CN113882520B - 一种带张力环的单层网壳结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带张力环的单层网壳结构。包括相连的主体网壳结构（I）和支撑结构（II），所述主体网壳结构（I）包括壳体（1）和位于壳体（1）外表面的张力环（2），所述张力环（2）为网格形状；所述支撑结构（II）由多个相连的V型撑（8）组成，所述V型撑（8）形成一个环形，与所述主体网壳结构（I）相连。本发明的主体网壳结构曲面为椭球面，通过找形使杆件均为轴力杆件，弯矩几乎为零。网壳由壳体与张力环的组成，在竖向荷载作用下，网壳主要承受轴向压力，张力环的环向杆件主要承受拉力；而在水平荷载作用下，V形支撑可通过“拉‑压”效应传递荷载，杆件的剪力和弯矩同样较小。

Description

一种带张力环的单层网壳结构
技术领域
本发明涉及一种带张力环的单层网壳结构，属于建筑结构技术领域。
背景技术
网壳结构是目前大跨度空间结构中十分常用的一种结构体系，而单层网壳结构因其结构厚度小、自重轻、造型美观等特点，近年来为国内外建筑师所青睐，并广泛应用于工程实践中。然而，随着对结构跨度需求的进一步增大，单层网壳结构设计不可避免地存在一些问题。
1）当单层网壳结构跨度较大时，若网壳高度不足，壳面曲率过小，网壳在竖向荷载作用下可能发生“翻转”现象，导致结构受力形态改变，发生垮塌。
2）大跨度单层网壳结构的网格较大时，可能导致杆件长细比不足，在外荷载作用下发生压杆失稳；而网格较小时，则会引起用钢量的增加，并导致节点连接复杂，施工难度较高。
3）单层网壳结构具有较强的几何非线性，当网壳因施工误差等原因产生初始几何缺陷时，杆件内力分布与原设计相比将发生明显变化，可能导致结构安全性能降低。
4）网壳杆件主要承受轴力，在温度作用下，杆件的伸缩变形难以得到释放，将产生较大的附加内力，增加了网壳及周围构件的承载力需求。
5）单层网壳结构体系传力路径单一，冗余度较差，当部分关键构件失效时，结构可能发生连续垮塌现象。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种带张力环的单层网壳结构，实现网壳杆件内力的合理分配，冗余度高，稳定性强，同时有效释放结构温度变形，降低由温度作用产生的附加内力，从而进一步优化结构构造，减少用钢量，降低工程造价。。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种带张力环的单层网壳结构，包括相连的主体网壳结构（I）和支撑结构（II），所述主体网壳结构（I）包括壳体（1）和位于壳体（1）外表面的张力环（2），所述张力环（2）为网格形状；所述支撑结构（II）由多个相连的V型撑（8）组成，所述V型撑（8）形成一个环形，与所述主体网壳结构（I）相连。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述壳体（1）包括多个径向杆件（3）、多个环向杆件（4）和多个斜向杆件（5），所述径向杆件（3）、环向杆件（4）和斜向杆件（5）共同组成椭球面的网格结构。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述径向杆件（3）将椭球面分为多个扇形区域，在每个扇形区域内，环向杆件（4）平行于壳体（1）边缘布置，斜向杆件（5）平行于径向杆件（3）布置，共同形成三角形网结构。椭球面的网格结构的节点为刚接，提高了内围椭圆面网壳的稳定性与冗余度。每个三角形网格结构大小基本一致，避免了网壳顶部杆件过密，结构构造过于复杂，也使网壳结构受力均匀。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述张力环（2）包括多个环向拉杆（6）与多个斜向撑杆（7），所述斜向撑杆（7）交叉布置，与环向拉杆（6）形成三角形网格结构。其中，环向拉杆（6）共布置3~5道，第1道布置在内围椭球面网壳1的最外围，斜向撑杆（7）交叉布置，与环向拉杆（6）形成三角形网格结构。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述的V形撑（8）为圆钢管。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述V形撑（8）两端为销轴节点（9）。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述的销轴节点（9）包括通过销轴（11）相连的两块耳板（10）。耳板（10）的布置方向为环向拉杆（6）的方向，两块耳板（10）之间垫有橡胶片（12）。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述的张力环（2）与水平面形成的夹角大于60°。
所述的一种带张力环的单层网壳结构，所述V形撑（8）与竖直面形成的夹角为5~10°。
本发明所达到的有益效果：
本发明的主体网壳结构曲面为椭球面，通过找形使杆件均为轴力杆件，弯矩几乎为零。网壳由壳体与张力环的组成，在竖向荷载作用下，网壳主要承受轴向压力，张力环的环向杆件主要承受拉力；而在水平荷载作用下，V形支撑可通过“拉-压”效应传递荷载，杆件的剪力和弯矩同样较小。与传统网壳相比，结构受力更为合力，且冗余度较高。
网壳的各个三角形子结构大小基本一致，避免了局部网格过密的问题，构造比较简单。主体网壳结构杆件节点均为刚接，提高结构整体刚度与构件稳定性，使结构在局部集中荷载或局部初始缺陷的条件下仍具有较高的安全性。本发明提出的内围壳体+外围张力环结构体系，结构布置灵活，适应度高。
主体网壳结构下部设置了支撑结构，避免了网壳直接落地，有效释放了温度变形。支撑结构与网壳结构采用销轴连接，且在耳板之间设置橡胶片，保证了截面面外的转动能力，进一步释放面外变形，改善环梁和支撑杆件的受力形态，使得杆件数量和截面可减小，进一步减小结构用钢量，降低了工程造价。此外，由于支撑冗余度较高，可根据需要取消部分支撑，形成大开间，起到结构立面通透的效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为壳体的结构示意图。
图3为壳体的典型刚接节点详图。
图4为张力环的结构示意图。
图5为支撑结构的结构示意图。
图6为支撑解耦股的平面展开示意图。
图7为V形撑典型销轴节点示意图。
图8为图7的剖视图。
图中：I、主体网壳结构；II、支撑结构；1、壳体；2、张力环；3、径向杆件；4、环向杆件；5、斜向杆件；6、环向拉杆；7、斜向撑杆；8、V形撑；9、销轴节点；10、耳板；11、销轴；12、橡胶片。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图所示，一种带张力环的单层网壳结构，包括相连的主体网壳结构I和支撑结构II，所述主体网壳结构I包括壳体1和位于壳体1外表面的张力环2，所述张力环2为网格形状；所述支撑结构II由多个相连的V型撑8组成，所述V型撑8形成一个环形，与所述主体网壳结构I相连。
所述壳体1包括多个径向杆件3、多个环向杆件4和多个斜向杆件5，所述径向杆件3、环向杆件4和斜向杆件5共同组成椭球面的网格结构。
所述径向杆件3将椭球面分为多个扇形区域，在每个扇形区域内，环向杆件4平行于壳体1边缘布置，斜向杆件5平行于径向杆件3布置，共同形成三角形网结构。椭球面的网格结构的节点为刚接，提高了内围椭圆面网壳的稳定性与冗余度。每个三角形网格结构大小基本一致，其边长约为2m~3m。避免了网壳顶部杆件过密，结构构造过于复杂，也使网壳结构受力均匀。
壳体1的椭球面通过找形获得，使壳体1在荷载作用下主要承受轴向作用，径向杆件3、环向杆件4和斜向杆件5均为方钢管截面，杆件节点为刚接，连接节点为一个方向主杆（径向杆件3、环向杆件4和斜向杆件5）通长设置，其余杆件（环向杆件4和斜向杆件5；径向杆件3和斜向杆件5；径向杆件3和环向杆件4）采用坡口焊连接于主杆上。
所述张力环2包括多个环向拉杆6与多个斜向撑杆7，所述斜向撑杆7交叉布置，与环向拉杆6形成三角形网格结构。其中，环向拉杆6共布置3~5道，第1道布置在内围椭球面网壳1的最外围，斜向撑杆7交叉布置，与环向拉杆6形成三角形网格结构。张力环2与水平面形成的夹角大于60°，使网壳结构在荷载作用下具有较好的环向约束作用。张力环2的杆件均采用方钢管截面，杆件节点为刚接，其连接节点形式与壳体1相同。在壳体1与张力环2交界处，两种三角形网格均匀过度。
所述的V形撑8为圆钢管。总高度约为3~4m。V形撑8与竖直面形成约5~10°的夹角。V形撑8截面采用圆钢管，其两端分采用销轴节点9连接于地面和环向拉杆6。在竖向作用下，V形撑8主要承受压力；而水平作用下，V形撑8形成“拉-压效应”，起到良好的内力传递作用。根据实际建筑需求，也可取消部分V形撑，形成大开间的建筑效果。
更进一步地，所述的销轴节点（9）包括通过销轴（11）相连的两块耳板（10）。耳板（10）的布置方向为环向拉杆（6）的方向，两块耳板（10）之间垫有橡胶片（12）。销轴11直径约为40~80mm。销轴节点9在沿环向拉杆6的方向可自由转动。上下耳板之间垫有橡胶片12，使销轴节点9在垂直于环向拉杆6的方向同样具备一定的转动能力，释放张力环2的环向扩大与缩小变形。
本实施例结构长轴跨度约80m，短轴跨度约60m，长轴方向矢跨比为1/4。内围壳体1的径向杆件3、环向杆件4与斜向杆件5选用了□ 200×100×8截面；外围张力环2的环向拉杆6选用了□250×250×14截面，共布置3道，其中最外侧1道在长轴方向跨中向内收进；斜向撑杆7选用了□200×150×8截面；下部支撑结构II的V形撑8选用了φ203×8截面，在长轴方向跨中取消了部分支撑作为建筑入口。杆件材料均为Q345B，恒荷载为1.0 kN/m2，活荷载为0.5 kN/m2。采用Midas Gen软件分析设计，结构总用钢量约为300吨，最大竖向变形约为26mm。同时，考虑部分环向拉杆6或V形撑8失效的条件下，结构仍满足原设计要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带张力环的单层网壳结构，包括相连的主体网壳结构（I）和支撑结构（II），其特征是，所述主体网壳结构（I）包括壳体（1）和位于壳体（1）外表面的张力环（2），所述张力环（2）为网格形状；所述张力环（2）包括多个环向拉杆（6）与多个斜向撑杆（7），所述斜向撑杆（7）交叉布置，与环向拉杆（6）形成三角形网格结构；所述支撑结构（II）由多个相连的V型撑（8）组成，所述V型撑（8）形成一个环形，与所述主体网壳结构（I）相连；所述的V形撑（8）为圆钢管；所述V形撑（8）两端为销轴节点（9）；所述的销轴节点（9）包括通过销轴（11）相连的两块耳板（10）；所述耳板（10）的布置方向为所述环向拉杆（6）的方向，两块所述耳板（10）之间垫有橡胶片（12）。
2.根据权利要求1所述的一种带张力环的单层网壳结构，其特征是，所述壳体（1）包括多个径向杆件（3）、多个环向杆件（4）和多个斜向杆件（5），所述径向杆件（3）、环向杆件（4）和斜向杆件（5）共同组成椭球面的网格结构。
3.根据权利要求2所述的一种带张力环的单层网壳结构，其特征是，所述径向杆件（3）将椭球面分为多个扇形区域，在每个扇形区域内，环向杆件（4）平行于壳体（1）边缘布置，斜向杆件（5）平行于径向杆件（3）布置，共同形成三角形网结构。
4.根据权利要求1所述的一种带张力环的单层网壳结构，其特征是，所述的张力环（2）与水平面形成的夹角大于60°。
5.根据权利要求1所述的一种带张力环的单层网壳结构，其特征是，所述V形撑（8）与竖直面形成的夹角为5~10°。
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