[發明專利]一種由雙肢板片組合構件構成的自由曲面網殼結構

有效

• 申請號: 202010057260.8
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111206686B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 羅堯治;葛薈斌;萬華平;魏越
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: E04B1/32
• 分類號: E04B1/32
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種由雙肢板片組合構件構成的自由曲面網殼結構，該網殼結構以雙肢板片為主要受力構件，經過結構構型后優化使節點處不同構件相交于同一節點軸線，且節點軸線方向為曲面法線方向，從而以構件的弧線形輪廓擬合自由曲面的造型，形成裝配式單層網殼結構。其中，雙肢板片組合構件通過兩塊弧形金屬分肢板與若干墊板疊合后通過螺栓貫通連接構成，在保留單塊板片加工、運輸、施工優點的同時，有效提高了平面外抗彎剛度。這一結構可以實現高度自由的曲面造型，外形美觀，結構合理，強度可靠，適用性強。

技術領域

本發明涉及一種建筑結構中的新型空間網殼，尤其涉及一種以雙肢板片組合構件組合而成的自由曲面網殼結構，屬于鋼結構領域。

背景技術

近年來，自由曲面網殼結構以大量應用于工程實踐。在空間鋼網殼中，幾乎都采用型鋼作為結構構件，如工字鋼、圓鋼管等。型鋼的加工工藝限制了其在自由曲面造型建筑中的應用：需要將自由連續的曲面離散為多面體造型，用直線的型鋼構件進行擬合，但始終與目標曲面有一定偏差；或者對直線的型鋼構件增加彎弧工序，但彎弧工藝增加了額外的成本及構件變形的誤差。

目前，將單一金屬板片作為自由曲面網殼結構主要受力構件的工程較少。實際上，板片構件在曲面形空間網殼中也有一定的應用前景。其優勢在于：1)鋼板材料可以通過激光切割技術加工為任意曲線輪廓的板片構件，適用于曲面造型結構；2)板片構件加工效率、精度高，適宜于工廠化預制；3)板片構件可以高效堆疊，在儲存、運輸過程中節省大量的空間；4)板片構件截面為規則矩形，節點構造簡單，適宜于裝配式結構。然而，板片構件本身平面外穩定性較弱，組成網殼結構后，容易發生結構的局部失穩問題。

另外，將板片構件作為自由曲面網殼結構的主要構件時，其平面布置方向的選擇關系到結構造型的美觀性和結構受力的合理性。由于自由曲面結構的復雜性，構件的最優布置角度和方式問題仍未得到解決，許多自由曲面結構構件往往采用垂直于地面的布置方法，在曲面曲率變化較大處將形成不合理、不美觀的造型。

本發明為解決板片構件組成的自由曲面網殼結構造型與穩定問題提供了新的方法。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種由雙肢板片組合構件構成的自由曲面網殼結構，它以雙肢組合板片為主要受力構件，通過裝配式節點連接，節點軸線指向曲面法線方向。本發明構造了雙肢板片組合構件(以下簡稱雙肢板片)，有效地改善了構件本身平面外穩定性弱的缺陷；提出了構件布置優化算法，提高了結構構型的美觀性與力學合理性。這種新型空間結構體系可以使用在體育館、博物館等結構的大型屋蓋上，也能用于小型的建筑小品，以及一些特殊功能的結構。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：一種由雙肢板片組合構件構成的自由曲面網殼結構，該結構以弧形雙肢板片組合構件為主要受力構件，所述雙肢板片組合構件通過兩塊鋼板和若干墊板疊合構成，其中鋼板為雙肢板片組合構件的分肢板，經過結構構型優化后使網殼節點處的不同構件相交于同一節點軸線，且節點軸線方向為網殼曲面法線方向，從而以構件的弧線形輪廓擬合網殼自由曲面的造型，形成裝配式單層網殼結構；

進一步地，所述雙肢板片組合構件外層為金屬分肢板，通過激光切割加工為弧形，為構件的主要受力部分；內層為金屬墊板，根據構件承載力的需求，選擇合適的墊板間距與墊板厚度；雙肢板片組合構件的方式可以使兩塊分肢板協同受力，提高構件的整體平面外穩定性。

進一步地，所述雙肢板片組合構件在有限元建模計算時采用等小三層梁單元替代，其中，外層分肢板材料與實際一致，內層墊板材料設置為可忽略不計的材料常數，并根據公式對梁單元橫向剪切剛度進行修正，其中G_t為橫向剪切剛度，EI₁為分肢板的最短無側向支撐段的抗彎剛度，d₀為墊板間凈距；