新型单层球形网壳结构的设计*

□ 范景峰 □ 梅二召 □ 赵战国 □ 余利鹏

1.河南应用技术职业学院 机电工程学院 郑州 450042 2.郑州大学综合设计研究院有限公司 郑州 450002

1 设计背景

近年来,各种体育场、展览馆、艺术院、厂库、娱乐场所等地方的建设都采用各种各样的空间网壳结构,随着技术的发展和科技的进步,大跨度空间网壳结构应用越来越广泛,空间网壳结构的优点为受力均匀、强度大、质量相对较轻以及结构形式多样等[1-2]。在空间网壳结构中,单层球形网壳结构具有广阔的发展空间和应用范围,是最受结构工程师青睐、最受人们欢迎的空间网壳结构之一。单层球形网壳结构不仅外形美观、新颖、奇异,而且还能体现出建筑结构的静动态美,其受力合理,强度刚度大,结构稳定,便于安装,施工工艺性强,有较好的综合经济性[3]。

空间网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构,以杆件为基础,按一定规律组成网格,按壳体结构布置的空间构架,其兼具杆系和壳体的性质。网壳结构包括单层网壳结构、预应力网壳结构、板锥网壳结构、肋环型索承网壳结构、单层叉筒网壳结构等。其中,单层网壳结构在连接点处会安装节点固定板,对连接处进行固定可增加单层网壳结构的牢固性。

文献[4]运用3D3S和midas Gen两种结构设计软件,对单层球形网壳结构设计指标进行模拟分析,得出单层球形网壳结构设计具有很好的稳定性,同时利用ABAQUS有限元分析软件分析单层球形网壳结构节点受力,得出设计的单层球形网壳结构具有可靠的安全储备。文献[5]利用midas Gen软件对球形网壳结构进行特征值屈曲分析和非线性屈曲静力学分析,同时利用ABAQUS软件进行双非线性屈曲分析,得出球冠网壳结构的承载能力略小于球面网壳结构等结论。文献[6]从构件、节点、布置等方面阐明结构设计的理念,采用板片结构装配的木网壳结构精度更高、节点设计更简化、施工更方便、成本更加经济、外形更加优美等。文献[7]对单层球形网壳结构进行整体可靠性分析,建立结构参数模型,模拟真实的受力情况,并对抗力极限状态进行分析,得出现有的设计方法过于保守,单层球形网壳结构可靠性过低,并运用全概率整体可靠度分析方法对现有的设计方法进行修正。目前,多数学者主要研究单层球形网壳结构的受力分析及其稳定性、抗震性等[8]。传统的单层球形网壳结构建造采用杆件组合成半球形结构,通过焊接将杆件连接在一起,然后通过节点固定板进行辅助固定。传统的单层球形网壳结构在制作时,需要多组杆件组合焊接,组装速度慢,费时费力,并且焊接过程中对于在架子上焊接的杆件首先要使用机器或者由人工进行对接固定,然后再通过焊接装置进行组装焊接,效率较低。

新型单层球形网壳结构不仅能够解决传统的单层球形网壳结构需要多组杆件组合焊接,组装速度慢,焊接时需要机器或者人工进行对接固定、效率低的问题,而且具有结构美观、使用寿命长、安装成本低、维修成本低等优势。

2 主体轴结构

利用SolidWorks三维软件建立新型单层球形网壳结构主体轴结构[9],包括网壳结构连接杆、节点固定装置、辅助连接装置,如图1所示。

网壳结构连接杆为长方体结构,两端开设有螺纹孔。节点固定装置整体为圆柱形结构,表面开设有凹槽,并且与网壳结构连接杆相连接。辅助连接装置旋转安装在节点固定装置开设的凹槽内部,节点固定装置通过辅助连接装置与网壳结构连接杆相连接。紧固连接装置滑动安装在节点固定装置内部,节点固定装置与节点固定装置相连接。

3 关键部件

3.1 节点固定装置

节点固定装置主要包括固定柱、紧固螺钉、连接轴、连接圆柱[10],结构如图2所示。固定柱为圆柱形结构,表面开设有凹槽与螺纹孔。紧固螺钉通过固定柱表面开设的螺纹孔与固定柱螺纹连接。

固定柱为圆柱形结构,共有六个凹槽,主要用于固定网壳结构连接杆,安装过程中保证网壳结构连接杆的稳定。紧固螺钉主要用于固定辅助连接装置。连接轴与连接圆柱相连接,连接圆柱分别与连接轴和插接紧固组件连接,保证网壳结构连接杆的稳定性。

3.2 辅助连接装置

辅助连接装置主要包括连接轴、连接圆柱、紧固螺钉[11-12],结构如图3所示。连接轴数量设置为两组,且连接轴顶部与固定柱内壁固定连接。连接圆柱上下端与连接轴转动连接,再一起安装在固定柱表面开设的凹槽内。

网壳结构连接杆插入至辅助连接装置,辅助连接装置旋转安装在节点固定装置内部。在网壳结构连接杆组装成半球形的过程中,拉动网壳结构连接杆可以通过辅助连接装置转动一定角度进行组装,通过辅助连接装置内部设置的紧固连接装置,能够对辅助连接装置进行固定,提高网壳结构连接杆组装后的紧固性。

3.3 紧固连接装置

紧固连接装置主要包括转动丝杆、控制螺母、推动块、插接紧固组件[13-14],结构如图4所示。控制螺母固定安装在转动丝杆顶部,转动丝杆起方便控制转动丝杆转动的作用。紧固连接装置一端为六棱柱结构,另一端为六棱锥结构。推动块中部开设有螺纹孔,且与转动丝杆螺纹连接,转动丝杆旋转能够带动推动块滑动。插接紧固组件滑动安装在固定柱开设的滑槽内。

3.4 插接紧固组件

插接紧固组件包括固定柱、插接板、拉簧,结构如图5所示。插接板整体为T形结构,一端与推动块相接触。插接板插入连接圆柱一端的凹槽内,起到辅助固定连接圆柱的作用。拉簧一端与插接板固定连接,拉簧另一端与固定柱内壁固定连接。

推动块表面的六组插接板向外侧滑动时,插接板表面的拉簧受力伸长。推动块反向滑动时,拉簧由弹力回拉,将插接板收回。将拉簧替换成弹力橡胶块,也能够起到弹性回拉效果。

4 工作原理

对新型单层球形网壳结构工作原理进行介绍[15]。单层球形网壳结构的底座焊接完成后,通过网壳结构连接杆组合焊接,网壳结构连接杆与底座焊接在一起。将固定柱内部的连接圆柱与底焊接后的网壳结构连接杆进行组装,网壳结构连接杆插入连接圆柱内部。由于单层球形网壳结构为半球形结构,因此需要将网壳结构连接杆偏移一定角度后再组装成圆形。转动网壳结构连接杆,带动连接圆柱转动一定角度,通过螺丝刀等工具旋入紧固螺钉。紧固螺钉穿过固定柱,插入网壳结构连接杆的螺纹孔中,形成固定。将其它位置的网壳结构连接杆插入固定柱其它五处凹槽内的连接圆柱内,按一定角度进行固定。插入完成之后,转动控制螺母,控制转动丝杆旋转,通过螺纹带动推动块滑动,进而带动推动块表面的六组插接板向外侧滑动,插接板表面的拉簧受力伸长。推动块反向滑动时,拉簧由弹力回拉,将插接板收回,插入至连接圆柱表面的方形凹槽内,对连接圆柱进行二次固定,可以提高网壳结构的稳固性。不需要对网壳结构连接杆进行焊接,而是通过节点固定装置进行组装,可以提高效率,省时省力,同时也不需要人力或者机器辅助固定对接网壳结构连接杆。

5 结束语

通过对新型单层球形网壳结构关键部件的设计,解决了传统单层球形网壳结构需要多组杆件组合焊接,组装速度慢,焊接时需要机器或者由人工进行对接固定、效率低的问题。

新型单层球形网壳结构通过在装置内部设置节点固定装置和辅助连接装置,直接将网壳结构连接杆插入辅助连接装置,辅助连接装置旋转安装在节点固定装置内部。在网壳结构连接杆组装成单层球形网壳结构的过程中,拉动网壳结构连接杆,可以通过辅助连接装置转动一定角度进行组装。

节点固定装置能够对转动后的网壳结构连接杆进行固定,不需要对网壳结构连接杆进行焊接,并且也不需要人工或者机器对网壳结构连接杆进行辅助对接,节省人力,组装方便快捷。通过在装置内部设置紧固连接装置,能够对辅助连接装置进行固定,提高网壳结构连接杆组装后的紧固性。

通过新型单层球形网壳结构设计,可以为后续更大空间的大跨度单层球形网壳结构的设计提供参考。