CN113569357A - 空间网格结构试验模型节点配重装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间网格结构试验模型节点配重装置，所述空间网格结构试验模型包括多个中心节点、以及与所述中心节点相接的杆件，其特征在于，所述配重装置包括：与所述中心节点相适配的配重构件，所述配重构件由穿过所述中心节点中心及所述配重构件中心的螺杆装配覆盖在所述中心节点的外表面，所述螺杆的两端由螺帽固定。利用本发明，既可以满足配重的要求，又不改变杆件稳定承载力，可更准确地反映试验模型的受力性能；而且可以实现装配式安装，便于重复利用。

Description

空间网格结构试验模型节点配重装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种空间网格结构试验模型节点配重装置及其设计方法。

背景技术

随着社会经济的发展，大跨度空间结构的应用越来越广泛。空间网格结构由于其受力合理和丰富的造型成为建筑师在设计大跨度空间结构时的首选方案，许多大跨度空间网格结构成为了城市的地标建筑。

空间网格结构的面内刚度大，面外刚度小，导致空间网格结构承载力由其稳定性能决定。与强度问题相比，稳定性问题分析难度大。除了理论推导和数值模拟，模型试验是研究空间网格结构稳定性能的主要手段。如何设计和制作缩尺物理模型成为开展空间网格结构地震模拟振动台试验研究的关键问题。由于动力试验缩尺模型存在重力失真现象，需要通过增加配重以消除重力失真效应，而增加配重后的球节点体积会增大至原来的数倍，但杆件的直径保持不变，这样增加配重后的球节点直径将会达到杆件直径的20倍以上，远大于不考虑配重时球节点与杆件的最大5％的直径比，如图1和图2所示。传统的空间网格结构模型试验研究已经取得了一定的成果，但是传统模型中的球节点设计仅是考虑了附加质量大小的要求，如此会带来以下问题：

(1)附加质量之后的节点体积数倍于实际节点体积，杆件的相似设计不满足；

(2)杆件的有效计算长度明显减小，过高估计杆件稳定承载力；

(3)杆件端部施加了难以接受的附加端部力矩。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种空间网格结构试验模型节点配重装置及其设计方法。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种空间网格结构试验模型节点配重装置，所述空间网格结构试验模型包括多个中心节点、以及与所述中心节点相接的杆件，所述配重装置包括：与所述中心节点相适配的配重构件，所述配重构件由穿过所述中心节点中心及所述配重构件中心的螺杆装配覆盖在所述中心节点的外表面，所述螺杆的两端由螺帽固定。

可选地，所述配重构件包括：一层或多层可拆卸的配重块。

可选地，每层的配重块包括两个配重单元，在每个所述配重单元的中心位置设置有通孔，所述螺杆穿过所述通孔。

可选地，不同层的配重块的材质相同或不同。

可选地，所述中心节点的形状为以下任意一种：球体、柱体。

可选地，所述中心节点为以下任意一种：焊接球节点、螺栓球节点、毂节点、相贯节点、铸钢节点。

一种空间网格结构试验模型节点配重装置的设计方法，所述空间网格结构试验模型包括多个中心节点、以及与所述中心节点相接的杆件，所述方法包括：

根据与中心节点相适配的配重构件需要的开挖角度，确定物理模型中配重构件的种类；

对于每类配重构件，确定所述配重构件开挖位置的角度及高度；

确定配重构件的直径，根据结构动力相似关系确定配重大小。

本发明实施例提供的空间网格结构试验模型节点配重装置及其设计方法，既可以满足配重的要求，又不改变杆件稳定承载力，从而可更准确地反映试验模型的受力性能。另外，本发明空间网格结构试验模型节点配重构件还实现了配重可调，具有安装方便、可重复使用的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的物理模型中不考虑配重时的杆件-节点示意图；

图2为传统的物理模型中考虑配重时的杆件-节点示意图；

图3为本发明空间网格结构试验模型节点配重装置的结构示意图；

图4为本发明空间网格结构试验模型节点配重装置设计方法的流程图；

图5为单层球面网壳结构剖面图；

图6为本发明实施例中配重节点开挖尺寸示意图；

图7为传统的单层球面网壳模型中考虑配重时的有限元模型；

图8为本发明实施例中空间网格结构试验模型中考虑配重时的有限元模型；

图9为传统单层球面网壳结构试验模型的荷载-位移曲线与本发明中空间网格结构试验模型的荷载-位移曲线对比图；

图10为传统单层球面网壳结构试验模型的地震加速度峰值-位移曲线与本发明中空间网格结构试验模型的地震加速度峰值-位移曲线对比图。

其中，附图标记说明如下：

11、传统的物理模型中不考虑配重时的球节点；2、杆件；13、传统的物理模型中考虑配重时的球节点；

1、球节点；4、第一层配重块；5、第二层配重块；6、第三层配重块；7、第四层配重块；8、螺杆；9、螺帽。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

传统的单层球面网壳模型中的节点因为需要满足配重要求，节点的尺寸远大于按几何相似比得到的尺寸，这样节点的尺寸吃掉了杆件的有效长度，导致杆件的有效长度减少，杆件的稳定承载力过高。针对传统的单层球面网壳模型中的节点无法兼顾配重和不改变杆件稳定承载力，从而不能准确反映网壳结构模型的受力性能的问题。为此，本发明实施例提供一种空间网格结构试验模型节点配重装置及其设计方法，在满足配重要求的情况下，不会改变杆件稳定承载力，以便更准确地反映试验模型的受力性能。

需要说明的是，本发明提供的空间网格结构试验模型节点配重装置所针对的空间网格结构试验模型可以包括多个中心节点、以及与所述中心节点相接的标件。其中，所述中心节点的形状可以是但不限于以下任意一种：球体、柱体等。而且对中心节点的制作方式及材质不做限定，比如可以是但不限于以下任意一种：焊接球节点、螺栓球节点、毂节点、相贯节点、铸钢节点等。针对不同的中心节点，所述中心节点配重构件的设计思路相同，其整体形状与所对应的中心节点的形状相适配，比如，与球节点对应的配重构件整体上为包裹所述球节点的球形结构，再比如，与柱状节点对应的配重构件整体上为包裹所述柱状节点的柱形结构。另外，所述的空间网格结构可以是单层网壳结构、双层网壳结构、双层网架结构等，

本发明中所提及的空间网格结构试验模型包括多个中心节点、以及与所述中心节点相接的杆件。基于上面的说明，为了便于描述，在后面的实施例中均以单层网壳结构及球节点为例进行说明。

如图3所示，为本发明空间网格结构试验模型节点配重装置的结构示意图。

在该实施例中，所述空间网格结构试验模型为单层网壳结构试验模型，其包括多个球节点1、以及与所述球节点1相接的杆件2，所述试验模型节点配重装置包括与所述球节点1相适配的球形配重构件，所述球形配重构件由穿过所述球节点1中心及所述球形配重构件中心的螺杆8装配覆盖在所述球节点1的外表面，所述螺杆8的两端由螺帽9固定。

其中，所述球形配重构件采用可拆卸方式，使得该配重构件可重复使用，并且只需通过螺杆和螺帽即可将其固定，安装方便。

为了适应不同的试验需求，所述球形配重构件还可以设计为包括一层或多层可拆卸的球形配重块。如图3中示出了包括四层球形配重块的情况，分别为：第一层配重块4、第二层配重块5、第三层配重块6、第四层配重块7。

进一步地，在实际应用中，每层的球形配重块可以包括两个半球形配重单元，也就是说，由两个半球体分体配重单元相接装配组合成球形配重块。在每个所述配重单元的中心位置设置有通孔，所述螺杆穿过所述通孔。

进一步地，不同层的球形配重块的材质可以相同或不同，对此本发明实施例不做限定。这样，通过设计不同的配重层，可以方便地调整配重构件的重量，满足不同试验的需求。

需要说明的是，本发明实施例提供的空间网格结构试验模型节点配重装置，可以适用于多种空间网格结构，比如单层网壳结构、双层网壳结构、双层网架结构等。本发明实施例提供的空间网格结构试验模型节点配重装置，既可通过增减配重层数满足不同配重需要，通过长杆螺栓和螺帽方便地实现配重层的安装、固定和拆卸，同时不会改变杆件的原有计算长度，保证杆件稳定承载力的相似特性。利用本发明装置进行试验确定空间网格结构稳定性能时，可以更准确地反映试验模型的受力性能，从而准确地确定原型结构的动力特性、刚度和承载能力。

相应地，本发明实施例还提供一种球面空间网格结构试验模型节点配重装置的设计方法，如图4所示，是本发明方法的流程图，包括以下步骤：

步骤401，根据与中心节点相适配的配重构件需要的开挖角度，确定物理模型中配重构件的种类。

也就是说，根据不同配重构件开挖角度的不同，将配重构件分类。如果配重构件的开挖角度相同或很接近，则将其归为一类。

对于不同种类的配重构件，在后续设计处理中需要分别进行相应的处理。

步骤402，对于每类配重构件，确定所述配重构件开挖位置的角度及高度。

在上述步骤401中只是确定了配重构件的开挖角度，但是这个开挖角度具体在配重构件的什么位置并不确定，而是需要位置的角度进行确定，即所述开挖位置是指步骤401中提到的所述开挖角度的位置，也就是说，所述配重构件开挖位置的角度是用来确定所述开挖角度的位置的。

步骤403，确定配重构件的直径，根据结构动力相似关系确定配重大小。

下面以具有球节点的单层球面网壳结构为例，进一步详细说明本发明空间网格结构试验模型节点配重构件的设计方法，具体设计过程如下：

(1)根据与球节点相适配的球形配重构件需要的开挖角度，确定物理模型中球形配重构件的分类。

所述开挖角度，参照图3，是指将杆件2在配重构件中的通过区域及邻近区域在配重构件上开孔的位置进行标定，根据开挖角度位置的不同对配重构件进行分类。如果配重构件开挖位置的角度相同或很接近，则归为一类。

如图5所示，以Kiewitt型单层球面网壳结构为例，各节点与球面网壳所在球体的球心连线与和该节点相连杆件轴线的夹角θ决定于对应杆件的长度。

由于网壳结构杆件长度相差范围不大，所以夹角θ的变化范围可控；同时，为便于球形配重构件的加工、安装和重复利用，可将球面网壳上所有球形配重构件的开挖角度都可归纳统一为一类。

所述夹角θ可由以下公式计算：

式中各参数的含义如下：

f-单层球面网壳的矢高，L-球面网壳的跨度，R-球面网壳所在球体的半径，B-网壳杆件的长度，α-杆件所在剖面对应圆的圆心角，l-网壳的节点数量，m-与本节点相连的杆件数量，n-网壳的杆件数量。

(2)确定所述球形配重构件开挖位置的角度及高度。

所述球形配重构件开挖位置的角度是用来确定所述开挖角度的位置的。

如图6所示，所述球形配重构件开挖位置的开挖角度由θ_min决定。节点处球直径的垂线与该节点处杆件轴线的夹角θ的最大值θ_max与最小值θ_min之差，即最长杆件与最短杆件对应的夹角之差Δθ，即：

Δθ＝θ_max-θ_min (3)

H_ae＝sin(Vθ)D_ae/2 (5-1)

H_ai＝D_B+2H_w (5-2)

式中各参数的含义如下：

m_a-试验模型需要附加的质量，D_ae、D_ai-分别为配重块的最外侧、最内侧直径，D_B-与球节点相连的杆件直径，H_w为球节点与钢管的焊缝尺寸，H_ae、H_ai-配重块的最外侧、最内侧挖空高度。

(3)确定球形配重构件的直径，根据结构动力相似关系确定配重大小。

确定配重构件层数与尺寸，配重层最小直径决定于不考虑配重时的球节点，配重层最大直径决定于配重值。

假定物理模型和原型均采用相同的材料，为使等效密度相似比满足相似条件，则需要添加的配重质量为：

m_a＝m_mT-m_m (7-1)

式中各参数的含义如下：

m_mT-满足动力相似要求时试验模型的总质量，m_m-满足几何相似要求时试验模型的质量，m_a-配重质量，

-质量相似系数，即模型质量与原型质量之比，S_E、S_l、S_g分别为拉压弹性模量相似系数、长度相似系数和重力加速度相似系数。

需要说明的是，在实际应用中，为了便于安装并实现配重可调，所述球形配重构件可以采用一层或多层可拆卸结构，每层由两个半球形配重单元组成。按照一定模数确定配重的层数，即将配重块的厚度增量控制在常用的范围内，从而方便制作和使用，进而可根据相应的设计数据制作各层配重块、螺杆、螺帽。

在制作完成后，安装时先固定球节点和螺杆，依次安装配重层，最后紧固螺帽。

分别基于图7所示的传统的单层球面网壳模型中考虑配重时的有限元模型及图8所示的本发明实施例中空间网格结构试验模型中考虑配重时的有限元模型，利用有限元程序开展地震增量动力分析，得到的荷载-位移曲线对比图如图9所示，得到的地震加速度峰值-位移曲线对比图如图10所示。

由试验结果可知，传统的和本发明中改进的空间网格模型的静力稳定承载力分别为2350.8N、1872.3N，传统的静力稳定承载力偏高20.4％；二者的静力稳定承载力分别为1750Gal、1000Gal，传统的动力稳定承载力偏高42.9％，有效地验证了本发明中可调重装配式节点配重构件具有更好的效果。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空间网格结构试验模型节点配重装置，所述空间网格结构试验模型包括多个中心节点、以及与所述中心节点相接的杆件，其特征在于，所述配重装置包括：与所述中心节点相适配的配重构件，所述配重构件由穿过所述中心节点中心及所述配重构件中心的螺杆装配覆盖在所述中心节点的外表面，所述螺杆的两端由螺帽固定。

2.根据权利要求1所述的空间网格结构试验模型节点配重装置，其特征在于，所述配重构件包括：一层或多层可拆卸的配重块。

3.根据权利要求2所述的空间网格结构试验模型节点配重装置，其特征在于，每层的配重块包括两个配重单元，在每个所述配重单元的中心位置设置有通孔，所述螺杆穿过所述通孔。

4.根据权利要求2所述的空间网格结构试验模型节点配重装置，其特征在于，不同层的配重块的材质相同或不同。

5.根据权利要求1至4任一项所述的空间网格结构试验模型节点配重装置，其特征在于，所述中心节点的形状为以下任意一种：球体、柱体。

6.根据权利要求1至4任一项所述的空间网格结构试验模型节点配重装置，其特征在于，所述中心节点为以下任意一种：焊接球节点、螺栓球节点、毂节点、相贯节点、铸钢节点。

7.一种空间网格结构试验模型节点配重装置的设计方法，所述空间网格结构试验模型包括多个中心节点、以及与所述中心节点相接的杆件，其特征在于，所述方法包括：

根据与中心节点相适配的配重构件需要的开挖角度，确定物理模型中配重构件的种类；

对于每类配重构件，确定所述配重构件开挖位置的角度及高度；

确定配重构件的直径，根据结构动力相似关系确定配重大小。

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