钢环 4的另一 个窄边一端焊接分别连接上层上、 下斜索 （杆） 2、 2'的对称分布的两个耳板 9 和对称分布的两个耳板 9'； 中空凹形圆环 10内径比铜套环 11外径略小， 二者 为过盈配合； 用缩涨法或压入法把铜套环 11安装在中空凹形圆环 10孔内； 把 铜套环 11和中空凹形圆环 10组合件安装在椭圆形钢环 4两个宽边之间； 制造 圆柱轴 12， 其外径比铜套环 11内径相同， 二者为间隙配合； 把圆柱轴 12插入 铜套环 11孔内； 短螺杆 13旋入螺孔 7将圆柱轴 12轴向定位。

如图 6所示，与上索杆节点相比，下索杆节点缺少� �焊接连接上层斜索（杆) 的对称分布的两个耳板 9和对称分布的两个耳板 9'， 其它构成相同， 制作方法 也相同。 撑杆 3两端分别与上索杆节点和下索杆节点焊接形� �刚性连接。

采用缩涨法或压入法把铜套安装到中空凹形圆 环孔内， 其原理为： ( 1 ) 缩涨法。 利用金属热胀冷缩特性， 装配前把被包容件进行冷冻处理使 之收缩， 装配时将被包容件插入包容件内， 当恢复到相同温度后被包容件膨胀 而与包容件紧密握裹结合成一个整体。 因为二者为热膨胀系数相同或相近的金 属材料， 所以无论外界温度如何变化， 二者在相同温度下的握裹力保持恒定不 变。 用缩涨法能获得较高的握裹力和较好的装配质 量， 且不会发生像压入法那 样擦伤配合表面的现象。

(2 ) 压入法。 在常温状态下， 利用敲击或压力作用下将被包容件压入到包 容件中， 使之形成过盈连接。 在压入过程中可能会损伤结合面并引起连接的 紧 固性降低， 故在结合面间适当加润滑剂以获得更好的装配 质量。 当过盈量较小 时， 常用此方法进行过盈配合的装配。

二、 一种逐层双环葵花型索穹顶结构的施工成形方 法：

包括以立面上一圈撑杆 3 为一层， 除顶层外的每层均由若干个几何特征相 同、 个数相同的单元构成， 每层的单元等间距布置， 其特征在于： 每个单元的 撑杆 3 上下端分别安装上索杆节点和下索杆节点； 上索杆节点的一侧连接两根 本层的上斜索 （杆） 2、 上索杆节点的另一侧分别连接上层的两根上斜 索 （杆） 2和上层的两根下斜索 （杆） 2'， 以及穿过上索杆节点中间的上环索 1 ; 下索杆 节点上连接两根本层的下斜索 （杆） 2'， 以及穿过下索杆节点中间的下环索 Γ ; 顶层为由上索杆节点、 下索杆节点和一根可伸缩撑杆构成， 上索杆节点连 接顶层全部上斜索 （杆） 2， 下索杆节点连接顶层全部下斜索 （杆） 2'， 可伸缩 撑杆由两根内部带左、 右向螺紋撑杆 14、 14'和一个套筒 15构成。

施工安装与整体成形步骤如下：

( 1 ) 把第一层的上、 下斜索 （杆） 2、 2'的一端与建筑物的支座进行安装连 接， 第一层的上、 下斜索 （杆） 2、 2'的另一端与第一层相应撑杆 3两端的上、 下 索杆节点连接； 在上、 下索杆节点内安装第一层的上、 下环索 1、 1'； 同步张拉 第一层的上、 下两道环索 1、 V , 张拉完成后就形成了一个一层的、 稳定的、 自 平衡的开口索杆结构；

(2)把第二层的上、 下斜索 （杆） 2、 2'的一端与第一层的上索杆节点进行 安装连接， 第二层的上、 下斜索 （杆） 2、 2'的另一端与第二层相应撑杆 3两端的 上、 下索杆节点连接； 在上、 下索杆节点内安装第二层的上、 下环索 1、 1'； 同 步张拉第二层的上、 下两道环索 1、 Γ , 张拉完成后就形成了一个两层的、 稳定 的、 自平衡的开口索杆结构；

( 3 ) 同理， 完成其它各层的安装与预应力施工， 无环索顶层则可用伸长该 层中间可伸缩撑杆的方法导入预应力， 直至索穹顶整体结构施工成形完成；

(4)在结构施工成形完成后， 把环索与索杆节点锁住固定， 形成不可滑动、 可转动的铰接关系。 如图 4、 图 11、 图 12、 图 13所示， 当索穹顶结构全部施工成 形完成， 并在校正了整体索穹顶结构的预应力和变形后 ， 将螺栓 16从椭圆形钢 环 4上的螺栓孔 5拧入并抵住环索， 从而使环索与索杆节点锁住固定， 无法滑动。 以此类推， 完成所有环索与所有索杆节点的锁住固定工作 ， 使整体结构获得更 大的承载力。 然后， 在结构上进行屋面层施工。

三、 另一种逐层双环葵花型索穹顶结构的施工成形 方法：

包括以立面上一圈撑杆 3 为一层， 除顶层外的每层均由若干个几何特征相 同、 个数相同的单元构成， 每层的单元等间距布置， 其特征在于： 每个单元的 撑杆 3 上下端分别安装上索杆节点和下索杆节点； 上索杆节点的一侧连接两根 本层的上斜索 （杆） 2、 上索杆节点的另一侧分别连接上层的两根上斜 索 （杆） 2和上层的两根下斜索 （杆） 2'， 以及穿过上索杆节点中间的上环索 1 ; 下索杆 节点上连接两根本层的下斜索 （杆） 2'， 以及穿过下索杆节点中间的下环索 Γ ; 顶层为由上索杆节点、 下索杆节点和一根可伸缩撑杆构成， 上索杆节点连 接顶层全部上斜索 （杆） 2， 下索杆节点连接顶层全部下斜索 （杆） 2'， 可伸缩 撑杆由两根内部带左、 右向螺紋撑杆 14、 14'和一个套筒 15构成。

施工安装与整体成形步骤如下：

( 1 ) 把第一层的上、 下斜索 （杆） 2、 2'的一端与建筑物的支座进行安装连 接， 第一层的上、 下斜索 （杆） 2、 2'的另一端与第一层相应撑杆 3两端的上、 下 索杆节点连接； 在上、 下索杆节点内安装第一层的上、 下环索 1、 1'； 第二层的 上、 下斜索 （杆） 2、 2'的一端与第一层的上索杆节点安装连接， 第二层的上、 下斜索 （杆） 2、 2'的另一端与第二层相应撑杆 3两端的上、 下索杆节点连接； 在 上、 下索杆节点内安装第二层的上、 下环索 1、 1'； 以此类推， 完成整体索穹顶 结构构件的连接工作；

(2) 逐层同步张拉上、 下两道环索 1、 Γ , 无环索顶层则可用伸长该层中间 可伸缩撑杆的方法导入预应力， 直至整体索穹顶结构施工成形完成。

(3 ) 在索穹顶结构施工成形完成后， 把环索与索杆节点锁住固定， 形成不 可滑动、 可转动的铰接关系。 如图 4、 图 11、 图 12、 图 13所示， 当索穹顶结构全 部施工成形完成， 并在校正了整体索穹顶结构的预应力和变形后 ， 将螺栓 16从 椭圆形钢环 4上的螺栓孔 5拧入并抵住环索， 从而使环索与索杆节点锁住固定， 无法滑动。 以此类推， 完成所有环索与所有索杆节点的锁住固定工作 ， 使整体 结构获得更大的承载力。 然后， 在结构上进行屋面层施工。