一种双平衡机制的悬挑结构体系

1.本发明涉及建筑结构技术领域，尤其是涉及一种双平衡机制的悬挑结构体系。


背景技术：

2.悬挑结构在建筑中的应用非常广泛，常见的有挑檐、阳台、体育场看台顶棚、车站站台顶棚以及剧院的挑台等。随着技术的日新月异，在当代建筑中，悬挑的尺度越来越大，应用的方式越来越多，在建筑表现力的创造上也发挥着越来越重要的作用。
3.由于大空间结构设计问题的复杂性，在实际应用中往往存在荷载传递及结构受力的不合理等情况。传统的悬挑结构通常由一个平衡体系和一个支撑体系组成，由于建筑或结构条件的限制，导致平衡体系不适合或不允许采用刚度结构而只能采用柔性结构，以获取最高效的结构刚度以及建筑效果，适用性不高；然而，由于柔性结构无受压刚度的特点，在可能出现的反向荷载作用下，平衡体系失效将会导致整个悬挑结构成为不稳定的机构(如图1所示)，进而导致建筑结构稳定性及整体强度有所折减。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双平衡机制的悬挑结构体系。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种双平衡机制的悬挑结构体系，包括悬挑结构、前支撑结构、第一平衡体系和第二平衡体系，所述悬挑结构的一端连接第一平衡体系和第二平衡体系，所述前支撑结构设于所述悬挑结构的下部，所述前支撑结构的底部锚固于混凝土结构，所述第一平衡体系和所述第二平衡体系的底部均锚固于混凝土结构或直接与地基相连。
7.所述悬挑结构为刚性悬挑结构，所述前支撑结构为刚性结构，所述第一平衡体系采用柔性结构，所述第二平衡体系采用半刚性结构。
8.进一步地，所述前支撑结构采用v字型刚性结构。
9.本发明悬挑结构体系的结构安装步骤包括：
10.1)同时安装所述悬挑结构及所述前支撑结构，随后安装所述第一平衡体系，并使其达到受力完成态；
11.2)确认所述第一平衡体系进入荷载态后，安装所述第二平衡体系，并使所述第二平衡体系达到受力完成态。
12.本发明提供的双平衡机制的悬挑结构体系，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
13.1)本发明悬挑结构体系通过两道体系作为平衡机制，第一平衡体系和第二平衡体系的底部均锚固于混凝土结构或直接与地基相连，两道体系具有不同的力学特性和刚度性能，两道体系同时作用下可以保证结构承受各向荷载时均为稳定体系；另外，当第一平衡体系失效时，第二平衡体系能够提供少部分的轴拉刚度甚至全部的轴压刚度；解决了现有技
术柔性结构无受压刚度的问题。
14.2)第一平衡体系和第二平衡体系设置在悬挑结构端部的连接点为后支撑点，结合前支撑结构，使得整个悬挑结构体系的受力为平面受力形式，并能提供三个支撑点，进一步提高了整个建筑结构稳定性及整体强度。
15.3)本发明提供了一种新型悬挑结构体系，该体系适用但不仅限于非闭环、大悬挑、可单榀化的体育场建筑，针对特殊条件下的体育场结构，在保证结构承受各向荷载时均为稳定状态的同时，可实现建筑与结构的有效融合。
16.4)本发明可自成立，不需要借助其他立面体系维持平衡，给建筑立面的布置提供了更多的灵活空间。
附图说明
17.图1为传统悬挑结构体系在正向和反向荷载作用下的受力形态；
18.图2为本发明悬挑结构体系在正向和反向荷载作用下的受力形态；
19.图3为本发明双平衡机制的悬挑结构体系的结构示意图；
20.图4为本发明平衡体系刚度发展曲线图；
21.图5为实施例中某体育场结构整体模型示意图；
22.图6为实施例中某体育场结构局部模型示意图；
23.图7为实施例中某体育场立面撑杆端部节点示意图；
24.图中标号所示：
25.1、悬挑结构，2、前支撑结构，3、第一平衡体系，4、第二平衡体系，5、屋面悬挑桁架，6、索撑结构，7、立面网格，71、竖向撑杆，72、长圆孔销轴节点。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
27.实施例
28.如图3所示，本发明涉及一种双平衡机制的悬挑结构体系，包括悬挑结构1、前支撑结构2、第一平衡体系3和第二平衡体系4。
29.悬挑结构1为刚性悬挑结构，悬挑结构1的后端连接第一平衡体系3和第二平衡体系4。前支撑结构2设置在悬挑结构1的下部，前支撑结构2为刚性结构，可优选采用v字型刚性结构。前支撑结构2的底部锚固于混凝土结构。前支撑结构2的底部作为整个悬挑结构体系的前支撑点，第一平衡体系3和第二平衡体系4设置在悬挑结构1端部的连接点为后支撑点。按照此设计，使得整个悬挑结构体系的受力为平面受力形式，并能提供三个支撑点。前支撑结构2作为前支撑点，负责受压，后支撑点中第一平衡体系3只负责受拉，而第二平衡体系4同时受拉受压。
30.第一平衡体系3和第二平衡体系4的底部均锚固于混凝土结构或直接与地基相连。第一平衡体系3和第二平衡体系4设于悬挑结构1的端部错开设置。第一平衡体系3采用柔性结构，第二平衡体系4采用半刚性结构。第一平衡体系3提供主要的轴拉刚度，第二平衡体系
4提供少部分的轴拉刚度以及全部的轴压刚度。
31.如图2所示，图2中，k1表示第一平衡体系的刚度，k2表示第二平衡体系的刚度。1)在常态荷载(变形为正向)作用下，由第一平衡体系3作为主受拉构件，第二平衡体系4提供较小的轴拉刚度贡献，此时第一平衡体系3的刚度k1远大于第二平衡体系4的刚度k2。2)在反向荷载(变形为负向)作用下，第一平衡体系3失效，由第二平衡体系4提供全部的轴压刚度贡献，此时第一平衡体系3的刚度k1为0。两个平衡体系的刚度发展如图4所示。
32.进一步地，本发明的第二平衡体系为后装结构。本发明双平衡机制的悬挑结构体系的结构安装顺序如下：
33.1)悬挑结构及前支撑结构同时安装，后安装第一平衡体系，并使其达到受力完成态；
34.2)第一平衡体系进入荷载态后再安装第二平衡体系，并使第二平衡体系达到受力完成态。
35.本发明提供的双平衡机制的悬挑结构体系适用但不仅限于非闭环、大悬挑、可单榀化的体育场建筑。
36.本实施例提供了上述双平衡机制的悬挑结构体系的实际建筑物应用案例，即提供一种具有双平衡机制的悬挑结构体系的屋盖结构，例如大型体育场屋盖，如图5～图7所示，该体育场为非闭环的敞开式建筑，平面投影为椭圆环形，最大长度达到260m。该体育场最大悬挑近40m，立面网格8采用柔性菱形网格，自身面内刚度极弱，不足以平衡屋面大悬挑结构的重力荷载以及风荷载。因此在方案设计时，采用索撑结构6(第一平衡体系)作为大悬挑屋面的主要平衡体系，索撑结构6设于屋面悬挑桁架5的端部，用于平衡重力荷载。结合菱形的立面网格7，通过在网格内菱形夹角之间设置竖向撑杆71的形式来提高菱形立面网格面内受压刚度，用于平衡屋面风吸荷载。同时，为了避免立面网格7降低索撑结构6的效率，立面网格7中的竖向撑杆71采用特殊的长圆孔销轴节点72或活塞式套筒节点，保证立面网格7受拉时刚度弱，受压时刚度强，以实现如图4所示的刚度发展规律。长圆孔销轴节点72即在菱形网格用于安装竖向撑杆71的位置处设置长圆孔，竖向撑杆71的顶部和底部分别设置尺寸与长圆孔相匹配的销轴，竖向撑杆71的顶部、底部分别通过销轴安装在长圆孔中，以实现与菱形的立面网格7的固定连接，竖向撑杆71的顶部、底部顶住菱形网格的夹角处。
37.以上设计的基础是利用索撑结构6构成第一平衡体系，利用立面网格7结合竖向撑杆71以及竖向撑杆71的节点实现第二平衡体系的作用，发挥受拉受压的作用。
38.上述案例仅是一种举例说明，除本实施例中某大型体育场屋盖外，本发明提供的双平衡机制的悬挑结构体系还可用于不同建筑，如机场、高铁站房、体育场等。在应用至不同建筑时，采用基于第一平衡体系、第二平衡体系的双平衡设计的结构、组件等都应包括在本发明的保护范围内。
39.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。