專利名稱：一種鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種大跨度鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼。
背景技術(shù)：
近年來，為了滿足建筑使用功能的要求，大跨度空間結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用于工程實踐，比如航站樓、會展中心、收費站、大跨度煤棚等公共和工業(yè)建筑。在眾多結(jié)構(gòu)形式中， 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，兼有桿系結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單和薄殼結(jié)構(gòu)受力合理的特點，具有跨越能力大，剛度好，材料省，桿件結(jié)構(gòu)單一及制作安裝方便等特點。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)于20世紀(jì)50 年代初在我國就有所應(yīng)用，目前已建成大量的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)且多為各地區(qū)標(biāo)志性建筑，如北京國家大劇院、天津體育館、上海萬人體育館等。作為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的一種特殊形式，施威德勒型單層球面網(wǎng)殼上具有經(jīng)向桿、緯向桿和斜桿，其是肋環(huán)型單層球面網(wǎng)殼的改進(jìn)型，設(shè)置斜桿的目的是為了增強網(wǎng)殼的剛度并能承受較大的非對稱荷載。其節(jié)點構(gòu)造簡單，外形美觀，應(yīng)用廣泛。但目前，該結(jié)構(gòu)主要使用鋼材作為桿件的原料，而尚未見到木材應(yīng)用于施威德勒型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的實例或研究報道。在我國，木材是一種資源豐富、生長周期短的可再生材料，經(jīng)簡單加工后就能成為力學(xué)性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)桿件，如將其應(yīng)用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，將拓寬木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域并推進(jìn)綠色環(huán)保建筑的發(fā)展。在力學(xué)性能方面，木材具有較好的抗拉、抗壓和抗彎折強度，是一種天然建材，在古代就已獲得應(yīng)用。但是，木材自然生長過程中形成的生理彎曲及橫紋和豎紋的受力性能差異從一定程度上影響了其力學(xué)性能，限制了其使用范圍。隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)有加工設(shè)備雖能保證加工后木桿件的外形準(zhǔn)確度，但受木結(jié)構(gòu)連接方式的制約，其應(yīng)用范圍一直未能得到拓寬。在木結(jié)構(gòu)連接方面，常見的節(jié)點連接方式為綁扎、榫卯、槽口，節(jié)點連接可靠性相對較低，如今常見于建筑景觀和重要性較低的低層民用建筑。建筑工程應(yīng)用方面，目前大多數(shù)做法是將其粉碎后與其它材料混合制成新型建筑板材，由于摻加了膠合劑，對室內(nèi)環(huán)境或多或少都會帶來一定程度的污染，而直接使用天然木材作為大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的案例并不多見。因此，在低碳環(huán)保綠色建筑理念得到廣泛認(rèn)同的今天，研究并拓寬木結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的意義就顯得非常重大。而如何提高木結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的可靠性，充分發(fā)揮木材力學(xué)性能，采用合理計算手段進(jìn)行木結(jié)構(gòu)設(shè)計，也成為制約木結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域拓寬的關(guān)鍵問題。
發(fā)明內(nèi)容為了解決上述問題，本實用新型的目的在于提供一種抗震性能好、便于施工、安全性高且綠色環(huán)保的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼。為了達(dá)到上述目的，本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼包括多根經(jīng)向桿、多根緯向桿、多根斜桿、多個木桿連接件、多個焊接球節(jié)點、若干個滑動鉸支座和若干個固定鉸支座；其中經(jīng)向桿為鋼管，緯向桿和斜桿為木桿，每根緯向桿和斜桿的兩端分別安裝有一個木桿連接件；帶有木桿連接件的多根緯向桿和多根斜桿利用多個焊接球節(jié)點與多根經(jīng)向桿連接成傳統(tǒng)形狀的施威德勒型單層球面網(wǎng)殼主體；所述的木桿連接件包括鋼套箍、端板、錐頭和箍筋；其中鋼套箍套裝在緯向桿和斜桿的端部外圓周面上；端板安裝在鋼套箍外端面上；錐頭為空心圓臺結(jié)構(gòu)，其上、下底面均呈開口狀，下底面邊緣連接在端板的外部圓周上，上底面邊緣焊接在焊接球節(jié)點上；箍筋纏繞在鋼套箍的外圓周面上，用于將鋼套箍和緯向桿或斜桿箍緊；每個焊接球節(jié)點均為鋼制空心球體；若干個固定鉸支座的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼主體底部的焊接球節(jié)點上，下端固定在結(jié)構(gòu)柱頂部；若干個滑動鉸支座的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼主體底部的其余焊接球節(jié)點上，下端以可移動的方式設(shè)置在結(jié)構(gòu)柱頂部。所述的緯向桿和斜桿的兩端外圓周面上沿其圓周方向相隔距離形成有多道凹槽， 而鋼套箍的內(nèi)圓周面上沿其圓周方向突出形成有多圈能夠分別嵌入在上述多道凹槽內(nèi)的凸緣。本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼具有如下優(yōu)點1)抗震性能好經(jīng)有限元分析軟件計算后發(fā)現(xiàn)，單根木桿件受力狀況和整體結(jié)構(gòu)靜、動力響應(yīng)均滿足設(shè)計和使用要求，且抗震性能得到改善。2、便于施工由于木材密度小，桿件拼接由單個工人即可完成，可降低工人的勞動強度和工作面上的人員密度，利于提高施工質(zhì)量和加快施工速度。3)安全性高經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)，地震作用下鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼豎向變形小于同截面面積的鋼結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼，表明地震作用下鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼對屋面材料破壞小，安全性提高。4)綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性好我國木材資源豐富，選材便利，木材價格低且屬于綠色環(huán)保的可再生資源，因此使用鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢都非常突出。

圖1為本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平面圖。圖2為本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)立體圖。圖3為圖1中A-A向剖視圖。圖4為本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼中連接在緯向桿或斜桿端部的木桿連接件結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼中焊接球節(jié)點部位結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1-圖5所示，本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼包括多根經(jīng)向桿1、多根緯向桿2、多根斜桿3、多個木桿連接件4、多個焊接球節(jié)點5、若干個滑動鉸支座6和若干個固定鉸支座7 ；其中經(jīng)向桿1為鋼管，緯向桿2和斜桿3為木桿，每根緯向桿2和斜桿3的兩端分別安裝有一個木桿連接件4 ；帶有木桿連接件4的多根緯向桿2和多根斜桿3利用多個焊接球節(jié)點5與多根經(jīng)向桿1連接成傳統(tǒng)形狀的施威德勒型單層球面網(wǎng)殼主體；所述的木桿連接件4包括鋼套箍8、端板9、錐頭10和箍筋11 ；其中鋼套箍8 套裝在緯向桿2和斜桿3的端部外圓周面上；端板9安裝在鋼套箍8外端面上；錐頭10為空心圓臺結(jié)構(gòu)，其上、下底面均呈開口狀，下底面邊緣連接在端板9的外部圓周上，上底面邊緣焊接在焊接球節(jié)點5上；箍筋11纏繞在鋼套箍8的外圓周面上，用于將鋼套箍8和緯向桿2或斜桿3箍緊；每個焊接球節(jié)點5均為鋼制空心球體；若干個固定鉸支座7的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼主體底部的焊接球節(jié)點5上，下端固定在結(jié)構(gòu)柱頂部；若干個滑動鉸支座6的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼主體底部的其余焊接球節(jié)點5上，下端以可移動的方式設(shè)置在結(jié)構(gòu)柱頂部。所述的緯向桿2和斜桿3的兩端外圓周面上沿其圓周方向相隔距離形成有多道凹槽，而鋼套箍8的內(nèi)圓周面上沿其圓周方向突出形成有多圈能夠分別嵌入在上述多道凹槽內(nèi)的凸緣。本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼組裝過程如下首先將鋼套箍8安裝在緯向桿2和斜桿3的外端圓周面上，并使緯向桿2和斜桿3上的凹槽與鋼套箍8上的凸緣對齊并卡緊，用箍筋11纏繞在鋼套箍8的外圓周面上，將鋼套箍8和緯向桿2或斜桿3箍緊，之后將端板9焊接在鋼套箍8的外端面上，然后將錐頭10下底面邊緣焊接在端板9的外端圓周上，將錐頭10上底面邊緣焊接在焊接球節(jié)點5上。多個不同空間角度的木桿連接件4和多根經(jīng)向桿1連接于一個焊接球節(jié)點5上，由此依次連成施威德勒型單層球面網(wǎng)殼主體。再將若干個固定鉸支座7和滑動鉸支座6的上端分別相隔距離安裝在網(wǎng)殼主體底部的焊接球節(jié)點5上，然后將上述固定鉸支座7和滑動鉸支座6的下端分別設(shè)置在結(jié)構(gòu)柱頂部，由此形成鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼。為了檢驗本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼的抗震性能，本申請人用有限元軟件ANSYS比較了相同外觀尺寸和桿件截面面積的本鋼-木混合結(jié)構(gòu)和已有技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼在水平地震EL-CentrO(1940)波作用下 8s內(nèi)的豎向位移最大值，結(jié)果見表1。由表1可見，本鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼在地震作用下的位移變化幅值小于已有技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼，表明本鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼受震害影響相對較小、對屋面材料破壞相對較輕。證明了本實用新型提供的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼抗震性能良好，結(jié)構(gòu)安全可靠。表 1
結(jié)構(gòu)類型最大位移鋼-木結(jié)構(gòu)39. 3mm鋼結(jié)構(gòu)52.2mm
權(quán)利要求1.一種鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼，其特征在于所述的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼包括多根經(jīng)向桿(1)、多根緯向桿O)、多根斜桿(3)、多個木桿連接件G)、多個焊接球節(jié)點(5)、若干個滑動鉸支座(6)和若干個固定鉸支座(7)；其中經(jīng)向桿⑴為鋼管，緯向桿⑵和斜桿⑶為木桿，每根緯向桿⑵和斜桿⑶的兩端分別安裝有一個木桿連接件；帶有木桿連接件(4)的多根緯向桿( 和多根斜桿C3)利用多個焊接球節(jié)點( 與多根經(jīng)向桿(1)連接成施威德勒型單層球面網(wǎng)殼主體；所述的木桿連接件(4)包括鋼套箍(8)、端板(9)、錐頭(10)和箍筋(11)；其中鋼套箍(8)套裝在緯向桿 (2)和斜桿(3)的端部外圓周面上；端板(9)安裝在鋼套箍(8)外端面上；錐頭(10)為空心圓臺結(jié)構(gòu)，其上、下底面均呈開口狀，下底面邊緣連接在端板(9)的外部圓周上，上底面邊緣焊接在焊接球節(jié)點(5)上；箍筋(11)纏繞在鋼套箍(8)的外圓周面上，用于將鋼套箍 (8)和緯向桿( 或斜桿C3)箍緊；每個焊接球節(jié)點( 均為鋼制空心球體；若干個固定鉸支座(7)的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼主體底部的焊接球節(jié)點( 上，下端固定在結(jié)構(gòu)柱頂部；若干個滑動鉸支座(6)的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼主體底部的其余焊接球節(jié)點( 上，下端以可移動的方式設(shè)置在結(jié)構(gòu)柱頂部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼，其特征在于所述的緯向桿( 和斜桿(3)的兩端外圓周面上沿其圓周方向相隔距離形成有多道凹槽，而鋼套箍(8)的內(nèi)圓周面上沿其圓周方向突出形成有多圈能夠分別嵌入在上述多道凹槽內(nèi)的凸緣。
專利摘要一種鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼。其包括多根經(jīng)向桿、多根緯向桿、多根斜桿、多個木桿連接件、多個焊接球節(jié)點、若干個滑動鉸支座和若干個固定鉸支座；經(jīng)向桿為鋼管，緯向桿和斜桿為木桿，每根緯向桿和斜桿的兩端分別安裝有一個木桿連接件；帶有木桿連接件的多根緯向桿和多根斜桿利用多個焊接球節(jié)點與經(jīng)向桿連接成傳統(tǒng)形狀的施威德勒型單層球面網(wǎng)殼主體；若干個固定鉸支座的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼底部的焊接球節(jié)點上；若干個滑動鉸支座的上端相隔距離安裝在單層球面網(wǎng)殼底部的其余焊接球節(jié)點上。本實用新型的鋼-木混合結(jié)構(gòu)施威德勒型單層球面網(wǎng)殼具有自重輕、結(jié)構(gòu)動力性能好、施工簡便、可靠度高、綠色環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點。
文檔編號E04H9/02GK202324184SQ20112038785
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者劉國光, 武志瑋 申請人:中國民航大學(xué)