一种孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法

摘要

一种孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法，它涉及一种单层球面网壳模型制作方法，具体涉及一种孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法。本发明为了解决现有球面网壳模型制作方法制作的实验模型体积较大、模型节点较少，且模型制作过程中需要花费大量的人力财力的问题。本发明底板、多个圆柱体节点和多个连接杆件，多个圆柱体节点呈半球面分布设置，相邻两个圆柱体节点通过连接杆件固定连接，多个圆柱体节点与多个连接杆件形成网状半球面，所述网状半球面的开口端固定安装在底板的上表面上。本发明用建筑领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单层球面网壳模型制作方法，具体涉及一种孔洞胶接节点装配式单 层球面网壳模型制作方法。

背景技术

网壳结构因其受力合理、自重轻、抗震性能优越等显著优点被广泛应用。与此同时， 鉴于网壳结构的公共性、标志性、群体避难性功能，对网壳结构在地震、强风、爆炸冲击 等极端荷载作用下的工作行为分析提出了更高的要求，诸如网壳结构无征兆的动力失稳破 坏模式研究，网壳结构在爆炸冲击荷载作用下工作行为研究等等。国内外学者对网壳结构 强震下破坏模式及其破坏机理进行了大量研究，意在认识网壳无征兆失稳破坏的规律，进 而能合理设计网壳以避免出现这样的灾变。但是，目前网壳研究是亟待解决的问题，基于 各种理论的定性分析和定量的数值模拟分析需要实验模型的验证才能确认其正确性以及 精度等，而足尺试验不可行，局部模型试验又不能完全反映结构工作性能。所以，人们期 待能与足尺工作性能一致的缩尺模型、来进行结构实验分析研究。目前，球面网壳模型 制作方法存在以下缺点：多采用焊接技术，体积较大，模型节点较少，只能在实验室内部 组装，需要吊车配合才能移动，且模型的制作过程中，需要花费大量的人力财力。特别 是，由于网壳结构的特有构造，缩尺模型需要反映足尺网壳结构的真实工作行为，因此对 模型的设计和制作工艺提出了特有的要求，目前国内未见这样模型的制作先例。

发明内容

本发明为解决现有球面网壳模型制作方法制作的实验模型体积较大、模型节点较少， 且模型制作过程中需要花费大量的人力财力的问题，进而提出一种孔洞胶接节点装配式单 层球面网壳模型制作方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述孔洞胶接节点装配式单层球面 网壳模型包括底板、多个圆柱体节点和多个连接杆件，多个圆柱体节点呈半球面分布设置， 相邻两个圆柱体节点通过连接杆件固定连接，多个圆柱体节点与多个连接杆件形成网状半 球面，所述网状半球面的开口端固定安装在底板的上表面上，本发明所述一种孔洞胶接节 点装配式单层球面网壳模型制作方法的具体步骤如下：

步骤一、根据实际需要确定球面网壳模型的跨度、矢跨比、每个连接杆件的材料、截 面尺寸、每个圆柱体节点尺寸；

步骤二、对连接杆件在拉力机上做三组材性实验，测出连接杆件的弹性模量和切线刚 度；

步骤三、应用有限元软件对球面网壳模型进行有限元建模，根据有限元模型对球面网 壳模型中的圆柱体节点进行编号，并计算相邻两个圆柱体节点之间连接杆件的长度，每个 连接杆件在动荷载作用下倒塌时的最大轴力，每个连接杆件与相对应的圆柱体节点胶结后 的轴力，每个圆柱体节点的环向角度和纵向角度；

设相邻三个圆柱体节点的编号为i，j，k，则编号为i的圆柱体节点的坐标为 (x_i，y_i，z_i)、编号为j的圆柱体节点的坐标为(x_j，y_j，z_j)、编号为k的圆柱体节点的坐 标为(x_k，y_k，z_k)，

a)、计算编号为i的圆柱体节点与编号为j的圆柱体节点之间连接杆件的长度L_ij：

$L_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2+{(z_i-z_j)}^2}$①

b)、计算球面网壳模型在动荷载作用下倒塌时连接杆件的最大轴力N₁和圆柱体节点 与连接杆件胶结后连接杆件的轴力N₂：

N₁＝σ_maxN·S₁②

③

公式②和③中，σ_maxN表示动力反应的球面网壳模型连接杆件的最大轴向应力，S₁表示 连接杆件的横截面积，τ表示J39胶的抗剪强度，l表示连接杆件横截面的外圆的周长， d表示连接杆件横截面外圆的直径，h表示连接杆件插入圆柱体节点的深度；

c)、计算编号为i的圆柱体节点与编号为j的圆柱体节点和编号为k的圆柱体节点之 间的环向角度α：

$\alpha =\arccos \frac{b^2+c^2-a^2}{2\mathrm{bc}}$④

公式④中a表示编号为j的圆柱体节点与编号为k的圆柱体节点之间的距离，且 b表示编号为i的圆柱体节点与编号为j的圆柱体节点之间 的距离，且c表示编号为i的圆柱体节点与编号为k的圆柱 体节点之间的距离，且$c=\sqrt{{(x_i-x_k)}^2+{(y_i-y_k)}^2};$

d)、计算编号为i的圆柱体节点与编号为k的圆柱体节点之间的纵向角度β：

$\beta =\arccos \frac{\mathrm{hik}}{\mathrm{lik}}$⑤

公式⑤中hik表示编号为i的圆柱体节点与编号为k的圆柱体节点之间的距离，且 hik＝z_i-z_k；lik表示编号为i的圆柱体节点与编号为k的圆柱体节点之间在垂直方向上 的距离，且$\mathrm{lik}=\sqrt{{(x_i-x_k)}^2+{(y_i-y_k)}^2+{(z_i-z_k)}^2};$

步骤四、根据已计算出的圆柱体节点的纵向角度，利用激光切割机切割相应角度的垫 块，垫在圆柱体节点的侧面；

步骤五、固定圆柱体节点，应用电火花穿孔机固定试件装置、环向角度控制贴片及角 度控制垫块，将圆柱体节点固定；

步骤六、利用电火花穿孔机，对圆柱体节点进行打孔；

步骤七、重复步骤四至步骤八，直至将每个圆柱体节点上的所有孔制作完成；

步骤八、组装网壳，具体步骤为：

步骤八(一)、对连接杆件的端部进行打磨；

步骤八(二)、在每个连接杆件的端部涂抹J39胶，然后将每个连接杆件插入相应的 圆柱体节点上的孔洞内；

步骤八(三)、按顺序组装球面网壳实体模型。

本发明的有益效果是：本发明的制作过程简便，节省大量人力和财力，且制作的球 面网壳模型体积小、移动方便，可以在简易的小振动台上测试网壳模型的动力工作性能， 实验周期短，实验过程可以自由控制，

附图说明

图1是孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型的俯视图，图2是编号为i，j，k的 三个圆柱体节点的结构示意图，图2中α表示编号为i的圆柱体节点与编号为j的圆柱体 节点和编号为k的圆柱体节点之间的环向角度，图3是编号为i的圆柱体节点和编号为k的 圆柱体节点的空间位置关系图，图3中β表示编号为i的圆柱体节点与编号为k的圆柱体 节点之间的纵向角度。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种孔洞 胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法，所述装配式钻眼胶结单层球面网壳模型包括 底板1、多个圆柱体节点2和多个连接杆件3，多个圆柱体节点2呈半球面分布设置，相 邻两个圆柱体节点2通过连接杆件3固定连接，多个圆柱体节点2与多个连接杆件3形成 网状半球面，所述网状半球面的开口端固定安装在底板1的上表面上，所述一种孔洞胶接 节点装配式单层球面网壳模型制作方法的具体步骤如下：

步骤一、根据实际需要确定球面网壳模型的跨度、矢跨比、每个连接杆件3的材料、 截面尺寸、每个圆柱体节点2尺寸；

步骤二、对连接杆件3在拉力机上做三组材性实验，测出连接杆件3的弹性模量和切 线刚度；

步骤三、应用有限元软件对球面网壳模型进行有限元建模，根据有限元模型对球面网 壳模型中的圆柱体节点2进行编号，并计算相邻两个圆柱体节点2之间连接杆件3的长度， 每个连接杆件3在动荷载作用下倒塌时的最大轴力，每个连接杆件3与相对应的圆柱体节 点2胶结后的轴力，每个圆柱体节点2的环向角度和纵向角度；

设相邻三个圆柱体节点2的编号为i，j，k，则编号为i的圆柱体节点2的坐标为 (x_i，y_i，z_i)、编号为j的圆柱体节点2的坐标为(x_j，y_j，z_j)、编号为k的圆柱体节点2 的坐标为(x_k，y_k，z_k)，

a)、计算编号为i的圆柱体节点2与编号为j的圆柱体节点2之间连接杆件(3)的长 度L_ij：

$L_{\mathrm{ij}}=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2+{(z_i-z_j)}^2}$①

b)、计算球面网壳模型在动荷载作用下倒塌时连接杆件3的最大轴力N₁和圆柱体节 点2与连接杆件3胶结后连接杆件3的轴力N₂：

N₁＝σ_maxN·S₁②

③

公式②和③中，σ_maxN表示动力反应的球面网壳模型连接杆件3的最大轴向应力，S₁表 示连接杆件3的横截面积，τ表示J39胶的抗剪强度，l表示连接杆件3横截面的外圆的 周长，d表示连接杆件3横截面外圆的直径，h表示连接杆件3插入圆柱体节点2的深 度；

c)、计算编号为i的圆柱体节点2与编号为j的圆柱体节点2和编号为k的圆柱体节 点2之间的环向角度α：

$\alpha =\arccos \frac{b^2+c^2-a^2}{2\mathrm{bc}}$④

公式④中a表示编号为j的圆柱体节点2与编号为k的圆柱体节点2之间的距离，且 b表示编号为i的圆柱体节点2与编号为j的圆柱体节点2 之间的距离，且c表示编号为i的圆柱体节点2与编号为k的 圆柱体节点2之间的距离，且$c=\sqrt{{(x_i-x_k)}^2+{(y_i-y_k)}^2};$

d)、计算编号为i的圆柱体节点2与编号为k的圆柱体节点2之间的纵向角度β：

$\beta =\arccos \frac{\mathrm{hik}}{\mathrm{lik}}$⑤

公式⑤中hik表示编号为i的圆柱体节点2与编号为k的圆柱体节点2之间的距离，且 hik＝z_i-z_k；lik表示编号为i的圆柱体节点2与编号为k的圆柱体节点2之间在垂直方 向上的距离，且$\mathrm{lik}=\sqrt{{(x_i-x_k)}^2+{(y_i-y_k)}^2+{(z_i-z_k)}^2};$

步骤四、根据已计算出的圆柱体节点2的纵向角度，利用激光切割机切割相应角度的 垫块，垫在圆柱体节点2的侧面；

步骤五、固定圆柱体节点2，应用电火花穿孔机固定试件装置、环向角度控制贴片及 角度控制垫块，将圆柱体节点2固定；

步骤六、利用电火花穿孔机，对圆柱体节点2进行打孔；

步骤七、重复步骤四至步骤八，直至将每个圆柱体节点2上的所有孔制作完成；

步骤八、组装网壳，具体步骤为：

步骤八(一)、对连接杆件3的端部进行打磨；

步骤八(二)、在每个连接杆件3的端部涂抹J39胶，然后将每个连接杆件3插入相 应的圆柱体节点2上的孔洞内；

步骤八(三)、按顺序组装球面网壳实体模型。

本实施方式中J39胶是黑龙江省石油化学研究院生产的J39室温快速固化胶粘剂。

本实施方式中步骤三中以球面网壳模型的球心为坐标原点建立三维坐标系。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种孔洞胶接节点装 配式单层球面网壳模型制作方法的步骤六中利用电火花穿孔机对圆柱体节点2进行打孔 前，先根据连接杆件3的外径确定电火花机电极丝的外径；然后根据圆柱体节点2上的孔 洞深度及电极丝损率，确定电极丝行进距离。其他组成及连接关系与具体实施方式一相同。