一种具有垂直杆件支撑可快速装配的半球形棚板网壳结构

摘要

一种具有垂直杆件支撑可快速装配的半球形棚板网壳结构，由主体网壳，基底节点座和棚板组成。其主体网壳是以32面体为基础，经过拓扑映射变换得到，由节点座和活节连杆两类零部件构成，采用螺纹连接方法，可以快速便捷实现安装。主体网壳与基底节点座通过垂直连杆相连，在直杆接地节点接头外法线方向上，设置有锚孔板，定位锚杆通过锚孔将半球网壳牢固地固定在基梁与地面基础上，提高了半球形网壳抗强风暴雪的性能。该半球形棚板网壳结构的跨度可以分级调节变化，现场结构安装架设可以从垂直于地面杆件开始，顺次的向上连接，施工十分便捷快速，可作为需快速构建的大跨度展览会馆、装备设备储存库、救灾医疗中心与物资中心使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于拓扑学、空间几何学和杆件系统结构力学的球形多面体单层网壳特殊设计方法，尤其是涉及一种具有垂直杆件支撑可快速装配的半球形棚板网壳结构，属于结构工程技术领域。

背景技术

目前已经获得广泛应用的球形网壳结构构建方法由以色列学者Hanaor提出，其构建方法共有两种：一种是具有四边形构型的经纬线法(图1)；另一种是具有三角形构型的、以20面体为理论基础的测地投影法(图2)。其中，Hanaor测地投影法仅限于在三角形构型的焊接或铆接网壳结构中使用(图3)，难以满足大跨度单层球面网壳快速装配的要求。

采用上述两种方法建成的结构已大量应用，但设计计算繁复，构件种类多，没有垂直于地面的直立杆件，导致在施工过程中难以便捷安装，使得结构网壳装配过程繁杂，且Hanaor的单层球形网壳结构中的构件均采用焊接工艺连接，施工周期很长，现场焊接质量也难于保证。

为解决上述问题，本发明提出一种具有垂直杆件支撑可快速装配的半球形棚板网壳结构(图4)。这种半球形棚板网壳结构的构建方法是从拓扑学和空间几何基础理论出发，以32面体为基础建立平面基元，并进行正六边形网格细分，选择特定网格细分参数，经过网格节点向球面进行拓扑映射变换，获得具有赤道面上垂直杆件特征的单层半球形网壳。

发明内容

本发明提出的一种具有垂直杆件支撑可快速装配的半球形棚板网壳结构，旨在提供一种具有一定跨度且安装方便快捷的半球形棚板网壳结构，可作为快速构建大跨度展览会馆、装备设备储存库、救灾医疗中心与物资中心使用。

本发明提出的一种具有垂直杆件支撑可快速装配的半球形棚板网壳结构，其特征在于，该半球形棚板网壳结构含有：半球形主体网壳，基底节点座，活节连接杆件，棚板；所述半球形主体网壳由基底节点座和活节连接杆件两类零部件构成，采用螺纹连接；所述半球形主体网壳是以32面体为基础建立平面基元，并进行正六边形网格细分，选择特定网格细分参数，经过网格节点向球面进行拓扑映射变换得到；所述活节连接杆件采用冷轧铝或铝合金管进行加工；所述各种基底节点座采用高碳钢材料熔模精密铸造进行加工，并进行镀锌防锈。

在上述半球形棚板网壳结构中，所述每个节点座与三根杆件相连，网壳基底节点座，一个杆接头垂直向上，另外两个接头指向网壳水平面上底梁多边形弦线方向；在直杆接地节点接头外法线方向上，设置有锚孔板，定位锚杆通过锚孔将半球网壳牢固地固定在基梁与地面基础上，提高了半球形网壳抗强风暴雪的性能。

在上述半球形棚板网壳结构中，所述半球形网壳节点的上部设计结构中有支撑棚板的环形承台面，棚板角表面通过上面压盖锁紧到环形承台面上，在承受复杂荷载作用下整体结构仍保持稳定。

本发明的优点主要有：(1)以节点接头和直杆杆件两类部件作为构成网壳单元的零部件，采用方便灵活的螺纹连接取代焊接工艺，精度高，安装迅速便捷，可显著提高施工作业速度；(2)采用提供的网壳基底特殊接地节点构造和锚栓接地方法牢固稳定，提高了半球形网壳抗强风暴雪性能；(3)现场结构安装架设可以从垂直于地面杆件开始，顺次的向上连接，使网壳施工十分便捷快速；(4)根据本发明的方法选取多边形构型42面体、162面体、362面体结构等，可以构建出大跨度单层半球形棚板网壳系列；(5)跨度可以分级调节变化，节点座和连接杆种类少，便于安装。

附图说明

图1为经纬线法生成半球形网壳，1——肋，2——环；

图2为20面体三角形构型测地投影法生成球形网壳；

图3为三角形构型测地投影法球形网壳多伦多会展中心(加拿大)；

图4为本发明的三维模型图；

图5为本发明建立的42面体平面拓扑基元；

图6为本发明中42面体球形网壳节点与构型；

图7为本发明中42面体三维投影实体图下切平面位置，3——赤道面；

图8为本发明建立的162面体拓扑细分平面基元；

图9为本发明中162面体节点类型；

图10为本发明中162面体六边形构型；

图11为本发明中162面体三位投影实体图下切平面位置，4——赤道面；

图12为本发明中362面体细分平面单元；

图13为本发明中362面体的7个节点类型；

图14为本发明中362面体的6个6边形构型；

图15-1和15-2为本发明中42面体、162面体半球形棚板网壳的主体节点座构造，5——紧固棚板螺孔，6——棚板承台面，7——外螺纹连杆接头，8——承吊底盘；

图16-1和16-2为本发明中42面体、162面体半球形棚板网壳的基底节点座构造；

图17-1和17-2为本发明中42面体、162面体半球形棚板网壳节点座直杆连接三维投影；

图18、图19为本发明中42面体、162面体半球形棚板网壳节点杆件连接构造与工艺安装，9——三叉节点座，10——活节接头挡圈，11——活节接头螺母，12——连杆。

具体实施方式

下面结合附图5～18，详细说明本发明的结构及其安装方法。

一种具有垂直杆件支撑可快速装配的半球形棚板网壳结构，其特征在于，该半球形棚板网壳结构含有：半球形主体网壳，基底节点座，棚板。

所述半球形主体网壳以32面体变体平面基元拓扑展开为基础，用建立“节点弦面角和”及其球面映射变换方法取代Hanaor以20面体球面基元直接展开的测地投影法，同时选取具有特定的基元边长比和细分参数，构成具有直立杆件特性的特定多面体系列，以实现垂直于地面杆件单层半球网壳拓扑设计。

所述半球形主体网壳，是由节点座和活节连杆两类零部件构成，采用螺纹连接方法，可以快速便捷实现安装。零部件设计的节点座为高碳钢，连接杆为合金铝，使42面体和162面体半球网壳单件重量控制在3kg以内，构件重量轻，不需要特殊运输与起重设备，特别适用于野外安装作业，可以满足总体网壳一天之内完成施工安装的特殊要求。

本发明的具体实施方式分为网壳设计和安装两个方面。

(一)构建垂直于地面杆件的多面体

1)建立组合32面体变体，在拓扑展开平面基元上，建立边长比M为的长边；

2)对拓扑平面基元进行相等正六边形细分，细分为半个或整个正六边形；

3)为向5边形外接圆邻域进行拓扑映射变换，采用节点“弦面角和”方法进行逼近计算，获得相应的弦面角和边长值；

4)根据特定垂直杆多面体精确计算值，给出42面体、162面体以及362面体等球面拓扑关系映射变换后的实体视图；

5)以各计算值作为向球面拓扑变换结果，提供相应的主体节点座类型数、杆件种类数和基底多边形参数，给出半球形网壳节点构造。

(二)构建42面体直立杆件半球网壳

1)建立拓扑基元

选取32面体变体平面基元边长比为边长比定义为5边形边长与基元边长之比。在拓扑平面基元上有三个半面的六边形，即平面基元已细分为1.5个正六边形，如图5所示。

2)计算球弦面角

3)为建立基元平面特征点向球面邻域拓扑变换计算方法，采用平面6边形几何条件和弦面角和相等条件，建立方程并求解得，α=121.5°，ω=117°

三个弦面角之和为∑=351°

在计算中，已经运用了多边形平面条件。

解出42面体球形网壳具有2种节点类型，1种六边形构型和2种边长，如图6所示。构建42面体球形网壳三维投影实体图，如图7所示。

(三)构建162面体直立杆件半球网壳

1)建立拓扑平面基元

2)选取32面体变体平面基元边长比为将拓扑平面基元细分为7.5个正六边形，如图8所示。

3)计算弦面角

4)为求得平面基元节点向球面邻域映射拓扑变换，按6边形几何条件与弦面角和相等条件建立方程并求解得到7个角度值，分别为：

α=124.875°，β=117°，λ=123.75°，γ=121.5°，σ=118.125°，ξ=120.375°，ω=119.25°

三个弦面角之和为∑=357.75°

解出节点类型共有3个，6边形构型共有3个，如图9、10所示。解出边长共有3种，即：

a₁=a₁，a₂=1.10335a₁，a₃=1.12789a₁

162面体半球形网壳三维投影实体图，如图11所示。

(四)构建362面体直立杆件半球网壳

1)建立拓扑基元

选取32面体变体平面基元边长比将拓扑平面基元细分为17.5个正六边形，如图12所示。

2)计算球弦面角

为建立平面基元向球面邻域拓扑变换，采用平面6边形几何条件与弦面角和相等条件建立12个方程组，解得12个角度为：

α=125.5°，β=115.8333°，λ=127.333°，γ=121.6667°，σ=118.6667°，η=119.6667，(ξ=119.6667°)，δ=116°，ρ=121.5°，ω=119.5°，ζ=120.1667°，(ε=119.6667°)

给出的解中有三个角相同，实际独立角变量仅有10个

弦面角和为∑=359°

解出节点类型共有7种，6边形构型共有5种，如图13、14所示。解出边长共有5种，即：

a₁=a₁，a₂=1.1031a₁，a₃=1.1541a₁，a₄=1.2187a₁，a₅=1.2037a₁

(五)直立杆件半球形网壳系列

根据32面体变体基元边长比M的特定取值和欧拉定理可以计算出垂直杆件半球形网壳的多面体面数、节点类型数、边长种类数以及球弦面角和值。如表1所示。

表1直立杆半球形主体网壳特征参数

注：1)在选取标准边长(即正五边形边长)约为1.5m时，半球形网壳跨度的米数约为直立杆的数目。如利用42面体、162面体、362面体可以构建垂直地面杆件数和跨度分别为，10杆10米跨、20杆20米跨、30杆30米跨。

2)具有垂直杆件的球形网壳系列，由于计算方法的优化特性，节点接头和直杆部件的不同种类型号数目是很有限的。在参照拓扑构型进行构建安装时，可以便捷地实现30米以上跨度半球网壳的螺纹连接组装，但节点座与杆件管螺纹的连接管直径要按受力设计要求改变为55mm以上。

(六)半球形网壳节点和连接杆件安装步骤

具有垂直地面杆件特征的42面体、162面体，其接地节点构造形式一致，仅仅结构参数有差别，如图15、16所示。基底节点座为圆柱形，上部螺纹接头1铅直向上内倾或斜向内倾，下部两个螺纹接头2指向水平。其42面、162水平面夹角分别为144°、162°，其值取决于不同跨度基底多边形的数目而变化。节点座基底外径方向有带孔钢板，作为与基底环梁与基础连接固定使用。采用高碳钢材料熔模精密铸造进行各种节点座加工，并进行镀锌防锈。采用冷轧铝或铝合金管进行活节连接杆件加工(GB／T4436-1995)。

42面体、162面体半球网壳的基底节点座与活节连杆，通过螺纹连接配置定位，其中心线分别构成正10边形和不等边20边形。以形成的基底连接圈梁为基础，按照半球主体网壳拓扑设计顺次向上连接，构成的42面体、162面体三维半球网壳连接三维投影图如图17、18所示。