裝備儲運用的大空間金屬球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適合于裝備儲運的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，屬于土木工程力學和機械工程領(lǐng)域。這種金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是以32面體變體平面基元為基礎(chǔ)，經(jīng)過向球面拓撲映射變換得到空間球面節(jié)點位置。球冠形網(wǎng)殼棚板結(jié)構(gòu)由主體節(jié)點座與基底節(jié)點座，活節(jié)連接桿件和泡沫金屬薄型棚板構(gòu)成，節(jié)點座與活節(jié)連接桿件采用螺紋聯(lián)接，實現(xiàn)便捷精確安裝?；旱啄_螺栓通過基底節(jié)點座的錨孔板將整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)緊固在基梁與地面基礎(chǔ)上，提高了球冠形網(wǎng)殼承受各向外荷載的性能。本發(fā)明現(xiàn)場安裝可從地面架設開始，順次向上連接，也可利用液壓頂升機支撐頂部網(wǎng)殼，自上而下順次外擴安裝，施工十分便捷，可作為大型工程施工與裝備儲運和應急搶險救災中心使用。
【專利說明】裝備儲運用的大空間金屬球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是基于拓撲學、空間幾何和桿系結(jié)構(gòu)建立的六邊形構(gòu)型金屬球冠形網(wǎng)殼理論設計方法與結(jié)構(gòu)構(gòu)造技術(shù)，屬于土木工程力學和機械工程學領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有自由空間大內(nèi)支撐少的特點,適合于存放大型機械裝備并能滿足大回轉(zhuǎn)半徑車輛機動的要求。大型展覽會館和大跨度體育場館設施的球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，例如加拿大蒙特利爾展覽會館(圖1)和加拿大魁北克市公園的大跨度球形雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(圖2)，是大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的經(jīng)典實例。
[0003]以色列學者Hanaor提出了一種基于球弧20面體等弧細分理論具有三角形構(gòu)型的單層網(wǎng)殼構(gòu)建方法(圖3)，并獲得了大量的應用。但是這種方法由于沒有進行進一步拓撲優(yōu)化，造成設計計算繁復，結(jié)構(gòu)節(jié)點桿件種類過多；同時該方法構(gòu)件的單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件均采用焊接工藝連接，施工周期長，焊接質(zhì)量和精度無法保證，無法在野外大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中直接使用。
[0004]當前許多大型裝備的檢測維修、物資儲運、搶險救災和醫(yī)療救助，需要在野外風雪暴雨條件下進行，需要滿足施工迅速穩(wěn)定可靠的要求，而采用上述焊接工藝修建方法，施工安裝過程復雜，工期過長，成本很高，且現(xiàn)場焊接質(zhì)量也難于保證。此外半球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的矢高與球面半徑相等，而在很多時候(如搶險救災、醫(yī)療救助)并不需要較大的高度，若仍采用半球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)就會造成空間和材料的浪費，同時增大結(jié)構(gòu)的受風面積，使得設計成本和施工成本增加。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種適合于裝備儲運的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(圖4)。這種金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法是從拓撲學和空間幾何基礎(chǔ)理論出發(fā)，以球形32面體變體為基礎(chǔ)，建立六邊形平面基元，選擇特定網(wǎng)格細分參數(shù)，經(jīng)過網(wǎng)格節(jié)點向球面進行拓撲映射變換，獲得單層球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明提出的一種適合于裝備儲運的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，旨在提供一種矢高小于球面半徑、具有大跨度、安裝便捷的裝配式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。可以作為快速構(gòu)建大跨度裝備維修間、裝備儲存庫、救災醫(yī)療中心與物資中心使用。
[0007]本發(fā)明提出的裝備儲運用的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)含有球冠網(wǎng)殼1，主體節(jié)點座和基底節(jié)點座2，活節(jié)連接桿件3，以及作為屋面的泡沫金屬薄型棚板；所述節(jié)點座2中的每個節(jié)點座的三個接頭與三根活節(jié)桿件相連；其中基底節(jié)點座一個桿接頭4指向斜上方，另外兩個水平弦向接頭5指向基底水平面弦線方向；指向斜上方的桿接頭方向在子午面內(nèi)單獨向內(nèi)傾斜或呈對稱側(cè)斜形式布置；節(jié)點座2上布置有吊裝緊固螺孔7和棚板傳力承臺8 ;棚板緊固螺孔9位于棚板傳力承臺8上，用于緊固棚板和壓膠防水；基底節(jié)點圓底座10位于基梁上，采用底腳螺栓通過地腳螺栓錨孔6將整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)緊固在基梁與地面基礎(chǔ)上，使球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)總體穩(wěn)定。
[0008]本發(fā)明提出的裝備儲運用的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于，所述構(gòu)建方法的主體網(wǎng)殼是由32面體變體建立的平面基元，進行正六邊形網(wǎng)格細分，并經(jīng)網(wǎng)格節(jié)點向球面進行拓撲映射得到球形網(wǎng)殼，再根據(jù)給出的球冠球面直徑和矢高比，采用平面環(huán)形切割法使球冠基底平面過球面上部五邊形的下角點，調(diào)整鄰近節(jié)點結(jié)構(gòu)，使之落在基底平面圓內(nèi)接多邊形及其鄰域，最終構(gòu)建成所需的球冠型棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；該構(gòu)件方式具體步驟為:
[0009]2.1構(gòu)建組合32面體變體，建立六邊形平面基元，對于沿角展開和沿邊展開兩類平面基元，選定其適宜邊長比M ；
[0010]2.2將基元六邊形進行正六邊形細分，自球心過諸細分節(jié)點向球面進行拓撲映射變換，并在球面上使節(jié)點彼此兩兩相連并與五邊形角點對應相連，求出球面基元節(jié)點與角點坐標和相應邊長；
[0011]2.3選擇過球形主體網(wǎng)殼上部五邊形角點或次下角點，進行平面緯線環(huán)向切割，調(diào)整切面附近各節(jié)點位置和連接線方向，使節(jié)點落在相應圓內(nèi)接多邊形圓周上或其鄰域，并使構(gòu)建基底特殊多邊形構(gòu)型和主體六邊形構(gòu)型相適配。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點主要有:⑴以節(jié)點接頭和活節(jié)直桿桿件兩類部件作為構(gòu)成網(wǎng)殼單元的零部件，采用方便靈活的螺紋連接取代焊接工藝，精度高，安裝迅速便捷，可顯著提高施工作業(yè)速度；(2)球冠形網(wǎng)殼矢高小于球面半徑，可在滿足跨度要求的同時節(jié)約上部空間，減少設計和施工成本；(3)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安裝架設可以從地面節(jié)點座和活節(jié)桿件連接開始，順次的向上連接，使現(xiàn)場網(wǎng)殼施工十分便捷快速；(4)采用提供的網(wǎng)殼基底節(jié)點構(gòu)造和錨栓接地方法牢固穩(wěn)定，提高了金屬網(wǎng)殼抗強風暴雪性能；(5)跨度可以分級調(diào)節(jié)變化，經(jīng)過結(jié)構(gòu)拓撲設計優(yōu)化，各型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點座和連接桿種類少，便于快速安裝；(6)根據(jù)本發(fā)明的方法選取多邊形構(gòu)型42面體、92面體、162面體、252面體、362面體結(jié)構(gòu)等，可以構(gòu)建出大跨度單層球冠型棚板網(wǎng)殼系列。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為加拿大蒙特利爾會展中心(球面三角形構(gòu)型單層網(wǎng)殼)；
[0014]圖2為加拿大魁北克市公園(球面三角形構(gòu)型雙層網(wǎng)殼)；
[0015]圖3為Hanaor20面體三角形構(gòu)型測地投影法生成球形網(wǎng)殼；
[0016]圖4為本發(fā)明中162面體球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；
[0017]圖5為本發(fā)明中32面體球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點桿件連接安裝三維投影；
[0018]圖6為本發(fā)明中42面體球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點桿件連接安裝三維投影，1-球冠網(wǎng)殼，2-主體節(jié)點座和基底節(jié)點座，3-活節(jié)連接桿件:
[0019]圖7為本發(fā)明中42面體球冠形棚板網(wǎng)殼節(jié)點桿件連接安裝立面投影；
[0020]圖8為本發(fā)明中42面體球冠形棚板網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)三維實體投影，11-北緯環(huán)切面形成球冠:
[0021]圖9為本發(fā)明中92面體球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)三維立面實體投影；
[0022]圖10為本發(fā)明中92面體球冠形棚板網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)三維實體投影，11-北緯環(huán)切面形成球冠；[0023]圖11為本發(fā)明中162面體球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)三維立面實體投影；
[0024]圖12為本發(fā)明中162面體球冠形棚板網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)三維實體投影，11-北緯環(huán)切面形成球冠；
[0025]圖13為本發(fā)明中252面體球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)三維立面實體投影；
[0026]圖14為本發(fā)明中252面體球冠形棚板網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)三維實體投影，11-北緯環(huán)切面形成球冠:
[0027]圖15為本發(fā)明中362面體球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)三維立面實體投影；
[0028]圖16為本發(fā)明中362面體球冠形棚板網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)三維實體投影，11-北緯環(huán)切面形成球冠；
[0029]圖17為本發(fā)明中球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主體節(jié)點座與活節(jié)桿件連接安裝，2-主體節(jié)點座和基底節(jié)點座，3-活節(jié)桿件:
[0030]圖18為本發(fā)明中球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)基底正傾斜節(jié)點座，4-上斜指向桿接頭，5-水平弦向接頭，6-地腳螺栓錨孔，7-吊裝緊固螺孔，8-棚板傳力承臺，9-棚板緊固螺孔，10-基底節(jié)點圓底座；
[0031]圖19為本發(fā)明中球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的對稱型傾斜基底節(jié)點座構(gòu)造。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖4?18，詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0033]適合于裝備儲運的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，該球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)含有:球冠形主體網(wǎng)殼I和泡沫金屬薄型棚板。所述球冠形主體網(wǎng)殼I是由主體節(jié)點座和基底節(jié)點座2，活節(jié)連接桿件3構(gòu)成，兩者采用螺紋連接。其拓撲形狀是以32面體為基礎(chǔ)建立平面基元，并進行正六邊形網(wǎng)格細分，選擇特定網(wǎng)格細分參數(shù)，經(jīng)過網(wǎng)格節(jié)點向球面進行拓撲映射變換得到。
[0034]在球冠形主體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接設計中，每個主體節(jié)點座2的接頭與三根活節(jié)連接桿件3相連，皆指向球面弦線方向；網(wǎng)殼基底節(jié)點座2的一個桿接頭指向球面弦線方向，另外兩個接頭指向網(wǎng)殼相切水平面上底梁圓周弦線方向，同相應活節(jié)連桿相連；在接地基底節(jié)點座2下部接頭外法線方向上，設置有水平錨孔板，設置底腳錨桿通過錨孔將半球網(wǎng)殼牢固地固定在基梁與地面基礎(chǔ)上，提高了半球形網(wǎng)殼抗強風暴雪的性能。所述活節(jié)連接桿件采用冷軋鋁或鋁合金管進行加工；所述各種節(jié)點座采用優(yōu)質(zhì)高碳鋼材料熔模精密鑄造進行加工，并進行鍍鋅防銹。
[0035]在球冠形金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的棚板構(gòu)造中，采用薄鋁板包邊內(nèi)置2厘米厚泡沫鋁進行設計。
[0036]在球冠形金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場施工中，結(jié)構(gòu)安裝可以從地面環(huán)形基梁及其基礎(chǔ)開始，架設基底節(jié)點座，連接兩側(cè)活節(jié)連桿，順次向上連接活節(jié)連桿和第二層節(jié)點，直到球冠頂部；也可以先行連接頂部五邊形及其相鄰六邊形網(wǎng)殼，利用行程2米的液壓頂升機支撐頂部網(wǎng)架，自上而下順次外擴接桿，以安裝全部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)到基底。由于施工工作人員始終在地面操作安裝，使得安裝施工十分安全便捷。
[0037]本發(fā)明的【具體實施方式】分為單層多邊形構(gòu)型金屬球冠形網(wǎng)殼拓撲結(jié)構(gòu)設計方法，多邊形構(gòu)型網(wǎng)殼節(jié)點棚板構(gòu)造設計和快速安裝工藝三個方面。[0038]1、構(gòu)建六邊形構(gòu)型球形網(wǎng)殼
[0039]I)構(gòu)建組合32面體變體，建立六邊形平面基元，對于沿角展開和沿邊展開兩類平面基元，選定其適宜邊長比M ；
[0040]2)將基元六邊形進行正六邊形細分，自球心過諸細分節(jié)點向球面進行拓撲映射變換，并在球面上使節(jié)點彼此兩兩相連并與五邊形角點對應相連，求出球面基元節(jié)點與角點坐標和相應邊長；
[0041]3)選擇過球形主體網(wǎng)殼上部五邊形角點或次下角點，進行平面緯線環(huán)向切割，調(diào)整切面附近各節(jié)點位置和連接線方向，使節(jié)點落在相應圓內(nèi)接多邊形圓周上或其鄰域，并使構(gòu)建基底特殊多邊形構(gòu)型和主體六邊形構(gòu)型相適配，從而完成基底拓撲結(jié)構(gòu)設計和總體結(jié)構(gòu)設計。
[0042]六邊形構(gòu)型球形網(wǎng)殼是由基元平面六邊形細分演化得到的。規(guī)則六邊形構(gòu)型球形網(wǎng)殼具有鏡像對稱和中心對稱，例如規(guī)則32面體球形網(wǎng)殼當選取過北緯五邊形下角點進行球冠形切割時，在基底平面圓周上可獲得十邊形。如圖5所示。
[0043]根據(jù)球形網(wǎng)殼構(gòu)建方法獲得六邊形構(gòu)型32面體(圖5)、42面體(圖6、7、8)、92面體(圖9、10)、162面體(圖11、12)、252面體(圖13、14)和362面體(圖15、16)特性，可給出球冠形網(wǎng)殼的主體與基底主要技術(shù)參數(shù)以及球冠形網(wǎng)殼矢高半徑比，以及球形網(wǎng)殼面數(shù)與節(jié)點數(shù)、棱邊數(shù)的關(guān)系。如表1所示。
[0044]表1三角形 構(gòu)型球形網(wǎng)殼主體和球冠基底參數(shù)
[0045]
【權(quán)利要求】
1.裝備儲運用的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)含有球冠網(wǎng)殼(I)，主體節(jié)點座和基底節(jié)點座(2)，活節(jié)連接桿件(3)，以及作為屋面的泡沫金屬薄型棚板；所述節(jié)點座(2)中的每個節(jié)點座的三個接頭與三根活節(jié)桿件相連，對于基底節(jié)點座，其中一個桿接頭(4)指向上方；另外兩個水平弦向接頭(5)指向基底水平面弦線方向；指向上方的桿接頭方向在子午面內(nèi)單獨向內(nèi)傾斜或呈對稱側(cè)斜形式布置；節(jié)點座(2)上布置有吊裝緊固螺孔(7)和棚板傳力承臺(8);棚板緊固螺孔(9)位于棚板傳力承臺(8)上，用于緊固棚板和壓膠防水；基底節(jié)點圓底座(10)位于基梁上，采用底腳螺栓通過地腳螺栓錨孔(6)將整體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)緊固在基梁與地面基礎(chǔ)上，使球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)總體穩(wěn)定。
2.裝備儲運用的大空間金屬球冠形棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于，所述構(gòu)建方法的主體網(wǎng)殼是由32面體變體建立的平面基元，進行正六邊形網(wǎng)格細分，并經(jīng)網(wǎng)格節(jié)點向球面進行拓撲映射得到球形網(wǎng)殼，再根據(jù)給出的球冠球面直徑和矢高比，采用平面環(huán)形切割法使球冠基底平面過球面上部五邊形的下角點，調(diào)整鄰近節(jié)點結(jié)構(gòu)，使之落在基底平面圓內(nèi)接多邊形及其鄰域，最終構(gòu)建成所需的球冠型棚板網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；該構(gòu)件方式具體步驟為: 2.1構(gòu)建組合32面體變體，建立六邊形平面基元，對于沿角展開和沿邊展開兩類平面基元，選定其適宜邊長比M ； 2.2將基元六邊形進行正六邊形細分，自球心過諸細分節(jié)點向球面進行拓撲映射變換，并在球面上使節(jié)點彼此兩兩相連并與五邊形角點對應相連，求出球面基元節(jié)點與角點坐標和相應邊長； 2.3選擇過球形主體網(wǎng)殼上部五邊形角點或次下角點，進行平面緯線環(huán)向切割，調(diào)整切面附近各節(jié)點位置和連接線方向，使節(jié)點落在相應圓內(nèi)接多邊形圓周上或其鄰域，并使構(gòu)建基底特殊多邊形構(gòu)型和主體六邊形構(gòu)型相適配。
【文檔編號】E04B7/10GK103938720SQ201410198807
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】周豐峻, 周麗, 周廣恩, 董宏曉, 梁醒培, 孫學濤 申請人:周豐峻, 周麗, 周廣恩