CN111206686A - 一种由双肢板片组合构件构成的自由曲面网壳结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由双肢板片组合构件构成的自由曲面网壳结构，该网壳结构以双肢板片为主要受力构件，经过结构构型后优化使节点处不同构件相交于同一节点轴线，且节点轴线方向为曲面法线方向，从而以构件的弧线形轮廓拟合自由曲面的造型，形成装配式单层网壳结构。其中，双肢板片组合构件通过两块弧形金属分肢板与若干垫板叠合后通过螺栓贯通连接构成，在保留单块板片加工、运输、施工优点的同时，有效提高了平面外抗弯刚度。这一结构可以实现高度自由的曲面造型，外形美观，结构合理，强度可靠，适用性强。

Description

一种由双肢板片组合构件构成的自由曲面网壳结构
技术领域
本发明涉及一种建筑结构中的新型空间网壳，尤其涉及一种以双肢板片组合构件组合而成的自由曲面网壳结构，属于钢结构领域。
背景技术
近年来，自由曲面网壳结构以大量应用于工程实践。在空间钢网壳中，几乎都采用型钢作为结构构件，如工字钢、圆钢管等。型钢的加工工艺限制了其在自由曲面造型建筑中的应用：需要将自由连续的曲面离散为多面体造型，用直线的型钢构件进行拟合，但始终与目标曲面有一定偏差；或者对直线的型钢构件增加弯弧工序，但弯弧工艺增加了额外的成本及构件变形的误差。
目前，将单一金属板片作为自由曲面网壳结构主要受力构件的工程较少。实际上，板片构件在曲面形空间网壳中也有一定的应用前景。其优势在于：1)钢板材料可以通过激光切割技术加工为任意曲线轮廓的板片构件，适用于曲面造型结构；2)板片构件加工效率、精度高，适宜于工厂化预制；3)板片构件可以高效堆叠，在储存、运输过程中节省大量的空间；4)板片构件截面为规则矩形，节点构造简单，适宜于装配式结构。然而，板片构件本身平面外稳定性较弱，组成网壳结构后，容易发生结构的局部失稳问题。
另外，将板片构件作为自由曲面网壳结构的主要构件时，其平面布置方向的选择关系到结构造型的美观性和结构受力的合理性。由于自由曲面结构的复杂性，构件的最优布置角度和方式问题仍未得到解决，许多自由曲面结构构件往往采用垂直于地面的布置方法，在曲面曲率变化较大处将形成不合理、不美观的造型。
本发明为解决板片构件组成的自由曲面网壳结构造型与稳定问题提供了新的方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种由双肢板片组合构件构成的自由曲面网壳结构，它以双肢组合板片为主要受力构件，通过装配式节点连接，节点轴线指向曲面法线方向。本发明构造了双肢板片组合构件(以下简称双肢板片)，有效地改善了构件本身平面外稳定性弱的缺陷；提出了构件布置优化算法，提高了结构构型的美观性与力学合理性。这种新型空间结构体系可以使用在体育馆、博物馆等结构的大型屋盖上，也能用于小型的建筑小品，以及一些特殊功能的结构。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种由双肢板片组合构件构成的自由曲面网壳结构，该结构以弧形双肢板片组合构件为主要受力构件，所述双肢板片组合构件通过两块钢板和若干垫板叠合构成，其中钢板为双肢板片组合构件的分肢板，经过结构构型优化后使网壳节点处的不同构件相交于同一节点轴线，且节点轴线方向为网壳曲面法线方向，从而以构件的弧线形轮廓拟合网壳自由曲面的造型，形成装配式单层网壳结构；
进一步地，所述双肢板片组合构件外层为金属分肢板，通过激光切割加工为弧形，为构件的主要受力部分；内层为金属垫板，根据构件承载力的需求，选择合适的垫板间距与垫板厚度；双肢板片组合构件的方式可以使两块分肢板协同受力，提高构件的整体平面外稳定性。
进一步地，所述双肢板片组合构件在有限元建模计算时采用等小三层梁单元替代，其中，外层分肢板材料与实际一致，内层垫板材料设置为可忽略不计的材料常数，并根据公式
Figure BDA0002371856380000021
对梁单元横向剪切刚度进行修正，其中Gt为横向剪切刚度，EI1为分肢板的最短无侧向支撑段的抗弯刚度，d0为垫板间净距；
进一步地，所述双肢板片组合构件在内力验算时，构件弱轴方向长细比采用等效长细比公式进行计算：
Figure BDA0002371856380000031
其中，l为构件计算长度，t为分肢板厚度，h0为垫板厚度，π为圆周率，d0为垫板间净距；
进一步地，网壳节点采用十字形板式节点，以若干带孔板片焊接而成，通过螺栓与构件相连，具有曲面外转动刚度与扭转刚度较大，曲面内转动刚度较小的半刚性性能；
进一步地，网壳结构的构件自身弧形轮廓可以形成连续光滑的自由曲面；
进一步地，所述结构构型优化通过以下优化模型实现：
Figure BDA0002371856380000032
Figure BDA0002371856380000033
其中，设计变量为：
X＝[x11 x21 x31 … x1i x2i x3i … x1n x2n x3n]T，n为网壳节点总数；目标函数为：
Figure BDA0002371856380000034
约束条件为：
Figure BDA0002371856380000035
Vj＝(x1j，x2j，x3j)分别为相邻两个节点的轴线方向单位向量，x1i，x2i，x3i和x1j，x2j，x3j为相邻两个节点的轴线方向单位向量在空间坐标系下的坐标轴方向的分量，Lij为相邻节点连线的方向向量，Ni为节点处自由曲面的法线方向向量。对网壳节点轴线方向进行优化，优化后的节点轴线分布更符合实际结构造型的需要，消除了局部网格的畸变。
本发明的有益效果是：
1、本发明以平面的弧形板片构件组成曲面球网壳，有效拟合曲面外形。
2、本发明的双肢板片构件，可工厂化预制生产，制造误差小；便于储存、运输；节点构造简单，施工方便，安装误差小。保留了单肢板片构件的加工与造型优势，并解决了单块板片构件存在的平面外稳定性问题。
3、本发明的构型优化方法，充分发挥了板片构件造型优美的特点，并保证了结构受力的合理性。
4、本发明的自由曲面网壳结构，既可应用于普通建筑工程领域，作为空间结构大型屋盖使用，也可以应用于各类对造型要求较高的特殊功能型建筑。
附图说明
图1为原始曲面及其网格划分；
图2为初始节点轴线；
图3为节点轴线优化前后对比；
图4为等效替代梁模型；
图5为分肢板轮廓加工图；
图6为双肢板片组合构件细节图；
图7为网壳节点构造图；
图8为整体网壳结构与细部构造图；
图9为本发明网壳结构示意图。
图中，1.为目标自由曲面；2.为网格划分；3.为优化前节点轴线；4.为优化后节点轴线；5.为等效替代梁模型外层材料；6.为等效替代梁模型内层材料；7.为分肢板；8.为垫板；9.为螺栓；10.为螺母；11.为双肢板片组合构件；12.为网壳节点；13.为整体网壳细部构造图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。由双肢板片组合构件构成的自由曲面网壳结构的具体实施过程如下：
(1)在算例的目标自由曲面1上划分网格2(如图1所示)。
(2)将网格2沿竖直方向平移，连接对应的网格顶点，作为网壳的节点轴线3(如图2所示)。
(3)建立以下优化模型：
Figure BDA0002371856380000051
Figure BDA0002371856380000052
其中，设计变量为：
X＝[x11 x21 x31 … x1i x2i x3i … x1n x2n x3n]T，n为网壳节点总数；目标函数为：
Figure BDA0002371856380000053
约束条件为：
Figure BDA0002371856380000054
Vi＝(x1i，x2i，x3i)，Vj＝(x1j，x2j，x3J)分别为相邻两个节点的轴线方向单位向量，x1i，x2i，x3i和x1j，x2j，x3j为相邻两个节点的轴线方向单位向量在空间坐标系下的坐标轴方向的分量，Lij为相邻节点连线的方向向量，Ni为节点处自由曲面的法线方向向量。对网壳节点轴线方向进行优化，优化前节点轴线3，优化后节点轴线4的对比如图3所示，优化后的节点轴线分布更符合实际结构造型的需要，提高了美观程度和力学合理性，且消除了局部网格的畸变。
(4)建立有限元模型，根据优化后的节点轴线方向确定梁单元的单元局部坐标系。建立等效替代三层梁单元模型(如图4)，其外层材料5参数设置为设计所采用的钢材，内层材料6参数(弹性模量、屈服强度等)远小于外层材料。
并根据公式
Figure BDA0002371856380000061
对梁单元横向剪切刚度进行修正，其中Gt为横向剪切刚度，EI1为分肢板的最短无侧向支撑段的抗弯刚度，d0为垫板间净距。采用该等效梁单元模型对网壳结构进行有限元分析，得到各个构件的内力值(轴力、弯矩等)。
(5)根据构件内力值设计双肢板片组合构件。通过计算构件长细比，并查阅钢结构相关规范进行设计。构件强轴方向长细比为
Figure BDA0002371856380000062
其中，b为分肢板宽度，l为构件计算长度。构件弱轴方向长细比需考虑构件的横向剪切刚度对平面外稳定性的折减，采用等效长细比公式进行计算
Figure BDA0002371856380000063
其中，l为构件计算长度，t为分肢板厚度，h0为垫板厚度，π为圆周率，d0为垫板间净距。由公式可知，通过增大分肢板厚度t、垫板厚度h0，减小垫板间净距d0可以提高构件的平面外稳定性。而垫板宽度与构件稳定性无关，可以根据实际构造尽量减小。
(6)根据构件设计参数确定板片构件轮廓线(如图5)，通过激光切割技术加工构件的分肢板7和垫板8，通过螺栓9与螺母10进行连接，组合成为双肢板片组合构件11，具体构造如图6所示。
(7)设计装配式板片式节点构造如图7所示，根据网壳稳定性的需要，与相关参数化分析的结果，建议节点归一化刚度取值为2＜kl/EI＜6
其中，k为节点的转动刚度，l为构件的长度，EI为构件的弯曲刚度。通过高强螺栓将构件与节点相连，形成整体结构。
(8)最终得到双肢板片组合构件自由曲面网壳结构的一个具体实施例，如图图8和图9。
以上所述仅为本发明一较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种由双肢板片组合构件构成的自由曲面网壳结构，其特征在于，该结构以弧形双肢板片组合构件为主要受力构件，所述双肢板片组合构件通过两块钢板和若干垫板叠合构成，其中钢板为双肢板片组合构件的分肢板，经过结构构型优化后使网壳节点处的不同构件相交于同一节点轴线，且节点轴线方向为网壳曲面法线方向，从而以构件的弧线形轮廓拟合网壳自由曲面的造型，形成装配式单层网壳结构。
2.根据权利要求1所述的网壳结构，其特征在于，所述双肢板片组合构件外层为金属分肢板，通过激光切割加工为弧形，为构件的主要受力部分；内层为金属垫板，根据构件承载力的需求，选择合适的垫板间距与垫板厚度；双肢板片组合构件的方式可以使两块分肢板协同受力，提高构件的整体平面外稳定性。
3.根据权利要求1所述的网壳结构，其特征在于，所述双肢板片组合构件在有限元建模计算时采用等效三层梁单元替代，其中，外层分肢板材料与实际一致，内层垫板材料设置为可忽略不计的材料常数，并根据公式
Figure FDA0002371856370000011
对梁单元横向剪切刚度进行修正，其中Gt为横向剪切刚度，EI1为分肢板的最短无侧向支撑段的抗弯刚度，d0为垫板间净距。
4.根据权利要求1所述的网壳结构，其特征在于，所述双肢板片组合构件在内力验算时，构件弱轴方向长细比采用等效长细比公式进行计算：
Figure FDA0002371856370000012
其中，l为构件计算长度，t为分肢板厚度，h0为垫板厚度，π为圆周率，d0为垫板间净距。
5.根据权利要求1所述的网壳结构，其特征在于，其节点采用十字形板式节点，以若干带孔板片焊接而成，通过螺栓与构件相连，具有半刚性性能。
6.根据权利要求1所述的网壳结构，其特征在于，网壳结构的构件自身弧形轮廓可以形成连续光滑的自由曲面。
7.根据权利要求1所述的网壳结构，其特征在于，所述结构构型优化通过以下优化模型实现：
Figure FDA0002371856370000021
Figure FDA0002371856370000022
其中，设计变量为：
X＝[x11 x21 x31…x1i x2i x3i…x1n x2n x3n]T，n为网壳节点总数；目标函数为：
Figure FDA0002371856370000023
约束条件为：
Figure FDA0002371856370000024
Vi＝(x1i，x2i，x3i)，Vj＝(x1j，x2j，x3j)分别为相邻两个节点的轴线方向单位向量，x1i，x2i，x3i和x1j，x2j，x3j为相邻两个节点的轴线方向单位向量在空间坐标系下的坐标轴方向的分量，Lij为相邻节点连线的方向向量，Ni为节点处自由曲面的法线方向向量。对网壳节点轴线方向进行优化，优化后的节点轴线分布更符合实际结构造型的需要，消除了局部网格的畸变。
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