本實用新型涉及建筑工程技術領域，特別涉及一種多級車輻式剛弦張拉結構。

背景技術：

1962年美國著名建筑師 Fuller 提出了由索桿體系組成的張拉整體結構 ( Tensegrity Systems)的思想。80年代，美國著名工程師Geiger對Fuller的思想進行演變和發(fā)展，提出了索穹頂結構體系(Cable Domes)，該體系被成功運用于漢城奧運會體育場館(直徑 119. 8m 和 89. 8m)、亞特蘭大奧運會主體育館( 240m×193m)等多項工程中。由于真正意義上的張拉整體結構較難在大型結構工程中應用，科研工作者轉而探索實用性強的包含張拉整體結構原理的結構體系。其中車輻式張拉結構傳力直接、輕盈美觀，被廣泛應用于中部開口的非封閉大跨度建筑（如體育場、足球場等）中，如波蘭華沙國家體育場（314m×280 m）、釜山體育場（180m×152 m）、巴西馬拉卡納體育場（298m×260m）以及國內的深圳寶安體育場（230m×237 m）和佛山世紀蓮體育場(直徑310m)等。他們的屋蓋無一例外的采用了柔性的輕質膜材作為覆蓋材料，膜材雖然具有通透性好、自潔性好等特點，但造價高、對風敏感、易老化、使用壽命小于建筑周期；同時膜材特有的建筑表現(xiàn)方式，不能完全滿足多樣化的建筑造型需求。剛性屋面（如直立鎖邊板）造價低、耐久性好、可適應各種建筑造型，是應用更為廣泛的屋面材料。然而車輻式張拉結構由于為全索桿體系，導致其難以采用剛性屋面，極大限制了其適用范圍。已有部分專家學者提出了便于采用剛性屋面的剛柔雜交結構，如張弦結構、弦支穹頂結構，利用撐桿連接上弦抗彎受壓構件和下弦抗拉構件形成自平衡體系，結構的剛度較大，屋面覆蓋材料的適用范圍更廣。但張弦結構與弦支穹頂結構的上弦均為連續(xù)的剛性體系，如梁、桁架、網殼等，常用于體育館、會展館等封閉的建筑。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的發(fā)明目的在于：針對上述存在的問題，提供一種適用于中部開口的非封閉建筑的新型張拉結構體系，且便于采用剛性屋面的多級車輻式剛弦張拉結構。

本實用新型技術的技術方案實現(xiàn)方式：多級車輻式剛弦張拉結構，其特征在于：包括設置在結構外邊緣處的剛性外環(huán)、設置在結構中部開口處的柔性拉索內環(huán)體系以及設置在剛性外環(huán)與柔性拉索內環(huán)體系之間的上弦剛梁體系和下弦張拉索桿體系，在所述上弦剛梁體系下方設置有至少一道柔性拉索中環(huán)，所述柔性拉索內環(huán)體系由上部內環(huán)索和下部內環(huán)索組成，所述上弦剛梁體系由若干剛性梁組成，所述剛性梁的兩端分別與上部內環(huán)索和剛性外環(huán)連接，所述下弦張拉索桿體系包括若干設置在對應剛性梁下方的多級拉索，最內一級的拉索一端與下部內環(huán)索連接，其另一端與剛性梁連接，中間級的拉索一端與柔性拉索中環(huán)連接，其另一端與剛性梁連接，最外一級的拉索一端與最外一道的柔性拉索中環(huán)連接，其另一端與剛性外環(huán)連接，在所述柔性拉索中環(huán)與剛性梁之間設置有豎向撐桿，在各級拉索與對應剛性梁之間分別設置有豎向撐桿。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其所述剛性梁的兩端分別與上部內環(huán)索和剛性外環(huán)鉸接，各級拉索及豎向撐桿的兩端分別與對應部件鉸接。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其在相鄰的中間級柔性拉索中環(huán)之間設置有抗風索，所述抗風索兩端分別與對應柔性拉索中環(huán)和剛性梁連接。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其所述抗風索一端與靠外側的一道柔性拉索中環(huán)鉸接，其另一端與靠內側的一道柔性拉索中環(huán)對應上方的剛性梁處鉸接。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其在所述上部內環(huán)索和下部內環(huán)索之間設置有斜腹桿形成環(huán)向桁架。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其所述斜腹桿兩端分別與上部內環(huán)索和下部內環(huán)索鉸接。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其所述若干剛性梁和若干拉索分別沿柔性拉索內環(huán)體系外周呈輻射式布置且對應配合。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其所述若干剛性梁和若干拉索分別沿柔性拉索內環(huán)體系外周呈三角式布置且對應配合。

本實用新型所述的多級車輻式剛弦張拉結構，其所述若干剛性梁和若干拉索分別沿柔性拉索內環(huán)體系外周呈交叉式布置且對應配合。

本實用新型主要以軸向力抵抗外荷載，受力效率高，剛度大，有利于減小材料用量，而剛性梁又可承擔局部的彎矩，從而使得屋面可采用多種曲面造型，便于采用剛性屋面板，在體育場、足球場等大型公共建筑中具有廣泛的適用性。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是本實用新型中上弦剛梁體系的結構示意圖。

圖3是本實用新型中柔性拉索內環(huán)體系與下弦張拉索桿體系的連接示意圖。

圖4是圖1的局部放大圖。

圖5和圖6是本實用新型中豎向撐桿兩端鉸接節(jié)點的結構示意圖。

圖7是本實用新型中豎向撐桿和拉索同剛性梁鉸接節(jié)點的結構示意圖。

圖8是本實用新型中上部內環(huán)索鉸接節(jié)點的結構示意圖。

圖9是本實用新型中下部內環(huán)索鉸接節(jié)點的結構示意圖。

圖10是本實用新型中柔性拉索中環(huán)鉸接節(jié)點的結構示意圖。

圖11是本實用新型中上弦剛梁體系和下弦張拉索桿體系輻射式布置的結構示意圖。

圖12是本實用新型中上弦剛梁體系和下弦張拉索桿體系三角式布置的結構示意圖。

圖13是本實用新型中上弦剛梁體系和下弦張拉索桿體系交叉式布置的結構示意圖。

圖中標記：1為剛性外環(huán)，2為柔性拉索中環(huán)， 3a為上部內環(huán)索，3b為下部內環(huán)索，4為剛性梁，5a為拉索，5b為豎向撐桿，6為抗風索，7為環(huán)向桁架。

具體實施方式

下面結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。

為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定實用新型。

如圖1-10所示，多級車輻式剛弦張拉結構，包括設置在結構外邊緣處的剛性外環(huán)1、設置在結構中部開口處的柔性拉索內環(huán)體系以及設置在剛性外環(huán)1與柔性拉索內環(huán)體系之間的上弦剛梁體系和下弦張拉索桿體系，在所述上弦剛梁體系下方設置有至少一道柔性拉索中環(huán)2，本實施例為二級車輻式剛弦張拉結構，所述柔性拉索內環(huán)體系由上部內環(huán)索3a和下部內環(huán)索3b組成，所述上弦剛梁體系由若干剛性梁4組成，所述剛性梁4的兩端分別與上部內環(huán)索3a和剛性外環(huán)1鉸接，所述下弦張拉索桿體系包括若干設置在對應剛性梁4下方的多級拉索5a，最內一級的拉索5a一端與下部內環(huán)索3b鉸接，其另一端與剛性梁4鉸接，中間級的拉索5a一端與柔性拉索中環(huán)2鉸接，其另一端與剛性梁4鉸接，最外一級的拉索5a一端與最外一道的柔性拉索中環(huán)2鉸接，其另一端與剛性外環(huán)1鉸接，在所述柔性拉索中環(huán)2與剛性梁4之間設置有豎向撐桿5b，所述豎向撐桿兩端分別與柔性拉索中環(huán)和剛性梁鉸接，在各級拉索5a與對應剛性梁4之間分別設置有豎向撐桿5b，所述豎向撐桿分別與拉索和剛性梁鉸接。

其中，在相鄰的中間級柔性拉索中環(huán)2之間設置有抗風索6，所述抗風索6一端與靠外側的一道柔性拉索中環(huán)2鉸接，其另一端與靠內側的一道柔性拉索中環(huán)2對應上方的剛性梁4鉸接，在所述上部內環(huán)索3a和下部內環(huán)索3b之間設置有斜腹桿形成環(huán)向桁架7，所述斜腹桿兩端分別與上部內環(huán)索3a和下部內環(huán)索3b鉸接，屋面覆蓋材料設置于上弦剛梁體系上。

本實用新型的受力原理及結構特點是：該結構體系兼具張拉結構體系與剛性結構體系的特點。通過在拉索中施加預張力，使上、下部內環(huán)索、柔性拉索中環(huán)、下弦拉索、上弦剛性梁受拉，剛性外環(huán)和豎向撐桿受壓，整個結構處于一種自平衡的張緊狀態(tài)，具有很好的結構剛度。結構由內向外呈逐級受力狀態(tài)，從整體受力上看，當結構受到向下的荷載時，上弦剛性梁及上部內環(huán)索內力減小，下弦拉索及下部內環(huán)索內力增大，抵抗外荷載；當結構受到向上的荷載時，下弦拉索及下部內環(huán)索內力減小，上弦剛性梁及上部內環(huán)索內力增大，抵抗外荷載；若需要進一步增加結構剛度，可在上、下部內環(huán)索之間布置斜向構件，形成內環(huán)帶桁架。而從局部受力上看，下弦拉索通過豎向撐桿彈性支撐上弦剛性梁，減小剛性梁的局部彎矩；抗風斜索降低上弦剛性梁在風荷載作用下的彎矩。該多級剛弦張拉結構在相同懸挑跨度下大大降低上下弦間距，減小了撐桿高度，在保證受力效率的同時，有效的解決了傳統(tǒng)車輻式張拉結構撐桿較高，影響場內空間的缺陷。

如圖11所示，所述若干剛性梁4和若干拉索5a分別沿柔性拉索內環(huán)體系外周呈輻射式布置且對應配合；或者，如圖12所示，所述若干剛性梁4和若干拉索5a分別沿柔性拉索內環(huán)體系外周呈三角式布置且對應配合；或者，如圖13所示，所述若干剛性梁4和若干拉索5a分別沿柔性拉索內環(huán)體系外周呈交叉式布置且對應配合。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。