CN106592769A - 双层球面网壳结构建模方法及结构形式 - Google Patents

双层球面网壳结构建模方法及结构形式 Download PDF

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颜书纬
杜新喜
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    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/32—Arched structures; Vaulted structures; Folded structures
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Abstract

本发明公开了一种双层球面网壳结构建模方法及结构形式，其中结构形式包括网格状的球面上弦层和球面下弦层，所述上弦层的网格分为角锥网格和抽空网格，所述角锥网格相邻网格均为抽空网格，所述抽空网格相邻网格均为角锥网格，所述下弦层的节点即锥顶点一般为角锥网格在下弦层的形心投影点，可根据实际情况在满足结构设计的前提下进行些许变动。所述角锥网格的节点通过中部腹杆与下弦层对应节点连接。此抽空选取方式在保证结构安全性的前提下，风载传力更加直接，降低结构的整体用钢量。

Description

双层球面网壳结构建模方法及结构形式
技术领域
本发明涉及钢结构设计领域，具体地指一种双层球面网壳结构建模方法及结构形式。
技术背景
钢结构网壳结构主要以其合理的形体来抵抗外荷载的作用，特别在跨度较大时，网壳结构较于网架结构能节省钢材且外形美观。网壳按曲面外形可分为球面网壳、双曲扁网壳、柱面网壳等结构形式，按层数分包括单层网壳和双层网壳两种。传统的双层球面网壳多以交叉桁架体系或角锥体系为主，其结构形式对风荷载有较好的抵抗作用，减小风载对结构的不利影响。
因此双层球面网壳以其结构特点广泛应用于结构工程中，例如干煤棚结构。干煤棚是火电厂中存储煤的一种大型库房，要求跨度大、净空高，满足存储和作业空间，球面网壳结构形式的干煤棚具有占地少、储煤量大、抗自然灾害能力强等特点，形式多样。现今主要采用双层等厚球面网壳，网格形式以正交正放四角锥为主。
采用不同的网格划分方式从而设计出不同的双层球面网壳结构形式，将会直接影响结构的受力性能、整体用钢量及节点设计，带来不同的效益。例如干煤棚是对风荷载比较敏感的结构，开发一种更加合理的双层球面网壳结构形式能够改善其受力性能，同时减少用钢量并降低节点设计难易程度，将能提高结构的效益。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种用钢量少、防风载荷强的双层球面网壳结构建模方法及结构形式。
为了实现上述目的，本发明所设计的双层球面网壳结构建模方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1确定所需跨度、矢高及厚度的设计参数；
S2由跨度和矢高参数建成网格状的球面上弦层；
S3间隔选取外层网格得到其形心，根据厚度将形心投影得到下弦层各节点，又称为角锥顶点。角锥顶点可根据实际情况在满足结构设计的前提下进行些许变动；
S4将每个下弦层节点与该节点对应的上弦层网格节点连接得到中部腹杆，并形成以下弦层网格节点为顶点，上弦层对应网格为底面的角锥单元；
S5连接下弦层相邻节点，即得到双层球面网壳结构模型。
进一步地，步骤S3中间隔选取外层网格具体为：将上弦层网格分为角锥网格和抽空网格两类，所述角锥网格相邻的网格为抽空网格，所述抽空网格相邻的网格为角锥网格。其中，所述下弦层的各节点即角锥顶点一般为所述角锥网格的形心投影点，可根据实际情况在满足结构设计的前提下进行些许变动。
更进一步地，当网壳基本形式为三角锥双层球面网壳时，球壳上弦层网格形式主要以三角形网格为主；当网壳基本形式为四角锥双层球面网壳时，球壳上弦层网格形式主要以矩形网格为主。网格数随上弦层环数增加逐渐增加，使上弦层各杆件长度相对均匀，因而网格数目转换处可能出现三角形网格和五边形网格。
再进一步地，所述上弦层网格数目随环数增加逐渐增加，在网格数目转换处可能出现三角形网格和五边形网格，以保证上弦层网格各杆件长度均匀，便于杆件加工及施工安装，杆件内力分布均匀。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种双层球面网壳结构形式，其特殊之处在于：包括网格状的球面上弦层和球面下弦层，所述下弦层的节点为间隔选取的上弦层网格的形心在下弦层的投影点，所述间隔选取的上弦层网格的节点通过中部腹杆与下弦层对应节点连接。
进一步地，所述上弦层的网格分为角锥网格和抽空网格，所述角锥网格相邻网格均为抽空网格，所述抽空网格相邻网格均为角锥网格，所述间隔选取的上弦层网格为角锥网格。在达到同等受力前提下减少了杆件数量，降低了成本。
进一步地，所述上弦层网格呈三角形、四边形或三角形与四边形的组合网格结构，网格形式为矩形网格时为正交正放的矩形。网格数随环数增加逐渐增加使杆件长度相对均匀。
再进一步地，所述上弦层网格数目随环数增加逐渐增加，在网格数目转换处设置有三角形网格或者五边形网格，以保证外层网格杆件长度均匀。
本发明的优点在于：
本发明采用间隔抽空四角锥单元，与原来的四角锥球壳相比，杆件数量与节点数量减少，下弦层网格由原来的矩形网格变成菱形网格，结构的传力路径更短，传力直接。在与原结构承受相同的荷载下，本发明可使用较少的用钢量达到设计要求。并且节点的数目减少，在一定程度上也可减少节点设计的难度和费用。
附图说明
附图1为本发明的整体结构正视图。
附图2为本发明的整体结构俯视图。
附图3为本发明的上弦层网格示意图。
附图4为本发明的中部腹杆示意图。
附图5为本发明的下弦层网格示意图。
附图6为本发明的角锥网格基本单元结构示意图。
图中：1抽空网格，2角锥网格，3角锥顶点，4中部腹杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
一种双层球面网壳结构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1确定所需跨度、矢高及厚度的设计参数；
S2由跨度和矢高参数建成网格状的球面上弦层；
S3间隔选取外层网格得到其形心，根据厚度将形心投影得到下弦层各节点，又称为角锥顶点。角锥顶点可根据实际情况在满足结构设计的前提下进行些许变动；
S4将每个下弦层节点与该节点对应的上弦层网格节点连接得到中部腹杆，并形成以下弦层网格节点为顶点，上弦层对应网格为底面的角锥单元；
S5连接下弦层相邻节点，即得到双层球面网壳结构模型。
其中，步骤S3中间隔选取外层网格具体为：将上弦层网格分为角锥网格和抽空网格两类，角锥网格相邻的网格为抽空网格，抽空网格相邻的网格为角锥网格，其中，所述下弦层的各节点即角锥顶点一般为所述角锥网格的形心投影点，可根据实际情况在满足结构设计的前提下进行些许变动。上弦层网格可以设计为三角形、四边形或三角形与四边形的组合网格结构，且网格数随上弦层环数增加逐渐增加，使得上弦层各杆件长度相对均匀。本发明设计方案中，上弦层网格设计为正交正放的矩形。上弦层网格数目随环数增加逐渐增加，在网格数目转换处加入三角形网格或者五边形网格，或者将矩形网格划分为三角形网格、增加为五边形网格，以保证上弦层网格各杆件长度均匀。
如图6所示的角锥单元，抽空网格1，角锥网格2，角锥顶点3，中部腹杆4。
如图所示的一种双层球面网壳结构形式，包括网格状的球面上弦层和球面下弦层，上弦层的网格分为角锥网格和抽空网格，角锥网格相邻网格均为抽空网格，抽空网格相邻网格均为角锥网格，所述下弦层的节点即锥顶点一般为角锥网格在下弦层的形心投影点，可根据实际情况在满足结构设计的前提下进行些许变动。角锥网格的节点通过中部腹杆与下弦层对应节点连接。
本发明中上弦层网格可以设计为三角形、四边形或三角形与四边形的组合网格结构，且网格数随环数增加逐渐增加使杆件长度相对均匀。图中所示的上弦层网格为正交正放的矩形，且上弦层网格数目随环数增加逐渐增加，在网格数目转换处设置有三角形网格或者五边形网格，以保证外层网格杆件长度均匀。
本发明所设计的双层球面网壳结构形式基本形式为三角锥或四角锥球面网壳。
当基本形式为三角锥时，上弦层网格形式主要以三角形网格为主；当基本形式为四角锥时，上弦层网格形式主要以矩形网格为主。可根据实际工程要求更改网格数目以达到优化杆件长度的目的，一般随环数的增加逐渐增加网格数目，因而网格数目转换处可能出现三角形网格和五边形网格。下弦层节点由上弦层的网格控制。下弦节点与上弦矩形网格的四个节点用腹杆相连即可形成一个四角锥单元，即下弦节点为四角锥单元的锥顶点。一般情况下，下弦节点在上弦矩形网格形心的法向上，也可根据实际情况在满足结构设计的前提下进行些许变动。
本发明中的四角锥球面网壳每圈为偶数个矩形网格，每一圈矩形网格间隔布置四角锥单元。两圈相邻的矩形网格也间隔布置四角锥单元。即所述布置四角锥的网格相邻网格均为抽空的网格，抽空的网格相邻网格均为布置四角锥的网格，将每个四角锥的锥顶点与相邻四角锥顶点连接，即可形成一种全新的抽空式四角锥球面网壳。
本发明双层球面网壳结构形式相比于交叉桁架体系，具有传力明确、空间性能好、杆件之间夹角良好等优势。在进行节点设计时，交叉桁架体系由于杆件空间夹角不好，腹杆与腹杆相交位置会有大量的隐蔽焊缝，对节点设计很不利的，而本设计中腹杆不会相交，即使腹杆与腹杆相交也可通过适当调整结构的厚度和杆件截面使其不相交或相交很少，减少隐蔽焊缝对节点的影响。且杆件之间夹角良好，节点数目相对较少，且抵抗风荷载能力更强。在保证结构安全性的前提下，风载传力更加直接，降低结构的整体用钢量。本发明应用于干煤棚结构可降低其整体用钢量和节点处理难度，整体提高干煤棚的效益。

Claims (10)

1.一种双层球面网壳结构建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1确定所需跨度、矢高及厚度的设计参数；
S2由跨度和矢高参数建成网格状的球面上弦层；
S3间隔选取外层网格得到其形心，根据厚度将形心投影得到下弦层各节点，又称为角锥顶点；S4将每个下弦层节点与该节点对应的上弦层网格节点连接得到中部腹杆，并形成以下弦层网格节点为顶点，上弦层对应网格为底面的角锥单元；
S5连接下弦层相邻节点，即得到双层球面网壳结构模型。
2.根据权利要求1所述的双层球面网壳结构建模方法，其特征在于：步骤S3中间隔选取外层网格具体为：将上弦层网格分为角锥网格和抽空网格两类，所述角锥网格相邻的网格为抽空网格，所述抽空网格相邻的网格为角锥网格，其中，所述下弦层的各节点即角锥顶点一般为所述角锥网格的形心投影点。
3.根据权利要求2所述的双层球面网壳结构建模方法，其特征在于：所述上弦层网格呈三角形、四边形或三角形与四边形的组合网格结构，且网格数随上弦层环数增加逐渐增加，使上弦层各杆件长度相对均匀。
4.根据权利要求3所述的双层球面网壳结构建模方法，其特征在于：网格形式为矩形网格时为正交正放的矩形。
5.根据权利要求4所述的双层球面网壳结构建模方法，其特征在于：所述上弦层网格数目随环数增加逐渐增加，在网格数目转换处加入三角形网格或者五边形网格，以保证上弦层网格各杆件长度均匀。
6.一种双层球面网壳结构形式，其特征在于：包括网格状的球面上弦层和球面下弦层，所述下弦层的节点为间隔选取的上弦层网格的形心在下弦层的投影点，所述间隔选取的上弦层网格的节点通过中部腹杆与下弦层对应节点连接。
7.根据权利要求6所述的双层球面网壳结构形式，其特征在于：所述上弦层的网格分为角锥网格和抽空网格，所述角锥网格相邻网格均为抽空网格，所述抽空网格相邻网格均为角锥网格，所述间隔选取的上弦层网格为角锥网格。
8.根据权利要求7所述的双层球面网壳结构形式，其特征在于：所述上弦层网格呈三角形、四边形或三角形与四边形的组合网格结构，且网格数随环数增加逐渐增加使杆件长度相对均匀。
9.根据权利要求8所述的双层球面网壳结构形式，其特征在于：网格形式为矩形网格时为正交正放的矩形。
10.根据权利要求9所述的双层球面网壳结构形式，其特征在于：所述上弦层网格数目随环数增加逐渐增加，在网格数目转换处设置有三角形网格或者五边形网格，以保证外层网格杆件长度均匀。
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