CN103469890B - 一种竹结构单层球面网壳及组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种竹结构单层球面网壳及组装方法，其结构包括L根竹杆件，M个竹连接件、N个固定铰支座。L根竹杆件每根径向竹杆、纬向竹杆和斜向竹杆两端通过竹连接件形成单层球面网壳主体；所述的竹连接件包括钢插片、空心球、加劲钢片和螺栓；其中钢插片的一端上预留圆弧型缺口，并焊接在空心球上；另一端上预留螺栓孔，螺栓通过该孔分别连接在径向竹杆、纬向竹杆和斜向竹杆上；加劲钢片焊接在钢插片与径向竹杆、纬向竹杆和斜向竹杆的连接部位处；多个固定铰支座的上端安装在底部竹连接件的空心球上，多个固定铰支座的下端安装在下部支撑结构的顶部。优点：自重轻，施工方便，结构受力合理，安全性高，连接节点简单可靠，易维修，绿色环保。

Description

一种竹结构单层球面网壳及组装方法

技术领域

本发明涉及的是一种竹结构单层球面网壳及组装方法，属于网壳结构技术领域。

背景技术

近年来，为了满足建筑使用功能的要求，大跨度空间结构越来越多地应用于工程实践，例如要求容纳大量观众的体育场馆，用于学术、文化、商业交流的会议展览中心，大规模的候机大厅与飞机库等都毫无例外地要求一个大的活动空间。而用杆件按一定规律排列形成的，以“薄膜”作用为主要受力特征的网壳结构因其跨越能力大，刚度好，省材料，结构多变，美观性强等优点，成为应用最广泛的大跨空间结构之一，具有广阔的发展空间。目前大跨网壳结构的建造及其所采用的技术已成为衡量一个国家建筑水平的重要标志，许多宏伟而富有特色的大跨网壳结构，如日本名古屋体育馆，中国国家大剧院等已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。

单层球面网壳按网格划分形式分类，主要有肋环型、施威德勒型、葵花形、三向网格型、凯威特型，其中肋环型球面网壳是由径肋和环杆组成，整体刚度较差，适用于中小跨度结构；施威德勒型球面网壳是在肋环型基础上增加斜杆，从而提高了网壳的刚度并且增强了结构抵抗非对称荷载的能力；葵花形球面网壳由人字斜杆组成菱形网格，造型美观，为了增加网壳的刚度和稳定性，可以在环向加设杆件，适用于大、中跨度结构；三向网格型球面网壳网格在水平投影面上成正三角形，受力性能好，外形美观；凯威特型球面网壳把球面分为n（n=6、8、12…）个对称扇形曲面，然后在每个扇形曲面内，再由纬向杆系和斜向杆系将此曲面划分为大小比较均匀的三角形网格，在每个扇形平面中，各左斜杆平行，各右斜杆平行，整体刚度高，稳定性好，适用于大、中跨度结构。在单层球面网壳的选型方面，应根据建筑物具体的使用目的、造型需求和结构特点确定适宜的网壳类型。虽然网壳的网格划分形式多种多样，但其主体材料的选用却很单一，绝大多数网壳选用钢材，少数是铝合金或混凝土，目前尚未有将竹材应用于单层球面网壳结构的实例。

我国竹材资源丰富，且竹子3-5年即可成材，比木材的生长周期短，并可降解，是一种不可多得的生物质速生材料。如能将竹材加工重组成力学性能优良的结构杆件，应用于网壳结构，将拓宽竹结构的应用领域并推进绿色环保建筑的发展。在力学性能方面，竹材具有较好的抗拉、抗压和抗弯强度，是一种天然的建材，像傣族的竹楼就是竹材应用于房屋建筑的典型例子。但竹材在自然生长过程中形成的生理弯曲以及横纹和顺纹的受力性能差异从一定程度上影响了其力学性能，限制了其适用范围。随着科技进步，现有加工技术与设备虽能保证加工后竹杆件的外形准确度和力学强度，但受竹结构连接方式的制约，其应用范围一直未能得到拓宽。在竹结构连接方面，常见的连接方式为绑扎或榫卯式，采用该连接方式的竹节点相对于钢结构或混凝土结构的节点，竹节点的连接可靠度低。在建筑工程应用方面，目前竹材仅被加工成如竹地板，竹工艺品等装饰装修材料，其用于结构材的案例甚少。因此，在低碳、环保、绿色建筑理念得到广泛认同的今天，如何将竹材作为结构材应用于建筑工程结构，尤其应用于网壳结构，从而进一步拓宽竹材的应用领域，其意义就显得非常重大。

而如何提高竹结构连接节点的可靠性，充分发挥竹材力学性能，采用何种合理的计算手段进行竹结构设计，成为制约竹结构应用领域拓宽的关键问题。

发明内容

本发明提出的是一种竹结构单层球面网壳及组装方法，其目的旨在解决现有技术所存在的上述问题，具有自重轻，施工方便，结构受力合理，安全性高，连接节点简单可靠，易维修，绿色环保等特点。

本发明的技术解决方案：一种竹结构单层球面网壳，一种竹结构单层球面网壳，其结构包括L根竹杆件，M个竹连接件、N个固定铰支座。

本发明的优点：

1）自重轻：由原竹加工成的重组竹或层积材，密度约为1.2g/cm³,约为钢材7.9g/cm³密度的1/6，约为铝合金2.3g/cm³密度的1/2。

2）施工方便：由于竹材的密度小，杆件拼接由单个工人即可完成，可降低工人的劳动强度和地面工作人员密度，利于提高施工质量和施工速度。

3）受力合理：竹结构单层球面网壳在荷载作用下，其内力主要由竹杆件承受，竹杆件间的内力由节点传递，而本发明中针对竹结构的连接特点设计出的竹连接件使得竹杆件所受的内力在节点处通过螺栓传递给钢插片，钢插片通过焊缝将内力传递给空心球，传力路径明确；焊接在空心球上的钢插片相当于一个悬臂结构，为了避免竹杆件在节点处由于截面过大而交错，钢插片需突出竹杆件一段距离，这样使得单个钢插片的悬挑长度增大，平面外抗弯刚度变小，在钢插片突出竹杆件部分焊接加劲钢片，将各个方向的钢插片依次连接起来，既减小了单个钢片的悬挑长度，增加单个钢片平面外的抗弯刚度，又使得连接在同一空心球上的钢插片共同受力，从而提高节点的整体稳定性。

4）安全性高：经有限元软件计算后发现，单根竹杆件受力状况和整体结构动静响应均满足设计和适用要求，且在相同地震作用下，竹结构单层球面网壳的内力小于同截面面积的钢结构单层球面网壳的内力；表明竹结构单层球面网壳的安全性高。

5）连接节点简单可靠：竹网壳主要由竹连接件将竹杆件按一定规律连接形成网壳主体，每个竹连接件包括1个空心球，P个钢插片、Q个加劲钢片、若干个螺栓；其中钢插片的一端上预留圆弧型缺口，钢插片的另一端上预留A螺栓孔；钢插片预留圆弧型缺口的一端与空心球焊接固定；竹杆件的端部上预留凹槽和B螺栓孔，钢插片预留A螺栓孔的一端插入竹杆件预留的凹槽内，钢插片预留的A螺栓孔与竹杆件上预留的B螺栓孔对齐，A螺栓孔、B螺栓孔用螺栓固定；在竹杆件和空心球间的钢插片上焊接加劲钢片，安装过程简单，整体性好，连接可靠。

6）易维修：当竹网壳在安装或使用过程中，竹杆件因出现裂缝、过度弯曲等情况影响整个网壳结构的安全与稳定而急需更换时，只需卸下竹杆件两端用于与钢插片连接所用的螺栓，取下损坏的竹杆件，换上新的竹杆件，再拧紧之前卸下的螺栓，即可完成维修工作。

7）绿色环保：我国竹材资源丰富，选材便利；竹材生长周期短，且属于绿色环保的可再生资源，因此用竹材作为结构主体材料的竹结构单层球面网壳的环保优势突出。

附图说明

图1是竹结构单层球面网壳平面图。

图2是竹结构单层球面网壳立体图。

图3是图1中的A-A剖面图。

图4是竹结构单层球面网壳中竹连接件示意图。

图5是竹结构单层球面网壳竹杆件与竹连接件连接部分的示意图。

图6是单个钢插片示意图。

图7是单个竹杆件示意图。

图中的1是径向竹杆，2是纬向竹杆，3是斜向竹杆，4是钢插片，5是空心球，6是固定铰支座，7是加劲钢片，8是螺栓，9是下部支撑结构，10是圆弧型缺口，11是A螺栓孔，12是B螺栓孔，13是凹槽，14是垫片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种竹结构单层球面网壳进行详细说明。

对照附图，一种竹结构单层球面网壳，其结构包括L根竹杆件，M个竹连接件、N个固定铰支座6。

所述的L根竹杆件包括径向竹杆1或纬向竹杆2或斜向竹杆3，所述的L=径向竹杆+纬向竹杆+斜向竹杆，每根径向竹杆或纬向竹杆或斜向竹杆的两端分别连接在对应的竹连接件上，从而形成单层球面网壳的主体部分。

所述的M个竹连接件中的每个竹连接件包括1个空心球5、M个钢插片4、M或M-1个加劲钢片7、2M个螺栓8；其中钢插片的一端上预留圆弧型缺口10，钢插片的另一端上预留A螺栓孔11；钢插片预留的圆弧型缺口的一端与空心球焊接固定；竹杆件的端部上预留凹槽13和B螺栓孔12，钢插片预留A螺栓孔的一端插入竹杆件预留凹槽内，钢插片预留的A螺栓孔11与竹杆件上预留的B螺栓孔12对齐，A螺栓孔、B螺栓孔用二个螺栓8固定；在竹杆件和空心球间的钢插片上焊接加劲钢片7。

所述的N个固定铰支座中的每个固定铰支座6的上端安装在单层球面网壳最外圈的竹连接件中心的空心球5上，每个固定铰支座的下端安装在下部支撑结构9的顶部。

所述的径向竹杆、纬向竹杆和斜向竹杆呈矩形体结构，采用的是由原竹经过加工后制成的重组竹和竹材层积材。

所述的径向竹杆、纬向竹杆和斜向竹杆的两端的中轴线处预留凹槽，在该凹槽垂直中轴线的方向上预留B螺栓孔。

所述的竹连接件中的钢插片预留圆弧型缺口的一端与空心球固定焊接角度为竹网壳网格划分后竹杆件中轴线形成的角度小于90度，钢插片另一端预留A螺栓孔,用于与竹杆件连接，所述的钢插片一端预留圆弧型缺口的半径与所连接的空心球的半径一致，使得钢插片与空心球焊接时不形成空隙从而能紧密连接。

所述的螺栓与竹杆件的接触面之间设有垫片14，避免在竹杆件与螺栓的接触面上发生局部承压破坏。

所述的N个固定铰支座中的每个固定铰支座6的间隔距离是可调的。

所述的径向竹杆1、纬向竹杆2和斜向竹杆3在安装或使用过程中损坏时，可以及时更换。

实施例

组装一个单层球面竹网壳的方法，包括如下步骤：

1）构件编号

该实施例中的竹网壳为K6型凯威特单层球面网壳，从上到下共5圈，依次记为A、B、C、D、E；第1圈有1个竹连接件，记为A1，第2圈有6个竹连接件，分别记为B1、B2、B3、B4、B5、B6；依次类推，最外圈即第5圈有24个竹连接件，分别记为E1、E2…E24，竹连接件中空心球5的编号同竹连接件的编号，固定铰支座的编号同竹连接件的编号；钢插片4按如下规则编号，例如焊接在编号为A1的空心球5上的6个钢插片4，其编号分别为A1-a、A1-b、A1-c、A1-d、A1-e、A1-f，焊接在编号为E3的空心球5上的4个钢插片4，其编号分别为E3-a、E3-b、E3-c、E3-d；竹杆件按如下规则编号，例如竹连接件A1与竹连接件B1共有一根径向杆1，编号为A1a-B1a,因为径向杆1一端与编号为A1-a的钢插片4相连，故该端编号为A1a，径向杆1另一端与编号为B1-a的钢插片4相连，故该端编号为B1a，由此得到A1a-B1a的竹杆件编号，按照上述规定，对每根竹杆件、钢插片4以及空心球5进行编号，由于网壳结构构件众多，构件编号为接下来的网壳组装提供了极大的便利。

2）形成竹连接件

以编号为A1的竹连接件为例说明竹连接件的安装过程：编号为A1的空心球5放置在带定位装置的焊接设备上；依次将编号为A1-a、A1-b、A1-c、A1-d、A1-e、A1-f的6个钢插片4预留圆弧型缺口10的一端焊接在空心球5上，每个钢插片4焊接在空心球5上的角度为竹网壳网格划分后竹杆件中轴线形成的角度，焊接设备带有定位装置，且钢插片4一端预留的圆弧型缺口10的半径与所连接的空心球5的半径一致，这两项措施既保证了钢插片4与空心球5的焊接角度的准确定位又使得钢插片4与空心球5焊接时不形成空隙从而能紧密连接；最后在竹杆件和空心球5间的钢插片4上焊接加劲钢片7，加劲钢片7依次将编号为A1-a、A1-b、A1-c、A1-d、A1-e、A1-f的6个钢插片连接成一个整体，这样既减小了单个钢片的悬挑长度，增加单个钢片平面外的抗弯刚度，又使得连接在同一空心球5上的6片钢插片共同受力，从而提高节点的整体稳定性，按照上述方法组装好61个竹连接件。

3）连成单层网壳主体

首先组装竹结构单层球面网壳的第五圈（即最外圈），将最外圈编号分别为E1、E2…E24的24个竹连接件中心的空心球5按照设计图纸规定的位置进行现场定位；然后利用竹杆件将竹连接件依次连接起来，如编号为D1a-E1a的径向杆1将竹连接件D1与竹连接件E1连接起来，竹杆件的端部上预留凹槽13和B螺栓孔12，将编号为D1-a的钢插片4预留A螺栓孔11的一端插入竹杆件编号为D1a那端预留的凹槽13内,将编号为E1-a的钢插片4预留A螺栓孔11的一端插入竹杆件编号为E1a那端预留的凹槽13内；钢插片4预留的A螺栓孔11与竹杆件上预留的B螺栓孔12对齐，A螺栓孔11、B螺栓孔12用二个螺栓8固定，这样就通过竹杆件实现了竹连接D1与竹连接件E1的连接，按第五圈（即最外圈）到第一圈的顺序，照上述方法，用竹杆件依次将61个竹连接件连接起来，形成单层网壳的主体部分。

4）安装网壳支座

将编号为E1、E3、E5…E23的固定铰支座6的上端安装在单层球面网壳最外圈相同编号的竹连接件中心的空心球5上，固定铰支座6的下端安装在下部支撑结构9的顶部，相邻的两个固定铰支6间隔一个竹连接件，共12个固定铰支座6，由此形成了一个竹结构单层球面网壳。

为了检验竹结构单层球面网壳的承载能力，本申请人用有限元软件SAP2000比较了相同外观尺寸和杆件截面面积的本发明提供的竹结构和已有技术的钢结构单层球面网壳在水平地震EL-Centro（1940）波作用下8s内的杆件内力最大值，结果见表1。

由表1可见，竹结构单层球面网壳的杆件的最大内力均小于钢结构单层球面网壳的杆件的最大内力，后者比前者大5.5倍，表明竹结构单层球面网壳受震害影响相对较小，结构受力合理，安全度高。

Claims (5)

1.一种竹结构单层球面网壳，其特征在于：包括L根竹杆件，M个竹连接件、N个固定铰支座；所述的L根竹杆件包括径向竹杆或纬向竹杆或斜向竹杆，所述的L=径向竹杆+纬向竹杆+斜向竹杆，每根径向竹杆或纬向竹杆或斜向竹杆的两端分别连接在对应的竹连接件上，从而形成单层球面网壳的主体部分；所述的M个竹连接件中的每个竹连接件包括1个空心球、M个钢插片、M或M-1个加劲钢片、2M个螺栓；其中钢插片的一端上预留圆弧型缺口，钢插片的另一端上预留A螺栓孔；钢插片预留的圆弧型缺口的一端与空心球焊接固定；竹杆件的端部上预留凹槽和B螺栓孔，钢插片预留A螺栓孔的一端插入竹杆件预留的凹槽内，钢插片预留的A螺栓孔与竹杆件上预留的B螺栓孔对齐，A螺栓孔、B螺栓孔用螺栓固定；在竹杆件和空心球间的钢插片上焊接加劲钢片；所述的N个固定铰支座中的每个固定铰支座的上端安装在单层球面网壳最外圈的竹连接件中心的空心球上，每个固定铰支座的下端安装在下部支撑结构的顶部。

2.根据权利要求1所述的一种竹结构单层球面网壳，其特征在于：所述的径向竹杆、纬向竹杆和斜向竹杆，呈矩形体结构，采用的是由原竹经过加工后制成的重组竹和竹材层积材；所述的径向竹杆、纬向竹杆和斜向竹杆的两端的中轴线处预留凹槽，在该凹槽垂直中轴线的方向上预留B螺栓孔。

3.根据权利要求2所述的一种竹结构单层球面网壳，其特征在于：所述的竹连接件中的钢插片预留圆弧型缺口的一端与空心球固定焊接角度为竹网壳网格划分后竹杆件中轴线形成的角度小于90度，钢插片另一端预留A螺栓孔,用于与竹杆件连接，所述的钢插片一端预留圆弧型缺口的半径与所连接的空心球的半径一致，使得钢插片与空心球焊接时不形成空隙从而能紧密连接；所述的螺栓与竹杆件的接触面之间设有垫片，避免在竹杆件与螺栓的接触面上发生局部承压破坏。

4.根据权利要求1所述的一种竹结构单层球面网壳，其特征在于：所述的N个固定铰支座中的每个固定铰支座的间隔距离是可调的。

5.如权利要求1的一种竹结构单层球面网壳的组装方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1）构件编号

单层球面网壳从上到下共5圈，依次记为A、B、C、D、E；第1圈有1个竹连接件，记为A1，第2圈有6个竹连接件，分别记为B1、B2、B3、B4、B5、B6；依次类推，最外圈即第圈有24个竹连接件，分别记为E1、E2…E24，竹连接件中空心球的编号同竹连接件的编号，固定铰支座的编号同竹连接件的编号；钢插片按如下规则编号，例如焊接在编号为A1的空心球上的6个钢插片，其编号分别为A1-a、A1-b、A1-c、A1-d、A1-e、A1-f，焊接在编号为E3的空心球上的4个钢插片，其编号分别为E3-a、E3-b、E3-c、E3-d；竹杆件按如下规则编号，例如竹连接件A1与竹连接件B1共有一根径向杆，编号为A1a-B1a,因为径向杆一端与编号为A1-a的钢插片相连，故该端编号为A1a，径向杆另一端与编号为B1-a的钢插片相连，故该端编号为B1a，由此得到A1a-B1a的竹杆件编号，按照上述规则，对每根竹杆件、钢插片以及空心球进行编号，由于网壳结构构件众多，构件编号为接下来的网壳组装提供了极大的便利；

2）形成竹连接件

以编号为A1的竹连接件为例说明竹连接件的安装过程：编号为A1的空心球放置在带定位装置的焊接设备上；依次将编号为A1-a、A1-b、A1-c、A1-d、A1-e、A1-f的6个钢插片预留圆弧型缺口的一端焊接在空心球上，每个钢插片焊接在空心球上的角度为竹网壳网格划分后竹杆件中轴线形成的角度小于90度，焊接设备带有定位装置，该定位装置用以修正角度，且钢插片一端预留的圆弧型缺口的半径与所连接的空心球的半径一致，这两项措施既保证了钢插片与空心球的焊接角度的准确定位又使得钢插片与空心球焊接时不形成空隙从而能紧密连接；最后在竹杆件和空心球间的钢插片上焊接加劲钢片，加劲钢片依次将编号为A1-a、A1-b、A1-c、A1-d、A1-e、A1-f的6个钢插片连接成一个整体，这样既减小了单个钢插片的悬挑长度，增加单个钢插片平面外的抗弯刚度，又使得连接在同一空心球上的6片钢插片共同受力，从而提高节点的整体稳定性，按照上述方法组装好61个竹连接件；

3）连成单层网壳主体

首先组装竹结构单层球面网壳的第五圈，即最外圈，将最外圈编号分别为E1、E2…E24的24个竹连接件中心的空心球按照设计图纸规定的位置进行现场定位；然后利用竹杆件将竹连接件依次连接起来，如编号为D1a-E1a的径向杆将竹连接件D1与竹连接件E1连接起来，竹杆件的端部上预留凹槽和B螺栓孔，将编号为D1-a的钢插片预留A螺栓孔的一端插入竹杆件编号为D1a那端预留的凹槽内,将编号为E1-a的钢插片预留A螺栓孔的一端插入竹杆件编号为E1a那端预留的凹槽内；钢插片预留的A螺栓孔与竹杆件上预留的B螺栓孔对齐，A螺栓孔、B螺栓孔用二个螺栓固定，这样就通过竹杆件实现了竹连接件D1与竹连接件E1的连接，按第五圈即最外圈到第一圈的顺序，照上述方法，用竹杆件依次将61个竹连接件连接起来，形成单层网壳的主体部分；

4）安装网壳支座

将编号为E1、E3、E5…E23的固定铰支座的上端安装在单层球面网壳最外圈相同编号的竹连接件中心的空心球上，固定铰支座的下端安装在下部支撑结构的顶部，相邻的两个固定铰支座间隔一个竹连接件，共12个固定铰支座，由此形成了一个竹结构单层球面网壳。