一种开口式穹顶结构的设计方法与流程

1.本发明涉及建筑结构技术领域，尤其涉及一种开口式穹顶结构的设计方法。


背景技术：

2.大型体育场馆由中央运动场、四周看台、周围幕墙和屋盖等组成，大型体育场的屋盖通常会遮盖整个看台，且在屋盖的中央位置开设一个较大的开口，开口通常位于中央运动场的中间位置的上方，由于大型体育馆的面积较大，导致屋盖从其边缘延伸至开口处的跨度也较大，因此对屋盖的支撑结构要就比较高。
3.现阶段的大型体育场馆通常采用较大跨度的悬挑桁架对屋盖进行支撑，悬挑桁架的内支点设置在看台的顶部，外支点设置在地面或二层看台上，通过内支座和外支座平衡悬挑桁架的倾覆力矩，这样将导致悬挑桁架具有较大的弯矩，容易导致屋盖受损。


技术实现要素：

4.本技术的实施例提供一种开口式穹顶结构，解决了现阶段体育场馆采用的悬挑桁架的弯矩较大的问题。
5.为达到上述目的，本技术的实施例采用如下技术方案：
6.一种开口式穹顶结构的设计方法，包括：
7.获取重力荷载条件以及内压环梁和外拉环梁的直径和相对标高；
8.根据内压环梁和外拉环梁的相对标高，将外拉环梁设于地面上，并将内压环梁位于外拉环梁的上方，且使内压环梁在地面上的投影不超出外拉环梁在地面上的投影的边界；
9.在外拉环梁和内压环梁之间间隔设置多个承重杆，其中，承重杆包括第一支撑杆和第二支撑杆，第一支撑杆的第一端与外拉环梁连接，第一支撑杆的第二端与第二支撑杆的第一端连接，第二支撑杆的第二端与内压环梁连接；
10.根据第一交点处的弯矩与第一支撑杆的跨中正弯矩和/或第二支撑杆的跨中正弯矩相等，计算出各个承重杆中第一交点处的弯矩，以确定各个承重杆的结构形态，其中，在一个承重杆中，第一交点为第一支撑杆的延伸线与第二支撑杆的延伸线的交点。
11.本技术通过将外拉环梁设于地面上，且与承重杆的第一支撑杆的第一端连接，用于对多个承重杆提供外水平支撑点，内压环位于外拉环梁的上方，且与承重杆的第二支撑杆的第二端连接，用于对多个承重杆提供内水平支撑点，内压环梁在地面上的投影不超出外拉环梁在地面上的投影的边界，从而使外拉梁、多个承重杆和内压环梁形成一个开口式穹顶结构。
12.在对该开口式穹顶结构进行设计时，首先需要根据体育场的建设场地测量出外拉环梁能够设计的最大直径，并根据体育场需要修建的规模确定外拉环梁和内压环梁的最终设计直径以及二者的相对标高。然后根据外拉环梁和内压环梁的相对标高，放置内压环梁和外拉环梁，然后将多个承重杆间隔设置于内压环梁和外拉环梁之间，并将承重杆设计为
连接在一起的第一支撑杆和第二支撑杆；第一支撑杆的延伸线和第二支撑杆的延伸线的交点为第一交点，最后，根据第一交点处的弯矩与第一支撑杆的跨中正弯矩和/或第二支撑杆的跨中正弯矩相等，计算出各个承重杆中第一交点处的弯矩，从而确定出第一支撑杆和第二支撑杆的交点位置以及第一支撑杆和第二支撑杆的长度，从而确定出各个承重杆的结构形态，并将第一支撑杆连接于外拉环梁上，第二支撑杆连接于内压环梁上，从而完成开口式穹顶结构的设计。
13.在该开口拱穹顶结构中，第一支撑杆和第二支撑杆相对于地面都具有一定的倾斜程度，因此，第一支撑杆和第二支撑杆都主要以轴向受力为主，第一交点处的弯矩较小，从而能够增强承重杆对开口式穹顶结构的支撑强度，降低屋盖受损的可能性。
14.可选地，在一个承重杆中，第一支撑杆的延伸线与外拉环梁的端面的夹角的余角为第一夹角，第二支撑杆的延伸线与外拉环梁的端面的夹角为第二夹角；第一交点处的弯矩与第一夹角和/或第二夹角负相关。
15.可选地，第一支撑杆的延伸线与内压环梁的端面的交点为第二交点，第二支撑杆的延伸线与内压环梁的端面的交点为第三交点，经过第二交点且垂直于内压环梁的端面的直线为垂线，垂线与内压环梁的端面的交点为第四交点；第一交点处的弯矩为：第一支撑杆的跨中正弯矩为：第二支撑杆的跨中正弯矩为：其中，q为荷载量，z
max
为第二交点与第四交点之间的距离，l
max
为第三交点与第四交点之间的距离，c
x
为第一交点到垂线的距离，α1为第一夹角，α2为第二夹角。
16.可选地，一种开口式穹顶结构的设计方法，在确定各个承重杆的结构形态后还包括：
17.根据各个承重杆对应的第一夹角和第二夹角计算出各个承重杆中第一支撑杆的内力和第二支撑杆的内力；
18.根据第一支撑杆的内力和第二支撑杆的内力获取第一支撑杆的截面尺寸和第二支撑杆的截面尺寸；
19.根据第一支撑杆的截面尺寸和第二支撑杆的截面尺寸，增加内压环梁和外拉环梁的轴向刚度和抗弯刚度。
20.可选地，一种开口式穹顶结构的设计方法，还包括：
21.在第一支撑杆和第二支撑杆的连接处增加第一环梁，且使第一环梁与第一支撑杆和第二支撑杆均连接；
22.在第一环梁与内压环梁之间增加至少一个第二环梁，且使第二环梁与第二支撑杆连接，和/或，在第一环梁与外拉环梁之间增加至少一个第二环梁，且使第二环梁与第一支撑杆连接。
23.可选地，第一夹角大于或等于0
°
且小于90
°
，第二夹角大于或等于0
°
且小于或等于90
°
，第一夹角和第二夹角相加大于或等于0
°
且小于或等于90
°
。
24.可选地，第一支撑杆和第二支撑杆在地面上的投影均不超出外拉环梁在地面上的投影的边界。
25.可选地，第一支撑杆在外拉环梁的端面上的投影与第二支撑杆在外拉环梁的端面上的投影之间的夹角大于或等于0
°
且小于或等于60
°
。
26.可选地，外拉环梁的端面与内压环梁的端面的夹角大于或等于0
°
且小于90
°
。
27.可选地，开口式穹顶结构还包括多个第一支座和多个第二支座，多个第一支座与多个承重杆一一对应，一个承重杆的第一支撑杆通过一个第一支座与外拉环梁连接；多个第二支座与多个承重杆一一对应，一个承重杆的第二支撑杆通过一个第二支座与内压环梁连接。
附图说明
28.图1为本发明实施例中开口式穹顶结构的结构示意图之一
29.图2为本发明实施例中开口式穹顶结构的设计方法的流程图；
30.图3为本发明实施例中一个承重杆的形态结构示意图之一；
31.图4为本发明实施例中开口式穹顶结构的结构示意图之二；
32.图5为本发明实施例中一个承重杆的形态结构示意图之二；
33.图6为本发明实施例中一个承重杆的形态结构示意图之三；
34.图7为本发明实施例中一个承重杆的形态结构示意图之四；
35.图8为本发明实施例中一个承重杆的形态结构示意图之五；
36.图9为本发明实施例中开口式穹顶结构的结构示意图之三；
37.图10为本发明实施例中开口式穹顶结构的结构示意图之四；
38.图11为本发明实施例中开口式穹顶结构的结构示意图之五；
39.图12为本发明实施例中开口式穹顶结构的结构示意图之六。
40.附图标记：1-内压环梁；
41.2-外拉环梁；
42.3-承重杆；31-第一支撑杆；32-第二支撑杆；c-第一交点；α
1-第一夹角；α
2-第二夹角；a-第二交点；b-第三交点；d-第四交点；
43.4-第一环梁；
44.5-第二环梁；
45.6-第一支座；
46.7-第二支座。
具体实施方式
47.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
49.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者
隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
50.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，在对管线或者通道进行描述时，本技术中所用“相连”、“连接”则具有进行导通的意义。具体意义需结合上下文进行理解。
51.在本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
52.本技术提供了一种开口式穹顶结构的设计方法，如图1所示，该开口式穹顶结构包括内压环梁1、外拉环梁2和多个承重杆3，外拉环梁2设于地面上，内压环梁1位于外拉环梁2的上方，内压环梁1在地面上的投影不超出外拉环梁2在地面上的投影的边界。
53.需要说明的是，内压环梁1可以为圆形、椭圆形等，外拉环梁2也可以为圆形、椭圆形等。
54.如图2所示，开口式穹顶结构的设计方法包括：
55.s1：获取重力荷载条件以及内压环梁1和外拉环梁2的直径和相对标高；
56.s2：根据内压环梁1和外拉环梁2的相对标高，将外拉环梁2设于地面上，并将内压环梁1位于外拉环梁2的上方，且使内压环梁1在地面上的投影不超出外拉环梁2在地面上的投影的边界；
57.s3：在外拉环梁2和内压环梁1之间间隔设置多个承重杆3，其中，承重杆3包括第一支撑杆31和第二支撑杆32，第一支撑杆31的第一端与外拉环梁2连接，第一支撑杆的第二端与第二支撑杆32的第一端连接，第二支撑杆32的第二端与内压环梁1连接；
58.s4：根据第一交点c处的弯矩与第一支撑杆31的跨中正弯矩和/或第二支撑杆32的跨中正弯矩相等，计算出各个承重杆3中第一交点c处的弯矩，以确定各个承重杆3的结构形态，其中，在一个承重杆3中，第一交点c为第一支撑杆31的延伸线与第二支撑杆32的延伸线的交点。
59.需要说明的是，在步骤s1中，需要根据体育场的建设场地的大小，测量出该场地能够设计的外拉环梁2的最大直径，然后根据实际建设体育场的需求确定外拉环梁2和内压环梁1的形状和实际直径，并根据体育场的场地和看台数量确定体育场的高度，从而确定外拉环梁2和内压环梁1的相对标高，以及该开口式穹顶结构的荷载量。
60.其中，外拉环梁2和内压环梁1的形状为椭圆形或圆形，若外拉环梁2为圆形，则外拉环梁2的实际直径即为该圆的直径，若外拉环梁2为椭圆形，则外拉环梁2的实际直径即为该椭圆的长轴和短轴；若内压环梁1为圆形，则内压环梁1的实际直径即为该圆的直径，若内压环梁1为椭圆形，则内压环梁1的实际直径即为该椭圆的长轴和短轴。外拉环梁2和内压环梁1的相对标高即外拉环梁2和内压环梁1之间的间距。
61.在步骤s2中，确定了内压环梁1和外拉环梁2的标高之后，就可以确定内压环梁1和外拉环梁2在竖直方向上的相对位置，通常情况下，外拉环梁2设置于地面上，内压环梁1设置于外拉环梁2的上方，内压环梁1和外拉环梁2在水平方向上的位置根据想要设计的开口式穹顶结构进行决定。
62.在步骤s3中，在内压环梁1和外拉环梁2之间间隔设置多个承重杆3，多个承重杆3用于连接内压环梁1和外拉环梁2，以使外拉环梁2、多个承重杆3和外拉环梁2连接后形成一个开口式穹顶结构。为了使该开口式穹顶结构受力均匀，可以将多个承重杆3沿外拉环梁2的周向均匀分布。
63.其中，如图1所示，承重杆3包括第一支撑杆31和第二支撑杆32，第一支撑杆31的第一端与外拉环梁2连接，第一支撑杆的第二端与第二支撑杆32的第一端连接，第二支撑杆32的第二端与内压环梁1连接，通过第一支撑杆31和第二支撑杆32的设置，能够使开口式穹顶结构的形状多变，以适应多种场合的设计需求。
64.在步骤s4中，如图3所示，对于一个承重杆3，第一支撑杆31的延伸线与第二支撑杆32的延伸线的交点为第一交点c，也就是第一支撑杆31和第二支撑杆32的连接处为第一交点c的位置；第一支撑杆31和第二支撑杆32连接后，二者的连接处(即第一交点c处)的弯矩在整个结构中最大，想要提高整个结构的稳定性，就需要降低第一交点c处的弯矩，可以通过使第一交点c处的弯矩与第一支撑杆31的跨中正弯矩和/或第二支撑杆32的跨中正弯矩相等，来计算出各个承重杆3中第一交点c处的弯矩，此时，第一交点c处的弯矩较小，根据此方法获取的各个承重杆3的结构形态比较稳定，从而能够增强承重杆3对开口式穹顶结构的支撑强度，降低屋盖受损的可能性。
65.第一交点c处的弯矩与第一支撑杆31的跨中正弯矩和/或第二支撑杆32的跨中正弯矩相等，也就是说，第一交点c处的弯矩可以与第一支撑杆31的跨中正弯矩相等，也可以与第二支撑杆32的跨中正弯矩相等，还可以与第一支撑杆31的跨中正弯矩相等，且与第二支撑杆32的跨中正弯矩相等。
66.上述情况均可以使第一支撑杆31和第二支撑杆32相对于地面具有一定的倾斜度，从而使第一支撑杆31和第二支撑杆32都主要以轴向受力为主，从而减小第一支撑杆31和第二支撑杆32连接处(即第一交点c处)的弯矩，以增强承重杆3对开口式穹顶结构的支撑强度，降低屋盖受损的可能性。
67.优选的，使第一交点c处的弯矩与第一支撑杆31的跨中正弯矩相等，且与第二支撑杆32的跨中正弯矩相等。此时，第一交点c处的弯矩最小，承重杆3的支撑强度也较好，整个开口式穹顶结构的整体结构也比较稳定。
68.其中，如图3所示，在一个承重杆3中，第一支撑杆31的延伸线与外拉环梁2的端面的夹角的余角为第一夹角α1，第二支撑杆32的延伸线与外拉环梁2的端面的夹角为第二夹角α2，第一交点c处的弯矩与第一夹角α1和/或第二夹角α2负相关。
69.也就是说，在外拉环梁2和内压环梁1的位置确定的情况下，第一交点c处的弯矩会随着第一夹角α1的增大而减小，也会随着第二夹角α2的增大而减小。
70.因此，可以通过调整第一夹角α1和第二夹角α2的变化，来调整第一支撑杆31和第二支撑杆32相对于地面的倾斜程度，以及第一支撑杆31和第二支撑杆32的长度，以达到第一交点c处的弯矩最小，从而可以提高整个穹顶结构的稳定性。
71.具体的，第一交点c处的弯矩的计算公式为：第一支撑杆31的跨中正弯矩的计算公式为：第二支撑杆32的跨中正弯矩的计算公式为：
72.其中，如图3所示，第一支撑杆31的延伸线与外拉环梁2的端面的交点为第二交点a，第二支撑杆32的延伸线与内压环梁1的端面的交点为第三交点b，经过第二交点a且垂直于内压环梁1的端面的直线为垂线，垂线与内压环梁1的端面的交点为第四交点d；q为荷载量，z
max
为第二交点a与第四交点d之间的距离，l
max
为第三交点b与第四交点d之间的距离，c
x
为第一交点c到垂线的距离，α1为第一夹角α1，α2为第二夹角α2。
73.以外拉环梁2和内压环梁1均为圆形，且外拉环梁2和内压环梁1的圆心在同一竖直线上为例，当外拉环梁2和内压环梁1的直径一定，且二者的位置确定后，根据上述公式，对于一个承重杆3，当mc＝m
ac
或mc＝m
bc
时，可以得到第一夹角α1和第二夹角α2之间的一个对应关系，从而可以给定一个第一夹角α1，以获取一个对应的第二夹角α2，或给定一个第二夹角α2，以获取一个对应的第一夹角α1，从而根据得到的第一夹角α1和第二夹角α2可以获得该承重杆3中第一支撑杆31和第二支撑杆32相对于地面的倾斜度，并且在第一支撑杆31和第二支撑杆32连接后，可以获得第一支撑杆31和第二支撑杆32的长度，从而确定该承重杆3的结构形态。
74.根据上述方式能够确定出所有承重杆3的结构形态，从而根据各个承重杆3的结构形态确定开口式穹顶结构的整体结构形态，该开口式穹顶结构的结构形态可以使各个承重杆3的第一交点c处的弯矩较小，从而使该开口式穹顶结构的结构形态较稳定。
75.对于一个承重杆3，当mc＝m
ac
＝m
bc
时，能够计算得出一个确定的第一夹角α1和一个确定的第二夹角α2，此时的第一夹角α1和第二夹角α2下，该承重杆3的第一支撑杆31和第二支撑杆32相对于地面的倾斜度是最优的，即此时的第一交点c处的弯矩使最小的。
76.通过该方式能够计算出各个承重杆3对应的第一夹角α1和第二夹角α2，从而确定各个承重杆3中第一支撑杆31和第二支撑杆32相对于地面的倾斜度和第一支撑杆31和第二支撑杆32的长度，从而确定出该情况下整个开口式穹顶结构的结构形态，并且该开口式穹顶结构的各个承重杆3的第一交点c处的弯矩都较小，因此该开口式穹顶结构的结构形态较稳定。
77.另外，第一夹角α1和第二夹角α2的变化也会使第一支撑杆31和第二支撑杆32的轴力和剪力产生一定的变化，具体的，第一支撑杆31在第一交点c处的剪力计算公式为：v
ca
＝r
bx
·
cosα
1-q
·
l
bc
·
sinα1；第一支撑杆31在第一交点c处的轴力计算公式为：n
ca
＝r
bx
·
sinα1+q
·
l
bc
·
cosα1。
78.第二支撑杆32在第一交点c处的剪力计算公式为：v
cb
＝r
bx
·
sinα
2-q
·
l
bc
·
cosα2；第二支撑杆32在第一交点c处的轴力计算公式为：n
cb
＝r
bx
·
cosα2+q
·
l
bc
·
sinα2；其中，r
bx
为内压环梁1的水平反力，
79.其中，q为荷载量，如图3所示，l
bc
为第二支撑杆32的长度，l
max
为第三交点b与第四交点d之间的距离，c
x
为第一交点c到垂线的距离，z
max
为第二交点a与第四交点d之间的距离，α1为第一夹角，α2为第二夹角。
80.根据上述公式，可以获取第一支撑杆31在第一交点c处的剪力和轴力以及第二支撑杆32在第一交点c处的剪力和轴力随着第一夹角α1和第二夹角α2的变化而发生的变化情况。具体情况为，随着第一夹角α1和第二夹角α2的增大，第一交点c处的弯矩具有比较明显的减小，而第一支撑杆31在第一交点c处的剪力和轴力以及第二支撑杆32在第一交点c处的剪力和轴力变化较小。
81.因此通过调整第一夹角α1和第二夹角α2来调整各个承重杆3的结构形态，可以使各个承重杆3的第一交点c处的弯矩较小，且对第一支撑杆31在第一交点c处的剪力和轴力，以及第二支撑杆32在第一交点c处的剪力和轴力影响较小。
82.示例性的，假定内压环梁1和外拉环梁2均为圆形，且二者的圆心在同一竖直线上，q＝10kn/m，z
max
＝60m，l
max
＝100m的情况下，如表1示出了随着第一夹角α1的变化，第一交点c处的弯矩、第一支撑杆31在第一交点c处的剪力和轴力和第二支撑杆32在第一交点c处的剪力和轴力的变化情况；如表2示出了随着第二夹角α2的变化，第一交点c处的弯矩、第一支撑杆31在第一交点c处的剪力和轴力和第二支撑杆32在第一交点c处的剪力和轴力的变化情况。
83.表1：
84.α1c
x
/mr
ax
/knmc/kn.mn
cb
/knv
cb
/kn0
°
0833-50000-833100018
°
20905-32000-90580034
°
40940-18000-94060045
°
60957-8000-95740053
°
80966-2000-96620059.1
°
1009710-971500
85.表2：
86.α2cz/mr
ax
/kn.mmc/kn.mn
cb
/knv
cb
/kn0
°
0833-50000-83310006
°
10837-41874-93491611
°
20850-33993-103383317
°
30870-25823-113374622
°
40897-17950-123366627
°
50931-9316-133358330.9
°
609710-1433500
87.从上述表1和表2中可以看出，随着第一夹角α1和第二夹角α2的增大，第一交点c处的弯矩减小比较明显，第二支撑杆32在第一交点c处的剪力(v
cb
)略有减小，第二支撑杆32在
第一交点c处的轴力(n
cb
)略有增大，第一支撑杆31在第一交点c处的剪力(v
ca
)略有增大，第一支撑杆31在第一交点c处的轴力(n
ca
)略有减小。
88.由此，通过调整第一夹角α1和第二夹角α2，能够有效减小第一交点c处的弯矩，且能够获取第一支撑杆31和第二支撑杆32的结构形态，从而得到一个受力合理，且各个承重杆3的第一交点c弯矩较小的开口式穹顶结构，该开口式穹顶结构相较于悬挑桁架具有较小的弯矩，结构更加稳定，从而能够减小屋盖受损的可能性。
89.在本技术的一些实施例中，一种开口式穹顶结构的设计方法，在确定各个承重杆3的结构形态后还包括：
90.s5：根据各个承重杆3对应的第一夹角α1和第二夹角α2计算出各个承重杆3中第一支撑杆31的内力和第二支撑杆32的内力；
91.s6：根据第一支撑杆31的内力和第二支撑杆32的内力获取第一支撑杆31的截面尺寸和第二支撑杆32的截面尺寸；
92.s7：根据第一支撑杆31的截面尺寸和第二支撑杆32的截面尺寸，增加内压环梁1和外拉环梁2的轴向刚度和抗弯刚度。
93.需要说明的是，在步骤s5中，第一支撑杆31的内力包括第一支撑杆31在第一交点c处的剪力，第一支撑杆31在第二交点a处的剪力、第一支撑杆31在第一交点c处的轴力和第一支撑杆31在第二交点a处的轴力，其中，第一支撑杆31在第一交点c处的剪力和第一支撑杆31在第一交点c处的轴力计算公式参照前述第一支撑杆31在第一交点c处的剪力和轴力的计算公式，第一支撑杆31在第二交点a处的剪力计算公式为：v
ac
＝r
az
·
sinα
1-r
ax
·
cosα1；第一支撑杆31在第二交点a处的轴力计算公式为：n
ac
＝r
az
·
cosα1+r
ax
·
sinα1。
94.第二支撑杆32的内力包括第二支撑杆32在第一交点c处的剪力，第二支撑杆32在第三交点b处的剪力、第二支撑杆32在第一交点c处的轴力和第二支撑杆32在第三交点b处的轴力，其中，第二支撑杆32在第一交点c处的剪力和第二支撑杆32在第一交点c处的轴力计算公式参照前述第二支撑杆32在第一交点c处的剪力和轴力的计算公式，第二支撑杆32在第三交点bb处的剪力计算公式为：v
bc
＝r
bx
·
sinα2；第二支撑杆32在第三交点b处的轴力计算公式为：n
bc
＝r
bx
·
cosα2；其中，r
ax
＝-r
bx
；
95.因此，在第一夹角α1和第二夹角α2确定的情况下，可根据上述公式计算出各个承重杆3的内力。
96.在步骤s6中，由于第一支撑杆31的内力和第二支撑杆32的内力已经得知，可以假定该计算出的内力即为第一支撑杆31的承载力和第二支撑杆32的承载力，从而可以根据第一支撑杆31的承载力和第二支撑杆32的承载力反算第一支撑杆31和第二支撑杆32的最小截面尺寸。
97.在步骤s7中，在获取第一支撑杆31的截面尺寸和第二支撑杆32的截面尺寸，根据实际情况，适当增加内压环梁1和外拉环梁2的轴向刚度和抗弯刚度，以提高整个开口式穹顶结构的结构强度。
98.在本技术的一些实施例中，一种开口式穹顶结构的设计方法，还包括：
99.s8：如图4所示，在第一支撑杆31和第二支撑杆32的连接处增加第一环梁4，且使第一环梁4与第一支撑杆31和第二支撑杆32均连接；
100.s9：如图4所示，在第一环梁4与内压环梁1之间增加至少一个第二环梁5，且使第二环梁5与第二支撑杆32连接，和/或，在第一环梁4与外拉环梁2之间增加至少一个第二环梁5，且使第二环梁5与第一支撑杆31连接。
101.需要说明的是，在步骤s8中，第一环梁4设置于第一支撑杆31和第二支撑杆32的连接处，即第一环梁4与各个承重杆3的第一交点c处均连接，从而通过第一环梁4能够对第一支撑杆31和第二支撑杆32进行支撑，以增加第一支撑杆31和第二支撑杆32的稳定性，从而增加整个开口式穹顶结构的稳定性。
102.在步骤s9中，第二环梁5的数量可以为一个，也可以为多个，具体数量根据实际情况而定。
103.第二环梁5位于第一环梁4与内压环梁1之间，和/或第二环梁5位于第一环梁4与外拉环梁2之间；可以在第一环梁4与内压环梁1之间增设第二环梁5，也可以在第一环梁4与外拉环梁2之间增设第二环梁5，还可以在第一环梁4与内压环梁1之间、以及第一环梁4与外拉环梁2之间均增设第二环梁5。
104.第二环梁5位于第一环梁4与内压环梁1之间时，第二环梁5与多个第二支撑杆32连接，通过使第二环梁5与第二支撑杆32连接能够增加对第二支撑杆32的支撑效果，从而进一步增加第二支撑杆32的稳定性。
105.第二环梁5位于第一环梁4与外拉环梁2之间时，第二环梁5与多个第一支撑杆31连接，通过使第二环梁5与第一支撑杆31连接能够增加对第一支撑杆31的支撑效果，从而进一步增加第一支撑杆31的稳定性。
106.通过增加第一环梁4和第二环梁5能够在各个承重杆3的第一交点c处的弯矩较小的情况下，进一步增强各个承重杆3的稳定性，从而增强整个开口式穹顶结构的稳定性。
107.示例性的，假定内压环梁1和外拉环梁2均为圆形，且二者的圆心在同一竖直线上，q＝10kn/m，z
max
＝60m，l
max
＝100m，第一夹角α1为33
°
、第二夹角α2为20
°
的情况下，如表3示出了在不增设第一环梁4和第二环梁5的情况下，和增设第一环梁4和四个第二环梁5的情况下，第一支撑杆31和第二支撑杆32各处内力的变化情况；其中，四个第二环梁5有两个位于第一环梁4与内压环梁1之间，另外两个位于第一环梁4与外拉环梁2之间。
108.表3：
109.不增设第一环梁和第二环梁增设第一环梁和第二环梁mc6741knm4283knmn
bc-740kn-17knn
cb-1183kn-848knn
ca-1218kn-1015knn
ac-1321kn-1206knv
bc-351kn-306knv
cb
452kn1330knv
ca
275kn846knv
ac
92kn692kn
110.从表3中可以看出，在增设第一环梁4和第二环梁5后，承重杆3在第一交点c处的弯矩有明显的减小，第一支撑杆31的和第二支撑杆32的轴力均由同程度的减小，第一支撑杆
31和第二支撑杆32的剪力虽然有所增加，但增加幅度较小。
111.因此，通过增加第一环梁4和第二环梁5能够进一步的减小各个承重杆3在第一交点c处的弯矩，从而进一步增强各个承重杆3的稳定性，以增强整个开口式穹顶结构的稳定性。
112.在本技术的一些实施例中，第一夹角α1大于或等于0
°
且小于90
°
，第二夹角α2大于或等于0
°
且小于或等于90
°
，第一夹角α1和第二夹角α2相加大于或等于0
°
且小于或等于90
°
。
113.根据内压环梁1和外拉环梁2之间的高度不同，第一夹角α1可以在大于或等于0
°
且小于90
°
之间进行调整，第二夹角α2的大小可以在大于或等于0
°
且小于或等于90
°
之间进行调整，并且，第一夹角α1和第二夹角α2相加后应当在大于或等于0
°
且小于或等于90
°
的范围内。
114.例如第一夹角α1可以为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
、70
°
、80
°
等，第二夹角α2可以为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
、70
°
、80
°
、90
°
等，第一夹角α1和第二夹角α2相加后可以为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
、70
°
、80
°
、90
°
等。
115.示例性的，如图5所示，第一夹角α1和第二夹角α2均为0
°
，则第一夹角α1和第二夹角α2相加后也为0
°
；如图6所示，第一夹角α1为0
°
，第二夹角α2为20
°
，则第一夹角α1和第二夹角α2相加后为20
°
；如图7所示，第一夹角α1为30
°
，第二夹角α2为0
°
，则第一夹角α1和第二夹角α2相加后为30
°
；如图3所示，第一夹角α1为40
°
，第二夹角α2为10
°
，则第一夹角α1和第二夹角α2相加后为50
°
；如图8所示，第一夹角α1为50
°
，第二夹角α2为40
°
，则第一夹角α1和第二夹角α2相加后为90
°
。
116.在同一个开口式穹顶结构中，对于不同的承重杆3，第一夹角α1和第二夹角α2也可能不同，例如，如图9所示，外拉环梁2为椭圆形，且内压环梁1为圆形，则位于不同位置的承重杆3的受力不一样，则就会导致不同位置的承重杆3对应的第一夹角α1和第二夹角α2不一样。
117.在此基础上，第一支撑杆31和第二支撑杆32在地面上的投影均不超出外拉环梁2在地面上的投影的边界。
118.也就是说，第一支撑杆31可以垂直于外拉环梁2的端面，也可以为第一支撑杆31的第二端相对于第一支撑杆31的第一端向靠近外拉环梁2的中心方向倾斜，第二支撑杆32可以垂直于外拉环梁2的端面，也可以平行于外拉环梁2的端面，还可以为第二支撑杆32的第一端相对于第二支撑杆32的第二端向靠近外拉环梁2的方向倾斜。
119.在本技术的一些实施例中，如图10所示，第一支撑杆31在外拉环梁2的端面上的投影与第二支撑杆32在外拉环梁2的端面上的投影之间的夹角大于或等于0
°
且小于或等于60
°
。
120.也就是说，第一支撑杆31的延伸线和第二支撑杆32的延伸线所在的平面可以不经过外拉环梁2的圆心。例如，第一支撑杆31在外拉环梁2的端面上的投影与第二支撑杆32在外拉环梁2的端面上的投影之间的夹角可以为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
等。
121.该种设置方式也可以通过调整各个承重杆3对应的第一夹角α1和第二夹角α2来调整该承重杆3对应的第一交点c处的弯矩，从而实现该承重杆3对应的第一交点c处的弯矩较小，以增加承重杆3的支撑强度，从而提高整个开口式穹顶结构的结构强度。
122.在本技术的一些实施例中，如图11所示，外拉环梁2的端面与内压环梁1的端面的
夹角大于或等于0
°
且小于90
°
。
123.也就是说，内压环梁1的端面与外拉环梁2的端面可以不相互平行，即内压环梁1的端面相对于外拉环梁2的端面有一定的倾斜度。例如，外拉环梁2的端面与内压环梁1的端面的夹角可以为0
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
、70
°
、80
°
等。
124.该种设置方式下，各个承重杆3对应的第一夹角α1和第二夹角α2可以不相同，通过对每一个承重杆3对应的第一夹角α1和第二夹角α2进行计算，能够获得每一个承重杆3的第一交点c处的最小弯矩，从而能够获取该设置方式下各个承重杆3的最佳结构形态，从而获取一个结构较稳定的开口式穹顶结构。
125.在本技术的一些实施例中，如图12所示，开口式穹顶结构还包括多个第一支座6和多个第二支座7，多个第一支座6与多个承重杆3一一对应，一个承重杆3的第一支撑杆31通过一个第一支座6与外拉环梁2连接；第一支座6用于传递承重杆3与外拉环梁2之间的作用力，通过第一支座6的转角形变能够减小承重杆3和内压环梁1产生竖向位移时造成的承重杆3和外拉环梁2的损坏。
126.多个第二支座7与多个承重杆3一一对应，一个承重杆3的第二支撑杆32通过一个第二支座7与内压环梁1连接，第二支座7用于传递内压环梁1与承重杆3之间的作用力，通过第二支座7的竖向形变能够减小承重杆3和内压环梁1产生竖向位移时造成的承重杆3与内压环梁1的损坏。
127.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(compris ing)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
128.尽管结合具体特征及其实施例对本技术进行了描述，显而易见的，在不脱离本技术的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本技术的示例性说明，且视为已覆盖本技术范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。
129.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技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，包括：获取重力荷载条件以及内压环梁和外拉环梁的直径和相对标高；根据所述内压环梁和所述外拉环梁的相对标高，将所述外拉环梁设于地面上，并将所述内压环梁位于所述外拉环梁的上方，且使所述内压环梁在所述地面上的投影不超出所述外拉环梁在所述地面上的投影的边界；在所述外拉环梁和所述内压环梁之间间隔设置多个承重杆，其中，所述承重杆包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆的第一端与所述外拉环梁连接，所述第一支撑杆的第二端与所述第二支撑杆的第一端连接，所述第二支撑杆的第二端与所述内压环梁连接；根据第一交点处的弯矩与所述第一支撑杆的跨中正弯矩和/或所述第二支撑杆的跨中正弯矩相等，计算出各个所述承重杆中所述第一交点处的弯矩，以确定各个所述承重杆的结构形态，其中，在一个所述承重杆中，所述第一交点为所述第一支撑杆的延伸线与所述第二支撑杆的延伸线的交点。2.根据权利要求1所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，在一个所述承重杆中，所述第一支撑杆的延伸线与所述外拉环梁的端面的夹角的余角为第一夹角，所述第二支撑杆的延伸线与所述外拉环梁的端面的夹角为第二夹角；所述第一交点处的弯矩与所述第一夹角和/或所述第二夹角负相关。3.根据权利要求2所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，所述第一支撑杆的延伸线与所述外拉环梁的端面的交点为第二交点，所述第二支撑杆的延伸线与所述内压环梁的端面的交点为第三交点，经过所述第二交点且垂直于所述内压环梁的端面的直线为垂线，所述垂线与所述内压环梁的端面的交点为第四交点；所述第一交点处的弯矩为：所述第一支撑杆的跨中正弯矩为：所述第二支撑杆的跨中正弯矩为：其中，q为荷载量，z
max
为所述第二交点与所述第四交点之间的距离，l
max
为所述第三交点与所述第四交点之间的距离，c
x
为所述第一交点到所述垂线的距离，α1为所述第一夹角，α2为第二夹角。4.根据权利要求3所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，在所述确定各个所述承重杆的结构形态后还包括：根据各个所述承重杆对应的所述第一夹角和所述第二夹角计算出各个所述承重杆中所述第一支撑杆的内力和所述第二支撑杆的内力；根据所述第一支撑杆的内力和所述第二支撑杆的内力获取所述第一支撑杆的截面尺寸和所述第二支撑杆的截面尺寸；根据所述第一支撑杆的截面尺寸和所述第二支撑杆的截面尺寸，增加所述内压环梁和
所述外拉环梁的轴向刚度和抗弯刚度。5.根据权利要求4所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，还包括：在所述第一支撑杆和所述第二支撑杆的连接处增加第一环梁，且使所述第一环梁与所述第一支撑杆和所述第二支撑杆均连接；在所述第一环梁与所述内压环梁之间增加至少一个第二环梁，且使所述第二环梁与所述第二支撑杆连接，和/或，在所述第一环梁与所述外拉环梁之间增加至少一个所述第二环梁，且使所述第二环梁与所述第一支撑杆连接。6.根据权利要求2所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，所述第一夹角大于或等于0
°
且小于90
°
，所述第二夹角大于或等于0
°
且小于或等于90
°
，所述第一夹角和所述第二夹角相加大于或等于0
°
且小于或等于90
°
。7.根据权利要求6所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，所述第一支撑杆和所述第二支撑杆在所述地面上的投影均不超出所述外拉环梁在所述地面上的投影的边界。8.根据权利要求1所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，所述第一支撑杆在所述外拉环梁的端面上的投影与所述第二支撑杆在所述外拉环梁的端面上的投影之间的夹角大于或等于0
°
且小于或等于60
°
。9.根据权利要求1所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，所述外拉环梁的端面与所述内压环梁的端面的夹角大于或等于0
°
且小于90
°
。10.根据权利要求1所述的一种开口式穹顶结构的设计方法，其特征在于，所述开口式穹顶结构还包括：多个第一支座，所述多个第一支座与所述多个承重杆一一对应，一个所述承重杆的所述第一支撑杆通过一个所述第一支座与所述外拉环梁连接；多个第二支座，所述多个第二支座与所述多个承重杆一一对应，一个所述承重杆的所述第二支撑杆通过一个所述第二支座与所述内压环梁连接。

技术总结
本发明公开一种开口式穹顶结构的设计方法，涉及建筑结构技术领域，为解决现阶段体育场馆采用的悬挑桁架的弯矩较大的问题。该开口式穹顶结构的设计方法包括获取重力荷载条件以及内压环梁和外拉环梁的直径和相对标高；根据内压环梁和外拉环梁的相对标高，将外拉环梁设于地面，并将内压环梁位于外拉环梁上方；在外拉环梁和内压环梁之间间隔设置多个承重杆，其中，承重杆包括第一支撑杆和第二支撑杆；根据第一交点处的弯矩与第一支撑杆的跨中正弯矩和/或第二支撑杆的跨中正弯矩相等，计算各个承重杆中第一交点处的弯矩,其中，在一个承重杆中，第一交点为第一支撑杆的延伸线与第二支撑杆的延伸线的交点。本发明用于遮挡体育场的看台。的看台。的看台。


技术研发人员：高颖 傅学怡 汤光海
受保护的技术使用者：悉地（北京）国际建筑设计顾问有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/20