CN111456311A - 一种索撑双向网格型单层柱面网壳及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种索撑双向网格型单层柱面网壳及其施工方法。双向网格型网壳在使用过程中因刚度低、稳定性差而限制其应用，难以在确保在重量轻、采光好的前提下提高网壳的刚度和稳定性。本发明包括圈梁、外壳体、索撑件和两组端用支撑件，所述圈梁为矩形圈梁，外壳体为网格片体，外壳体的纵向截面形状为圆弧形，外壳体沿圈梁的纵边方向设置在圈梁上，外壳体的两侧与圈梁固定连接，外壳体的两端各通过一组端用支撑件与圈梁的横边相连接，外壳体的内壁与圈梁之间设置有索撑件。

Description

一种索撑双向网格型单层柱面网壳及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种网壳及其施工方法，属于土木工程技术领域。

背景技术

网壳与平板网架相比，具有受力性能好，刚度大，自重小，用钢量省，是适用于中、大跨度建筑屋盖的一种较好的结构型式，网壳结构形式新颖、形态多样，其中三角形网格稳定、不宜发生形变，但是采光性较差；双向网格对比三角形网格拥有更好的通透性、更方便的加工流程、更少的用钢量，适用于各种建筑，但其缺点也是相当凸显，主要表现为刚度小，稳定性较差，由此制约了此类网壳结构在实际工程中的应用，如何能够在确保网壳确保质量轻、采光好或其他基本优质特点的前提下，提升网壳刚度是一直未能有效解决的难题。

发明内容：

针对上述问题，本发明公开了一种索撑双向网格型单层柱面网壳及其施工方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种索撑双向网格型单层柱面网壳，包括圈梁、外壳体、索撑件和两组端用支撑件，所述圈梁为矩形圈梁，外壳体为双向网格型网壳，外壳体的形状为圆弧形柱面，外壳体沿圈梁的纵边方向设置在圈梁上，外壳体的两侧与圈梁固定连接，外壳体的两端各通过一组端用支撑件与圈梁的横边相连接，外壳体的内壁与圈梁之间设置有索撑件。

作为优选方案：外壳体包括多个支撑体，多个支撑体沿圈梁的长向方向并列设置在圈梁的正上方，每个支撑体包括中心球形节点、2N个过渡球形节点和两个端部球形节点，所述中心球形节点、2N个过渡球形节点和两个端部球形节点沿圈梁的横边方向排列设置，中心球形节点设置在2N个过渡球形节点之间，过渡球形节点设置在中心球形节点和端部球形节点之间，中心球形节点与过渡球形节点之间通过第一横杆固定连接，相邻的过渡球形节点之间通过第二横杆固定连接，过渡球形节点和端部球形节点通过第三横杆固定连接。

作为优选方案：相邻的支撑体之间通过多个纵杆固定连接。

作为优选方案：每个端部球形节点和圈梁之间对应设置有一个支座，每个端部球形节点固定安装在其对应的支座上，每个端部球形节点通过其对应的支座与圈梁固定连接。

作为优选方案：每组端用支撑件包括多个支杆，处于圈梁横边正上方的支撑体通过多个支杆与圈梁的横边相连接，每个支杆包括杆本体、上铰接座和下铰接座，杆本体竖直设置，杆本体的上端通过上铰接座与支撑体相连接，杆本体的下端通过下铰接座与圈梁的横边相连接。

作为优选方案：索撑件包括多个单体索件，多个支撑体中每三个相邻支撑体之间设置有一个单体索件，三个相邻支撑体分别为中心支撑体和两个侧位支撑体，中心支撑体的两侧分别设置有两个侧位支撑体，单体索件包括多向连接座和多根拉索，多向连接座的顶部固定连接在中心支撑体上，多向连接座的底部设置有多根拉索，每根拉索的一端与多向连接座相连接，每根拉索的另一端通过花篮螺栓与侧位支撑体相连接。

作为优选方案：N的取值范围为0～4。

作为优选方案：中心球形节点、过渡球形节点和端部球形节点至圈梁的竖直距离依次递减。

一种用于具体实施方式六所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳的施工方法，所述施工方法包括以下内容：

建立外壳体：

支撑体的建立过程：将圈梁水平设置，根据对中心球形节点、2N个过渡球形节点和两个端部球形节点的设计位置要求对应制作相应高度的钢支架，将中心球形节点、2N个过渡球形节点和两个端部球形节点依次焊接在钢支架上，再将中心球形节点与过渡球形节点之间通过第一横杆焊接，相邻的过渡球形节点之间通过第二横杆焊接，过渡球形节点和端部球形节点通过第三横杆焊接完毕形成支撑体；

重复上述操作，沿圈梁的纵边方向依次制作其他支撑体，将多个相邻的支撑体之间通过多个纵杆固定连接，完成外壳体的安装过程；

将中心球形节点、2N个过渡球形节点和两个端部球形节点与钢支架断开，撤去钢支架，形成外壳体自主支撑结构；

面外单体索件的张拉操作：根据设计要求选取一个过渡球形节点，在该过渡球形节点的下方焊接多向连接座，在多向连接座的底部呈辐射状张拉多根拉索，每根拉索的一端铰接在多向连接座上，每根拉索的另一端通过一个花篮螺栓与其靠近的中心球形节点或端部球形节点相连接，旋转花篮螺栓实现微调操作以保证拉索处于拉紧状态即完成施工过程。

本发明的有益效果为：

一、本发明通过圈梁、外壳体、索撑件和两组端用支撑件相配合形成一种刚柔复合结构，有效减小杆件截面，保持结构采光性，还能够有效增强整体结构的刚度和稳定性，是一种适宜作为玻璃采光顶的网壳形式的优选结构。

二、外壳体的结构形式有利于单体索件的多方向布置，同时用拉索替代杆件能够直接提高结构稳定性、减小杆件截面、保持结构采光性。

三、本发明对比三角形网格拥有更好的通透性、更方便的加工流程、更少的用钢量，通过与索撑相结合，能够表现出持久可靠的稳定性。

四、本发明为一种索撑双向网格型单层柱面网壳，本发明经过研究各种参数变化对结构稳定性的影响。建立结构缩尺试验模型，将理论与试验结果进行对比分析，考察布索前后结构的受力特性及其极限承载力的变化，结合模型的静力试验验证了本发明整体结构的稳定性，论证了拉索布置的合理性。本发明通过模型和相关计算的结果表明，本发明的受力更加合理，其承载能力更有了大幅度的提高，为此类索撑单层柱面网壳结构的实际工程应用提供了必要的理论基础。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为图1中A处的放大结构示意图；

图3为端部球形节点和支座连接关系的主视结构示意图；

图4为图3的仰视结构示意图；

图5为多个端部球形节点和多个支座设置在圈梁上的主视结构示意图。

图6为本发明模型的荷载-位移全过程变化曲线图；

图7为本发明在40m跨度网壳荷载-位移全过程变化曲线图；

图8为本发明在不同的矢跨比、不同跨度结构在一种工况下的最大位移变化曲线图；

图9为本发明在不同的矢跨比、不同跨度结构在另一种工况下的最大位移变化曲线图；

图10为不同初始缺陷下结构的荷载-位移变化曲线图；

图11为本发明中撑杆在30m跨度情况下长度比例-极限承载力变化曲线图；

图12为本发明中撑杆在40m跨度情况下长度比例-极限承载力变化曲线图；

图13为网壳中央节点竖向位移的数值模拟与试验的第一曲线示意图；

图14为网壳中央节点竖向位移的数值模拟与试验的第二曲线示意图。

图中标注如下：

1-圈梁；2-外壳体；2-1-中心球形节点；2-2-过渡球形节点；2-3-端部球形节点；3-1-单体索件；3-1-1-多向连接座；3-1-2-拉索；3-1-3-撑杆；3-1-4-第二耳板；4-支杆；4-1-杆本体；4-2-上铰接座；4-3-下铰接座；5-第一横杆；6-第三横杆；7-纵杆；8-支座。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14说明本实施方式，本实施方式中一种索撑双向网格型单层柱面网壳，包括圈梁1、外壳体2、索撑件和两组端用支撑件，所述圈梁1为矩形圈梁，外壳体2为网格片体，优选为双向网格型网壳，外壳体2的纵向截面形状为圆弧形，即外壳体2的形状为圆弧形柱面，外壳体2的内端面和外端面均为同向完全的圆弧形柱面，外壳体2沿圈梁1的纵边方向设置在圈梁1上，外壳体2的两侧与圈梁1固定连接，外壳体2的两端各通过一组端用支撑件与圈梁1的横边相连接，外壳体2的内壁与圈梁1之间设置有索撑件。

本实施方式中圈梁1的优选形状为长方形，圈梁1包括两个纵边和两个横边，两个纵边和两个横边交替连接制为一体。圈梁1为钢质圈梁。圈梁1的纵边即为长度相对较长的组成边条，圈梁1的横边即为长度相对较短的组成边条。

进一步的，纵边在竖直方向的截面为工字形，同理，横边在竖直方向的截面为工字形。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中外壳体2包括多个支撑体，多个支撑体沿圈梁1的纵向方向并列设置在圈梁1的正上方，每个支撑体包括中心球形节点2-1、2N个过渡球形节点2-2和两个端部球形节点2-3，中心球形节点2-1、2N个过渡球形节点2-2和两个端部球形节点2-3沿圈梁1的横边的长度方向从横边的中点至横边的两端依次排列设置，中心球形节点2-1设置在2N个过渡球形节点2-2之间，过渡球形节点2-2设置在中心球形节点2-1和端部球形节点2-3之间，中心球形节点2-1与过渡球形节点2-2之间通过第一横杆5固定连接，相邻的过渡球形节点2-2之间通过第二横杆固定连接，过渡球形节点2-2和端部球形节点2-3通过第三横杆6固定连接。

本实施方式的中心球形节点2-1、过渡球形节点2-2和端部球形节点2-3的结构相同，设置位置不同。

本实施方式的中心球形节点2-1为50mm的实心球，同理于过渡球形节点2-2和端部球形节点2-3。

本实施方式的中心球形节点2-1的水平投影处于圈梁1中两个横边之间的中线上。

本实施方式的端部球形节点2-3的水平投影处于圈梁1的横边上，每个端部球形节点2-3的正下方对应设置有一个横边。

本实施方式的中心球形节点2-1、过渡球形节点2-2和端部球形节点2-3至圈梁1的竖直距离依次递减。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，相邻的支撑体之间通过多个纵杆7固定连接。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，每个端部球形节点2-3和圈梁1之间对应设置有一个支座8，每个端部球形节点2-3固定安装在其对应的支座8上，每个端部球形节点2-3通过其对应的支座8与圈梁1固定连接。

本实施方式中端部球形节点2-3的底部设置有支座8，支座8包括多个第一耳板，多个第一耳板沿端部球形节点2-3的圆周方向竖直并列设置在球形节点2-3的下方，每个第一耳板与端部球形节点2-3焊接连接。

进一步的，多个第一耳板的宽度由底端至顶端依次递减。

进一步的，第一耳板的形状优选为梯形。

进一步的，第一耳板沿其厚度方向加工有与索撑件相配合的第一连接孔。

进一步的，多个第一耳板的底部配合设置有底板，底板焊接在圈梁1的横边上。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，每组端用支撑件包括多个支杆4，处于圈梁1横边正上方的支撑体通过多个支杆4与圈梁1的横边相连接，每个支杆4包括杆本体4-1、上铰接座4-2和下铰接座4-3，杆本体4-1竖直设置，杆本体4-1的上端通过上铰接座4-2与支撑体相连接，杆本体4-1的下端通过下铰接座4-3与圈梁1的横边相连接。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，索撑件包括多个单体索件3-1，多个支撑体中每三个相邻支撑体之间设置有一个单体索件3-1，三个相邻支撑体分别为中心支撑体和两个侧位支撑体，中心支撑体的两侧分别设置有两个侧位支撑体，单体索件3-1包括多向连接座3-1-1和多根拉索3-1-2，多向连接座3-1-1的顶部固定连接在中心支撑体上，多向连接座3-1-1的底部设置有多根拉索3-1-2，每根拉索3-1-2的一端与多向连接座3-1-1相连接，每根拉索3-1-2的另一端通过花篮螺栓与侧位支撑体相连接。

本实施方式中多向连接座3-1-1包括撑杆3-1-3和多个第二耳板3-1-4，撑杆3-1-3的横向截面为圆形，多个第二耳板3-1-4沿撑杆3-1-3的圆周方向均布在撑杆3-1-3的外圆周壁上，每个第二耳板3-1-4焊接在多向连接座3-1-1上，每个第二耳板3-1-4上加工有与索撑件相配合的第二连接孔。

本实施方式中撑杆3-1-3的顶部焊接在过渡球形节点2-2上，每根拉索3-1-2的一端加工有钩挂部，拉索3-1-2的钩挂部可拆卸连接在第二耳板的第二连接孔上，每根拉索3-1-2的另一端与其靠近的过渡球形节点2-2或端部球形节点2-3可拆卸连接。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，N的取值范围为0～4。如图1所示，图中N＝0，根据具体设计要求，选取N的合适数值进行设定。

具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定，索撑件包括多个单体索件3-1，多个支撑体中每两个相邻支撑体之间设置有一个单体索件3-1，单体索件3-1包括多向连接座3-1-1和多根拉索3-1-2，多向连接座3-1-1的顶部固定连接在两个相邻支撑体之间的纵杆7上，多向连接座3-1-1的底部设置有多根拉索3-1-2，每根拉索3-1-2的一端与多向连接座3-1-1相铰接，每根拉索3-1-2的另一端通过花篮螺栓与支撑体相连接。

本发明中外壳体2的内壁与圈梁1之间设置有索撑件，即为外壳体2的节点下方设置有多个撑杆3-1-1与多个拉索3-1-1，多个撑杆3-1-1与多个拉索3-1-1相连接。

具体实施方式九：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，所述施工方法包括以下内容：

建立外壳体2：

支撑体的建立过程：将圈梁1水平设置，根据对中心球形节点2-1、2N个过渡球形节点2-2和两个端部球形节点2-3的设计位置要求对应制作相应高度的钢支架，将中心球形节点2-1、2N个过渡球形节点2-2和两个端部球形节点2-3依次焊接在钢支架上，该步骤的焊接操作为点焊，起到对中心球形节点2-1、过渡球形节点2-2和端部球形节点2-3暂时性的支撑虚接效果，再将中心球形节点2-1与过渡球形节点2-2之间通过第一横杆5焊接，相邻的过渡球形节点2-2之间通过第二横杆焊接，过渡球形节点2-2和端部球形节点2-3通过第三横杆6焊接完毕形成支撑体；

重复上述操作，沿圈梁1的纵边方向依次制作其他支撑体，将多个相邻的支撑体之间通过多个纵杆7固定连接，完成外壳体2的安装过程；

将中心球形节点2-1、2N个过渡球形节点2-2和两个端部球形节点2-3与钢支架断开，撤去钢支架，形成外壳体2自主支撑结构；自主支撑结构就是指外壳体2依靠自身结构实现支撑效果，无需靠其他外用支撑结构。

面外单体索件3-1张拉操作：根据设计要求，选取一个过渡球形节点2-2，在该过渡球形节点2-2的下方焊接多向连接座3-1-1，在多向连接座3-1-1的底部呈辐射状张拉多根拉索3-1-2，每根拉索3-1-2的一端铰接在多向连接座3-1-1上，每根拉索3-1-2的另一端通过一个花篮螺栓与其靠近的中心球形节点2-1、或端部球形节点2-3相连接，旋转花篮螺栓实现微调操作以保证拉索3-1-2处于拉紧状态；

面外杆件张拉操作：

当N＝0，即支撑体包括一个中心球形节点2-1、两个过渡球形节点2-2和两个端部球形节点2-3，相应的，单体索件3-1包括多向连接座3-1-1和六根拉索3-1-2，以相邻三个支撑体配合有一个单体索件3-1作为一个“米字形”基础结构进行面外杆件张拉操作，张拉顺序为从端部球形节点2-3至中心球形节点2-1方向张拉或者从中心球形节点2-1至端部球形节点2-3方向张拉，对一个“米字形”基础结构完成面内单体索件3-1张拉操作和面外杆件张拉操作后，依次类推，再对其他“米字形”基础结构进行张拉操作，完成面内单体索件3-1张拉操作至面外杆件张拉操作的交替操作即可。

具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的进一步限定，本发明的整体结构通过建立结构模型验证刚度和稳定性，本发明的结构模型采用索撑双向网格型单层柱面网壳，网壳跨度b＝30m，对应网格数n＝10，矢跨比f/b＝1/5，撑杆3-1-3长度为矢高f的1/4。组成单层柱面网壳其他杆件及下部撑杆3-1-3均采用150×8(mm)圆钢管，拉索3-1-2为面外拉索，面外拉索均采用10(mm)的钢绞线，材料均为Q345钢材，E＝2.06×10¹¹MPa，密度为7850kg/m³。纵边支座在x、y、z三方向施加位移约束，横边支座在y、z方向施加位移约束，其中纵边支座为沿圈梁1纵向方向设置的支座8，横边支座为沿圈梁1横向方向设置的支座8。

本发明的分析过程如下：

本发明利用大型通用有限元软件ANSYS进行参数化分析。组成该网壳的各个构件采用Beam189单元，基于Timoshenko梁理论，适用于线性、大转角、非线性大应变的情况。通过轴向塑性应变

的发展来判定杆件屈服，对加载过程中杆件内部的塑性发展情况实现全过程跟踪监测，加载过程中的杆件截面塑性发展判别方程为：

上式中σ_i为应力强度，ε_i为应变强度，S_x为应力分量，G为剪切弹性模量。

杆件塑性发展程度通过截面8个积分点判定。1P代表1个积分点进入塑性，8P代表全截面进入塑性。拉索3-1-2采用Link180杆单元，在仅受拉时具有刚度。均布荷载通过Mass21质量单元简化为节点集中质量荷载施加在各个节点上。结构非线性分析采用广义弧长法，能够实现结构到达临界点后的屈曲后跟踪。其约束方程为：

α{(^t+Δtλ^(i-1)-^tλ)+Δλ⁽ⁱ⁾}²+U^(i)TUⁱ＝ΔL² (2)

本发明中索撑件的布置过程如下：

为了验证在四边形网格的面内外布置拉索对结构稳定性的影响，进行典型算例的参数化分析，考察拉索布置前后四种模型的变形及极限状态。通过绘制位移-荷载全过程曲线，验证此类拉索布置方式的有效性及合理性。

模型具体情况见下表1，图6为模型的荷载-位移全过程曲线。如图6所示，在面外布置拉索对结构承载能力的提高最为明显，对于仅在面内布置拉索，对结构的承载力提高并不明显。在用钢量方面，由于拉索3-1-2采用直径约为10mm的钢绞线，用量较少，经济性较好。对比模型3和模型4能够看出，在已有面外拉索的基础上布置面内拉索对结构的承载力提高不明显，故仅在面外布置拉索3-1-2为最优方案。在位移方面，模型1在极限荷载时刻的位移为0.574m，模型2、3、4在极限荷载下的位移分别为0.555m、0.299m、0.278m，可见拉索的布置可以有效地限制结构变形。

表1模型描述

通过对四种模型达到极限荷载时的位移发展及失稳模态的观察可知，通过将变形放大10倍观察发现，索撑单层柱面网壳的失稳模式与其他柱面网壳的失稳模型类似，均呈中心区域凹陷，两边凸起形态，拉索的布置并未改变结构的变形趋势，规律相同。模型4相比于其他模型变形明显变小，中心凹陷区域范围变大，这说明拉索3-1-2的布置不仅提高外壳体2的极限承载力，更明显的改善了结构的变形，提高了结构整体的刚度。

具体实施方式十一：本实施方式为具体实施方式十的进一步限定，本发明在进行结构静力性能参数化分析过程中，以不同跨度网壳为算例，具体参数见表2。恒荷载取0.8kN/m²，活荷载取0.5kN/m²。

表2各跨度模型参数

选取25m、30m、40m跨度网壳进行非线性静力稳定性分析，对比其无拉索和有拉索两种情况下结构的极限承载力。在无拉索情况下，3种跨度的结构均在最大位移达到0.3m左右达到极限状态；在布置拉索情况下，结构的极限承载力提高明显。此类布索的布置对于结构极限承载力提高均在100％以上。如图7所示，在40m跨度情况下，极限承载力提高了268％，这说明此种布索方式随着跨度的增加，提高比例越加明显，对结构受力有所改善，所以本发明更适合大跨度结构。

具体实施方式十二：本实施方式为具体实施方式十或十一的进一步限定，本发明在拉索3-1-2预应力的研究过程如下：

采用虚拟温度法对结构进行预应力的施加。虚拟温度法是通过对单元上施加温度荷载，达到产生预应力的目的，计算公式为：

N＝EAα_LΔT (3)

选取30m跨度网壳并结合三种不同的布索形式，考察在两种工况下分别施加0kN至40kN不等预应力值下，结构的最大竖向位移情况，索撑单层柱面网壳的拉索部分由面内拉索和面外拉索两部分组成，预应力取值及最大位移如表3所示。相同工况下，仅在面外拉索施加预应力的结构比仅在面内加预应力的结构竖向位移小。随着预应力的增大，结构在满跨对称荷载所产生的位移逐渐增大，而在不对称荷载作用下结构产生的位移随着预应力的增大而减小。这是由于在对称荷载作用下，拉索间相互作用限制了结构的侧向位移，增加了整体相关性，位移增大。在不对称荷载下，预应力的增加使结构偏移更加明显。

表3模型位移情况(cm)

图8和图9给出了在不同的矢跨比、不同跨度结构在两种工况下的最大位移变化情况，能够看出，索撑单层柱面网壳对矢跨比的变化十分敏感，如图8所示，在工况1下结构最大位移随着矢跨比的增大而减小，当矢跨比达到1/5时位移逐渐增大，50m跨度尤其明显；如图9所示，在工况2作用下，结构反应趋势相同，在矢跨比达到1/5时位移达到最小值，这是由于当矢跨比较小时，结构过于扁平化，没有突显出柱面的受力特点；矢跨比较大时，拉索的作用减弱，不能有效的改善结构的传力路径，整体结构变形增大。不对称荷载作用下位移整体大于对称荷载作用下的位移，这也验证了结构对不对称荷载十分敏感的特点。

由于结构在安装过程中容易造成不可避免的误差，初始缺陷变成了设计过程十分关注的问题。本发明在试验过程中采用特征值缺陷模态法，将整体结构的最低阶特征屈曲模态作为初始几何缺陷的最不利分布模式，在这种初始缺陷的影响下，结构受力最不利，特征值缺陷法计算简单，无需大量试算，结果最趋于真实情况。缺陷的最大值r分别取网壳跨度的1/250、1/400、1/750，以30m跨度，n＝10，矢跨比为1/6的网壳为例，绘制结构的荷载-位移全过程曲线，如图10所示，能够看出当r/b＝1/750时，结构的荷载-位移曲线几乎与无缺陷情况相同，当缺陷增大达到r/b＝1/400时，结构的极限承载力开始降低。结构受初始缺陷影响较小，说明本发明在布置拉索3-1-2的情况下，结构的稳定性增强。

撑杆3-1-3在本发明中起着举足轻重的作用，撑杆3-1-3的长度不仅仅影响建筑效果，还会对结构的受力造成影响，过短的撑杆3-1-3使拉索3-1-2的作用减弱，面外稳定性将降低，过长的撑杆3-1-3本身的稳定性难以保证，过长或过短的撑杆3-1-3都不理想，找到结构最适合的撑杆3-1-3长度是保证结构稳定性的重要方式。如图11和图12所示，选取跨度为30m、40m，本发明为以矢跨比为1/5的索撑单层柱面网壳做为典型算例，进行非线性稳定性分析，得到其撑杆3-1-3在1/10-5/12f范围内的极限承载力变化，从图11和图12中能够看出对于不同跨度网壳的极限承载力变化趋势随撑杆3-1-3长度比例变化并不相同。30m跨度网壳极限承载力在撑杆3-1-3长度比例5/12之前增长迅速，达到撑杆3-1-3比例11/24后，结构承载力开始下降；40m跨度当撑杆3-1-3比例达到1/5时，结构极限承载力达到峰值。说明不同跨度对撑杆3-1-3长度的敏感程度不同，较短的撑杆3-1-3易使面外拉索3-1-2的效果减弱，面外稳定性受到影响，承载力下降；较长的撑杆3-1-3受压时易失稳，自身承载力难以保证。

具体实施方式十三：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一或十二的进一步限定，本发明进行静力模型试验的过程如下：

采用无拉索模型和面外布置拉索模型两种模型进行静力试验分析。模型跨度4m、长度4.8m、矢跨比1/4，撑杆3-1-3的长度为1/4f，网格数为4。模型上部单层柱面网壳结构的各个横杆以及纵杆7均采用圆钢管，各个横杆指的是第一横杆5、第二横杆和第三横杆6，各个横杆以及纵杆7的长度为l₀，长细比为λ₀，截面回转半径i之间的关系为：

模型中外壳体2中各个支撑体的第一横杆5、第二横杆和第三横杆6均采用Φ30×2(mm)圆钢管，面内及面外拉索采用直径约为Φ5(mm)的光面钢棒。材料均为Q235钢材，密度为7850kg/m³，E＝2.06×1011Mpa。外壳体2中各个构件均为刚接，各个球节点指的是中心球形节点2-1、2N个过渡球形节点2-2和两个端部球形节点2-3，各个球节点为焊接球节点，球节点直径为100mm，拉索3-1-2通过焊接在球节点上的第一耳板铰接，第一耳板连接花篮螺栓，通过旋转花篮螺栓达到拉索3-1-2拉紧的目的，为保证结构的整体稳定性，防止模型支座部分破坏，通过支座8连接端部球形节点2-3，限制了外壳体2由于横向推力产生较大侧向位移。本发明中外壳体2的两侧通过肋板焊接在圈梁1上，外壳体2通过端用支撑件连接在圈梁1上。

试验加载方法采用堆物法，即在整体结构上堆放沙袋。试验前对试验模型进行初始缺陷测量，并对杆件进行材性试验，测量得到试件的力学性能如表4所示。此外，本次试验还对花篮螺栓进行了单向拉伸试验，防止因花篮螺栓强度影响试验结果。经试验，花篮螺栓强度满足试验要求。

表4钢材材性试验结果

本发明进行试验加载的过程如下：

两次试验的加载方式相同，但具体加载次数不同，模型一共加载11次，前7次分别在每个节点放置40kg沙袋，8至

11次分别在每个节点放置20kg沙袋，共计均布荷载为3.699kg/m²；模型二共加载19次，前12次分别在每个节点放置50kg沙袋，13-19次每次放置25kg沙袋，共计均布荷载达到7.276kg/m²。本试验加载方式为分级加载，每级持荷20分钟，观察并记录稳定的试验数据。两次试验过程均在模型出现较大位移并且位移出现持续增长时停止试验，保证了试验的安全性。

本发明在试验过程中共对9个焊接球节点的纵向位移进行采集，图13和图14给出了网壳中央节点竖向位移的数值模拟与试验对比图。通过图13和图14可知，试验1的试验结果略小于数值模拟结果，试验中位移随承载力的提高呈线性增长，试验得到的承载力较小是由于试验模型的节点位置误差较大，且焊接过程中产生残余应力，误差叠加；试验2的试验结果和数值模拟的结果在线性阶段相似度较高，但试验的得到的极限承载力大于数值模拟结果，试验2的极限承载力为7.28kN/m²，数值模拟结果为6.61kN/m²，试验结果较数值模拟结果均偏大的原因是由于试验中节点采用焊接球节点，而数值模拟默认节点处为刚性节点，且试验2的安装误差小于试验1，通过荷载-位移曲线能够看出，试验结果和数值模拟结果趋势相同，差别较小。本次试验由于考虑到安全性，并未执行卸载过程，但从数值模拟的荷载-位移曲线中可以看出，曲线光滑，下降段过程平缓，结构发生塑性破坏。在工程实际中，人们往往最关心的就是结构的极限承载力，准确的模拟结果对工程实际起到很好的指导作用。

通过上述试验和计算推导得出，本发明中通过索撑件的布置大幅度提高了柱面网壳的极限承载力，明显的改善了整体结构的变形，提高了结构整体的刚度和稳定性。

外壳体2对不对称荷载十分敏感，施加荷载一侧结构发生严重凹陷，另一侧“拱”起，变形较大，易造成网壳一侧塌陷，在实际工程中应考虑相应措施降低不对称荷载对结构的不利影响。

对拉索3-1-2施加一定范围的预应力能够提高结构的承载能力、减小结构变形。在考虑初始缺陷情况下，结构承载力稍有下降，但本发明整体结构失稳模态基本未发生变化，从而说明本发明的整体结构为缺陷不敏感结构。

撑杆3-1-3的长度过短或过长都不能使拉索充分发挥作用，导致结构稳定性难以得到保证，实际工程中要准确计算撑杆的最佳长度。

通过静力模型试验验证了本发明计算方法的准确性，试验结果表明，仅在面外布置拉索使其承载能力提高近一倍，变形也相应减小，与数值模拟分析结果对应。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：包括圈梁(1)、外壳体(2)、索撑件和两组端用支撑件，所述圈梁(1)为矩形圈梁，外壳体(2)为双向网格型网壳，外壳体(2)的形状为圆弧形柱面，外壳体(2)沿圈梁(1)的纵边方向设置在圈梁(1)上，外壳体(2)的两侧与圈梁(1)固定连接，外壳体(2)的两端各通过一组端用支撑件与圈梁(1)的横边相连接，外壳体(2)的内壁与圈梁(1)之间设置有索撑件。

2.根据权利要求1所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：外壳体(2)包括多个支撑体，多个支撑体沿圈梁(1)的长向方向并列设置在圈梁(1)的正上方，每个支撑体包括中心球形节点(2-1)、2N个过渡球形节点(2-2)和两个端部球形节点(2-3)，所述中心球形节点(2-1)、2N个过渡球形节点(2-2)和两个端部球形节点(2-3)沿圈梁(1)的横边方向排列设置，中心球形节点(2-1)设置在2N个过渡球形节点(2-2)之间，过渡球形节点(2-2)设置在中心球形节点(2-1)和端部球形节点(2-3)之间，中心球形节点(2-1)与过渡球形节点(2-2)之间通过第一横杆(5)固定连接，相邻的过渡球形节点(2-2)之间通过第二横杆固定连接，过渡球形节点(2-2)和端部球形节点(2-3)通过第三横杆(6)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：相邻的支撑体之间通过多个纵杆(7)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：每个端部球形节点(2-3)和圈梁(1)之间对应设置有一个支座(8)，每个端部球形节点(2-3)固定安装在其对应的支座(8)上，每个端部球形节点(2-3)通过其对应的支座(8)与圈梁(1)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：每组端用支撑件包括多个支杆(4)，处于圈梁(1)横边正上方的支撑体通过多个支杆(4)与圈梁(1)的横边相连接，每个支杆(4)包括杆本体(4-1)、上铰接座(4-2)和下铰接座(4-3)，杆本体(4-1)竖直设置，杆本体(4-1)的上端通过上铰接座(4-2)与支撑体相连接，杆本体(4-1)的下端通过下铰接座(4-3)与圈梁(1)的横边相连接。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：索撑件包括多个单体索件(3-1)，多个支撑体中每三个相邻支撑体之间设置有一个单体索件(3-1)，三个相邻支撑体分别为中心支撑体和两个侧位支撑体，中心支撑体的两侧分别设置有两个侧位支撑体，单体索件(3-1)包括多向连接座(3-1-1)和多根拉索(3-1-2)，多向连接座(3-1-1)的顶部固定连接在中心支撑体上，多向连接座(3-1-1)的底部设置有多根拉索(3-1-2)，每根拉索(3-1-2)的一端与多向连接座(3-1-1)相连接，每根拉索(3-1-2)的另一端通过花篮螺栓与侧位支撑体相连接。

7.根据权利要求6所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：N的取值范围为0～4。

8.根据权利要求7所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳，其特征在于：中心球形节点(2-1)、过渡球形节点(2-2)和端部球形节点(2-3)至圈梁(1)的竖直距离依次递减。

9.一种用于权利要求6所述的一种索撑双向网格型单层柱面网壳的施工方法，其特征在于：所述施工方法包括以下内容：

建立外壳体(2)：

支撑体的建立过程：将圈梁(1)水平设置，根据对中心球形节点(2-1)、2N个过渡球形节点(2-2)和两个端部球形节点(2-3)的设计位置要求对应制作相应高度的钢支架，将中心球形节点(2-1)、2N个过渡球形节点(2-2)和两个端部球形节点(2-3)依次焊接在钢支架上，再将中心球形节点(2-1)与过渡球形节点(2-2)之间通过第一横杆(5)焊接，相邻的过渡球形节点(2-2)之间通过第二横杆焊接，过渡球形节点(2-2)和端部球形节点(2-3)通过第三横杆(6)焊接完毕形成支撑体；

重复上述操作，沿圈梁(1)的纵边方向依次制作其他支撑体，将多个相邻的支撑体之间通过多个纵杆(7)固定连接，完成外壳体(2)的安装过程；

将中心球形节点(2-1)、2N个过渡球形节点(2-2)和两个端部球形节点(2-3)与钢支架断开，撤去钢支架，形成外壳体(2)自主支撑结构；

面外单体索件(3-1)的张拉操作：根据设计要求选取一个过渡球形节点(2-2)，在该过渡球形节点(2-2)的下方焊接多向连接座(3-1-1)，在多向连接座(3-1-1)的底部呈辐射状张拉多根拉索(3-1-2)，每根拉索(3-1-2)的一端铰接在多向连接座(3-1-1)上，每根拉索(3-1-2)的另一端通过一个花篮螺栓与其靠近的中心球形节点(2-1)或端部球形节点(2-3)相连接，旋转花篮螺栓实现微调操作以保证拉索(3-1-2)处于拉紧状态即完成施工过程。

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