CN103938720B - 装备储运用的大空间金属球冠形网壳的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合于装备储运的大空间金属球冠形棚板网壳结构，属于土木工程力学和机械工程领域。这种金属球冠形棚板网壳结构是以32面体变体平面基元为基础，经过向球面拓扑映射变换得到空间球面节点位置。球冠形网壳棚板结构由主体节点座与基底节点座，活节连接杆件和泡沫金属薄型棚板构成，节点座与活节连接杆件采用螺纹联接，实现便捷精确安装。基梁底脚螺栓通过基底节点座的锚孔板将整体网壳结构紧固在基梁与地面基础上，提高了球冠形网壳承受各向外荷载的性能。本发明现场安装可从地面架设开始，顺次向上连接，也可利用液压顶升机支撑顶部网壳，自上而下顺次外扩安装，施工十分便捷，可作为大型工程施工与装备储运和应急抢险救灾中心使用。

Description

装备储运用的大空间金属球冠形网壳的构建方法

技术领域

本发明是基于拓扑学、空间几何和杆系结构建立的六边形构型金属球冠形网壳理论设计方法与结构构造技术，属于土木工程力学和机械工程学领域。

背景技术

大跨度空间网壳结构具有自由空间大内支撑少的特点，适合于存放大型机械装备并能满足大回转半径车辆机动的要求。大型展览会馆和大跨度体育场馆设施的球形网壳结构，例如加拿大蒙特利尔展览会馆(图1)和加拿大魁北克市公园的大跨度球形双层网壳结构(图2)，是大跨度空间网壳结构的经典实例。

以色列学者Hanaor提出了一种基于球弧20面体等弧细分理论具有三角形构型的单层网壳构建方法(图3)，并获得了大量的应用。但是这种方法由于没有进行进一步拓扑优化，造成设计计算繁复，结构节点杆件种类过多；同时该方法构件的单层球形网壳结构中的构件均采用焊接工艺连接，施工周期长，焊接质量和精度无法保证，无法在野外大跨度网壳结构中直接使用。

当前许多大型装备的检测维修、物资储运、抢险救灾和医疗救助，需要在野外风雪暴雨条件下进行，需要满足施工迅速稳定可靠的要求，而采用上述焊接工艺修建方法，施工安装过程复杂，工期过长，成本很高，且现场焊接质量也难于保证。此外半球形网壳结构的矢高与球面半径相等，而在很多时候(如抢险救灾、医疗救助)并不需要较大的高度，若仍采用半球形网壳结构就会造成空间和材料的浪费，同时增大结构的受风面积，使得设计成本和施工成本增加。

为解决上述问题，本发明提出一种适合于装备储运的大空间金属球冠形棚板网壳结构(图4)。这种金属网壳结构的构建方法是从拓扑学和空间几何基础理论出发，以球形32面体变体为基础，建立六边形平面基元，选择特定网格细分参数，经过网格节点向球面进行拓扑映射变换，获得单层球冠形网壳结构。

发明内容

本发明提出的一种适合于装备储运的大空间金属球冠形棚板网壳结构，旨在提供一种矢 高小于球面半径、具有大跨度、安装便捷的装配式网壳结构。可以作为快速构建大跨度装备维修间、装备储存库、救灾医疗中心与物资中心使用。

本发明提出的装备储运用的大空间金属球冠形棚板网壳结构构建方法，其特征在于，所述构建方法的主体网壳是由32面体变体建立的平面基元，进行正六边形网格细分，并经网格节点向球面进行拓扑映射得到球形网壳，再根据给出的球冠球面直径和矢高比，采用平面环形切割法使球冠基底平面过球面上部五边形的下角点，调整邻近节点结构，使之落在基底平面圆内接多边形及其邻域，最终构建成所需的球冠型棚板网壳结构；该结构含有球冠网壳1，主体节点座和基底节点座2，活节连接杆件3，以及作为屋面的泡沫金属薄型棚板；所述主体节点座和基底节点座2中的每个节点座的三个接头与三根活节杆件相连；其中基底节点座一个杆接头4指向斜上方，另外两个水平弦向接头5指向基底水平面弦线方向；指向斜上方的杆接头方向在子午面内单独向内倾斜或呈对称侧斜形式布置；主体节点座和基底节点座2上布置有吊装紧固螺孔7和棚板传力承台8；棚板紧固螺孔9位于棚板传力承台8上，用于紧固棚板和压胶防水；基底节点圆底座10位于基梁上，采用地脚螺栓通过地脚螺栓锚孔6将整体网壳结构紧固在基梁与地面基础上，使球冠形网壳结构实现总体稳定。

该构建方法具体步骤为：

2.1构建组合32面体变体，建立六边形平面基元，对于沿角展开和沿边展开两类平面基元，选定其适宜边长比M；

2.2将六边形平面基元进行正六边形细分，自球心过诸细分节点向球面进行拓扑映射变换，并在球面上使节点彼此两两相连并与五边形角点对应相连，求出球面基元节点与角点坐标和相应边长；

2.3选择过球形主体网壳上部五边形角点或次下角点，进行平面纬线环向切割，调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应圆内接多边形圆周上或其邻域，并使构建基底特殊多边形构型和主体六边形构型相适配。

本发明的优点主要有：(1)以节点接头和活节直杆杆件两类部件作为构成网壳单元的零部件，采用方便灵活的螺纹连接取代焊接工艺，精度高，安装迅速便捷，可显著提高施工作业速度；(2)球冠形网壳矢高小于球面半径，可在满足跨度要求的同时节约上部空间，减少设计和施工成本；(3)现场结构安装架设可以从地面节点座和活节杆件连接开始，顺次的向上连接，使现场网壳施工十分便捷快速；(4)采用提供的网壳基底节点构造和锚栓接地方法牢固稳定，提高了金属网壳抗强风暴雪性能；(5)跨度可以分级调节变化，经过结构拓扑设计优化，各型网壳结构的节点座和连接杆种类少，便于快速安装；(6)根据本发明的方法选取多边形构型42面体、92面体、162面体、252面体、362面体结构等，可以构建出大跨度单层球冠型棚板网壳系列。

附图说明

图1为加拿大蒙特利尔会展中心(球面三角形构型单层网壳)；

图2为加拿大魁北克市公园(球面三角形构型双层网壳)；

图3为Hanaor 20面体三角形构型测地投影法生成球形网壳；

图4为本发明中162面体球冠形棚板网壳结构；

图5为本发明中32面体球冠形棚板网壳结构节点杆件连接安装三维投影；

图6为本发明中42面体球冠形棚板网壳结构节点杆件连接安装三维投影，1-球冠网壳，2-主体节点座和基底节点座，3-活节连接杆件；

图7为本发明中42面体球冠形棚板网壳节点杆件连接安装立面投影；

图8为本发明中42面体球冠形棚板网壳主体结构三维实体投影，11-北纬环切面形成球冠；

图9为本发明中92面体球冠形棚板网壳结构三维立面实体投影；

图10为本发明中92面体球冠形棚板网壳主体结构三维实体投影，11-北纬环切面形成球冠；

图11为本发明中162面体球冠形棚板网壳结构三维立面实体投影；

图12为本发明中162面体球冠形棚板网壳主体结构三维实体投影，11-北纬环切面形成球冠；

图13为本发明中252面体球冠形棚板网壳结构三维立面实体投影；

图14为本发明中252面体球冠形棚板网壳主体结构三维实体投影，11-北纬环切面形成球冠；

图15为本发明中362面体球冠形棚板网壳结构三维立面实体投影；

图16为本发明中362面体球冠形棚板网壳主体结构三维实体投影，11-北纬环切面形成球冠；

图17为本发明中球冠形棚板网壳结构主体节点座与活节杆件连接安装，2-主体节点座和基底节点座，3-活节杆件；

图18为本发明中球冠形棚板网壳结构基底正倾斜节点座，4-上斜指向杆接头，5-水平弦向接头，6-地脚螺栓锚孔，7-吊装紧固螺孔，8-棚板传力承台，9-棚板紧固螺孔，10-基底节点圆底座；

图19为本发明中球冠形棚板网壳结构的对称型倾斜基底节点座构造。

具体实施方式

下面结合附图4～18，详细说明本发明的具体实施方式。

适合于装备储运的大空间金属球冠形棚板网壳结构，该球冠形棚板网壳结构含有：球冠形主体网壳1和泡沫金属薄型棚板。所述球冠形主体网壳1是由主体节点座和基底节点座2，活节连接杆件3构成，两者采用螺纹连接。其拓扑形状是以32面体为基础建立平面基元，并进行正六边形网格细分，选择特定网格细分参数，经过网格节点向球面进行拓扑映射变换得到。

在球冠形主体网壳结构连接设计中，每个主体节点座2的接头与三根活节连接杆件3相连，皆指向球面弦线方向；网壳基底节点座2的一个杆接头指向球面弦线方向，另外两个接头指向网壳相切水平面上底梁圆周弦线方向，同相应活节连杆相连；在接地基底节点座2下部接头外法线方向上，设置有水平锚孔板，设置底脚锚杆通过锚孔将半球网壳牢固地固定在基梁与地面基础上，提高了半球形网壳抗强风暴雪的性能。所述活节连接杆件采用冷轧铝或铝合金管进行加工；所述各种节点座采用优质高碳钢材料熔模精密铸造进行加工，并进行镀锌防锈。

在球冠形金属网壳结构的棚板构造中，采用薄铝板包边内置2厘米厚泡沫铝进行设计。

在球冠形金属网壳结构的现场施工中，结构安装可以从地面环形基梁及其基础开始，架设基底节点座，连接两侧活节连杆，顺次向上连接活节连杆和第二层节点，直到球冠顶部；也可以先行连接顶部五边形及其相邻六边形网壳，利用行程2米的液压顶升机支撑顶部网架，自上而下顺次外扩接杆，以安装全部网壳结构到基底。由于施工工作人员始终在地面操作安装，使得安装施工十分安全便捷。

本发明的具体实施方式分为单层多边形构型金属球冠形网壳拓扑结构设计方法，多边形构型网壳节点棚板构造设计和快速安装工艺三个方面。

1、构建六边形构型球形网壳

1)构建组合32面体变体，建立六边形平面基元，对于沿角展开和沿边展开两类平面基元，选定其适宜边长比M；

2)将基元六边形进行正六边形细分，自球心过诸细分节点向球面进行拓扑映射变换，并在球面上使节点彼此两两相连并与五边形角点对应相连，求出球面基元节点与角点坐标和相应边长；

3)选择过球形主体网壳上部五边形角点或次下角点，进行平面纬线环向切割，调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应圆内接多边形圆周上或其邻域，并使构建基底特殊多边形构型和主体六边形构型相适配，从而完成基底拓扑结构设计和总体结构设计。

六边形构型球形网壳是由基元平面六边形细分演化得到的。规则六边形构型球形网壳具有镜像对称和中心对称，例如规则32面体球形网壳当选取过北纬五边形下角点进行球冠形切割时，在基底平面圆周上可获得十边形。如图5所示。

根据球形网壳构建方法获得六边形构型32面体(图5)、42面体(图6、7、8)、92面体(图9、10)、162面体(图11、12)、252面体(图13、14)和362面体(图15、16)特性，可给出球冠形网壳的主体与基底主要技术参数以及球冠形网壳矢高半径比，以及球形网壳面数与节点数、棱边数的关系。如表1所示。

表1 三角形构型球形网壳主体和球冠基底参数

三角构型球面主体网壳面数S、节点数J、棱边数L满足欧拉定理：

L＝S+J-2

建立节点和棱边计算公式：

棱边数 L＝3(S-2)

节点数 J＝2(S-2)

由表可见，子基元多边形构型种类数、节点种类数、棱边种类数较少，已获得拓扑优化。球冠形网壳可以实现大跨度构建，例如，当结构取五边形标准边为1.6m时，球冠形球壳结构的基底跨度，32面体约为8m，42面体约为10m，92面体为14m，162面体为20m，252面体约为25m，362面体约为30米。球冠形网壳结构的总构型数、节点数、边长数比半球形的少。例如，162面体球冠总构型数，主体为51个，其中基底为20个；球冠总节点数主体为100个，基底为20个；球冠总边长数，主体为150个，其中基底为20个。

下面以42面体、92面体、162面体和252面体为例说明金属球冠形网壳结构的具体实施方式。

2、构建42面体金属球冠形板棚网壳

1)选取边长比建立42面体变体平面基元；

2)在平面基元上，选定基元形心点O1作基元坐标系原点，选球心O作空间坐标系原点，过球心O作射线将基元形心和五边形角点映射到球面，用空间几何方法或ProE程序给出主体网壳六边形构型节点、角点坐标位置和两点间边长特征值。42面体主体球形网壳的三维实体空间投影图，如图6、图8所示，主体六边形构型种类数为1种，节点类型2种，边长种 类2种；

3)为构建网壳基底拓扑结构多边形，选择过球形网壳上部北纬约10度五边形下角点，进行平面切割，获得角节点正好落在相应十边形基底圆周上，作为构建网壳基底节点的依据，基底形成的新构型种类数为2个，分别为非规则四边形和五边形，构成的球冠形网壳结构安装三维立面投影和主体网壳环切法生成球冠，如图7、图8所示。

通过同样步骤对92面体进行分析，取边长比过北纬约20度五边形下角点环切平面构建，球冠形主体网壳三维立面投影和球形网壳结构三维投影及其环切面生成球冠，如图9、10所示，主体六边形构型种类数为2个，基底特殊构型多边形种类数为3个。

3、构建162面体金属球冠形板棚网壳

1)选取边长比建立162面体变体平面基元，对基元进行正六边形细分；

2)在平面基元上，选定基元形心点O₁作基元坐标系原点，选球心O作空间坐标系原点，过球心O作射线将基元形心、细分六边形节点、五边形角点映射到球面，用空间几何方法或ProE程序计算给出主体网壳六边形构型节点、角点坐标位置和两点间边长特征值。162面体球冠主体球形网壳的三维实体立面投影图，如图11所示，主体六边形构型3个；

3)构建网壳基底拓扑结构参数，选择过球形网壳上部北纬约25度五边形下角点，进行平面切割，获得角节点正好落在相应二十边形基底平面圆周及其邻域上。作为构建网壳基底节点的依据，基底形成的多边形新构型为4个，构成的球冠形网壳结构的球形网壳及其环形切面生成球冠三维投影图，如图12所示。

4、构建252面体金属球冠形板棚网壳

1)选取边长比建立252面体变体平面基元，对基元进行正六边形细分；

2)在平面基元上，选定基元形心点O₁作基元坐标系原点，选球心O作空间坐标系原点，过球心O作射线将基元形心、细分六边形节点、五边形角点映射到球面，用空间几何方法或ProE程序计算给出主体网壳六边形构型节点、角点坐标位置和两点间边长特征值。252面体球冠网壳的三维实体空间立面投影图，如图13所示，主体六边形构型4个；

3)建网壳基底拓扑结构参数，选择过球形网壳上部北纬25度五边形下角点，进行平面切割，获得角节点正好落在相应二十边形基底平面圆周及其邻域上。作为构建网壳基底节点的依据，基底形成的新构型为5个，构成的球冠形网壳结构的球形结构及其环形切面三维投影图，如图14所示。

5、构建362面体金属球冠形板棚网壳

1)选取边长比建立362面体变体平面基元，对基元进行正六边形细分；

2)在平面基元上，选定基元形心点O₁作基元坐标系原点，选球心O作空间坐标系原点，过球心O作射线将基元形心、细分六边形节点、五边形角点映射到球面，用空间几何方法或 ProE程序计算给出主体网壳六边形构型节点、角点坐标位置和两点间边长特征值。362面体球冠网壳的三维实体空间立面投影图，如图15所示，主体六边形构型5个；

3)构建网壳基底拓扑结构参数，选择过球形网壳上部北纬25度五边形下角点，进行平面切割，获得角节点正好落在相应二十边形基底平面圆周及其邻域上。作为构建网壳基底节点的依据，基底形成的新构型为6个，构成的球冠形网壳结构主体及其环形切面生成球冠的三维投影图，如图16所示。

6、金属球冠形主体网壳棚板和节点座结构连接设计

金属球冠形网壳主体结构的基本构型是六边形，其部件是由金属内螺纹活节杆件、带承台节点座与泡沫金属棚板构成。金属内螺纹活节杆件用无缝钢管或厚壁管铝型材制备，带承台节点座采用三叉外螺纹管，三叉端指向用“弦面角和”精确改进方法设计，并选优质钢进行精密铸造胚件，采用加工中心铣出节点座三叉管指向的标准角和锥面承台，再完成活节螺纹联接杆件和泡沫铝棚板设计加工。如图17所示为杆件和节点座装配图。

设计给出的基底节点座三叉外螺纹管接头，包括单正倾斜型(图18)和对称倾斜型(图19)两种，给出各型倾斜管接头与活节杆件联接构造和嵌入网壳结构底部棚板以及基底特殊锥底脚螺纹联接设计，选定变角基梁段的适当设计方法，以完成基底节点结构总体设计加工。

7、金属球冠形板棚网壳快速安装工艺

在网壳结构预装地点，在平整浇注钢筋混凝土板平台基础上，进行网壳钢基梁及底脚螺栓锚定，基底节点座与活节连杆连接后紧固于基梁，再将网壳基底特殊构型棚板用螺栓固定在节点座锥面平台上，进行压胶涂膏防水。然后按构型拓扑关系将组合好的环形基底以上活节杆件、主体节点座与棚板，逐次向上循环对位安装和紧固。最终完成主体网壳节点座、棚板和活节杆件全部施工安装。

Claims (1)

1.装备储运用的大空间金属球冠形棚板网壳结构构建方法，其特征在于，所述构建方法的主体网壳是由32面体变体建立的平面基元，进行正六边形网格细分，并经网格节点向球面进行拓扑映射得到球形网壳，再根据给出的球冠球面直径和矢高比，采用平面环形切割法使球冠基底平面过球面上部五边形的下角点，调整邻近节点结构，使之落在基底平面圆内接多边形及其邻域，最终构建成所需的球冠型棚板网壳结构；该结构含有球冠网壳(1)，主体节点座和基底节点座(2)，活节连接杆件(3)，以及作为屋面的泡沫金属薄型棚板；所述主体节点座和基底节点座(2)中的每个节点座的三个接头与三根活节杆件相连，对于基底节点座，其中一个杆接头(4)指向上方；另外两个水平弦向接头(5)指向基底水平面弦线方向；指向上方的杆接头方向在子午面内单独向内倾斜或呈对称侧斜形式布置；主体节点座和基底节点座(2)上布置有吊装紧固螺孔(7)和棚板传力承台(8)；棚板紧固螺孔(9)位于棚板传力承台(8)上，用于紧固棚板和压胶防水；基底节点圆底座(10)位于基梁上，采用地脚螺栓通过地脚螺栓锚孔(6)将整体网壳结构紧固在基梁与地面基础上，使球冠形网壳结构实现总体稳定：

该构建方法具体步骤为：

2.1构建组合32面体变体，建立六边形平面基元，对于沿角展开和沿边展开两类平面基元，选定其适宜边长比M；

2.2将六边形平面基元进行正六边形细分，自球心过诸细分节点向球面进行拓扑映射变换，并在球面上使节点彼此两两相连并与五边形角点对应相连，求出球面基元节点与角点坐标和相应边长；

2.3选择过球形主体网壳上部五边形角点或次下角点，进行平面纬线环向切割，调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应圆内接多边形圆周上或其邻域，并使构建基底特殊多边形构型和主体六边形构型相适配。