本實(shí)用新型屬于空間結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，特別是涉及一種折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其主要應(yīng)用在體育館、展覽館、候機(jī)大廳等需要大空間、大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)中。
背景技術(shù)：
單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是目前常用的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式之一，具有外形優(yōu)美、構(gòu)件少、受力合理、用鋼量低、視覺(jué)通透等優(yōu)點(diǎn)。
單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的主要形式有：?jiǎn)涡睏U型、弗普爾型、雙斜桿型、聯(lián)方型、三向網(wǎng)格型、米字網(wǎng)格型六種。單斜桿型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在制作時(shí)，首先沿曲線劃分等弧長(zhǎng)，通過(guò)曲線等分點(diǎn)作平行縱向直線。再將直線等分，作平行于曲線的橫線，形成方格，對(duì)每個(gè)方格加斜桿，即形成單斜桿型；弗普爾型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是在單斜桿型基礎(chǔ)上將斜桿布置成人字形，也稱為人字形柱面網(wǎng)殼；雙斜桿型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是將方格內(nèi)設(shè)置成交叉斜桿，以提高網(wǎng)殼的剛度；聯(lián)方型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件組成菱形網(wǎng)格，桿件夾角30～50度之間。三向網(wǎng)格型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可理解為聯(lián)方網(wǎng)格上加縱向桿件，使菱形變?yōu)槿切?。米字網(wǎng)格型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)就是將雙斜桿布置成米字形。單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)突出，兼有桿系結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、薄殼結(jié)構(gòu)受力合理的特點(diǎn)，因而是一類跨越能力大、剛度好、制作方便、有廣闊應(yīng)用和發(fā)展前景的大跨度空間結(jié)構(gòu)。
但單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)也具有明顯的缺點(diǎn)，主要是單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼“薄膜”作為受力對(duì)象，即大部分載荷產(chǎn)生的作用力沿網(wǎng)殼“薄膜”桿件的軸向力傳遞，因此其整體結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定、穩(wěn)定承載能力低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型目的是為解決現(xiàn)有單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)豎向抗彎剛度小、穩(wěn)定承重能力低的問(wèn)題而提出了一種抗彎剛度、穩(wěn)定承載能力高的折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型為解決上述問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：一種折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)第一鋼拱架、第二鋼拱架，所述第一鋼拱架所在平面與第二鋼拱架所在平面相平行，與所述第一鋼拱架所在平面或第二鋼拱架所在平面相垂直的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，所述第一鋼拱架與第二鋼拱架沿著長(zhǎng)度方向等間隔交替布置，所述多個(gè)第一鋼拱架的高度相同，所述多個(gè)第二鋼拱架的高度相同且低于第一鋼拱架的高度，在相鄰的第一鋼拱架與第二鋼拱架之間均焊接有多個(gè)加強(qiáng)筋。
進(jìn)一步，所述多個(gè)加強(qiáng)筋包括多個(gè)橫向加強(qiáng)筋和多個(gè)斜向加強(qiáng)筋，所述多個(gè)橫向加強(qiáng)筋均與長(zhǎng)度方向平行且沿著第一鋼拱架的弧線方向或第二鋼拱架的弧線方向均勻分布，在兩個(gè)相鄰橫向加強(qiáng)筋之間均焊接有斜向加強(qiáng)筋。
進(jìn)一步，所述橫向加強(qiáng)筋和斜向加強(qiáng)筋均焊接在相對(duì)應(yīng)的第一鋼拱架或第二鋼拱架上。
本單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)采用沿著長(zhǎng)度方向具有上下折線型結(jié)構(gòu)的原理分析：
（1）抗彎原理方面，采用上下折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)將平面折疊，相當(dāng)于增加了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的等效厚度，由于抗彎剛度與等效厚度的三次方成正比，因此，折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗彎剛度大、豎向剛度大。另一方面，現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種形效結(jié)構(gòu)，構(gòu)件主要受軸力作用，受力合理，而本折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是平面體系以受彎為主，軸力為輔，既保留了現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)，因此本折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)從構(gòu)成原理來(lái)看更加科學(xué)，結(jié)構(gòu)受力性能也更優(yōu)越。
（2）承重原理方面，一方面，本折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在同樣的外荷載作用下，與現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比，其豎向最大位移可減小幾倍、穩(wěn)定承載力可大大提高十幾倍；另一方面，現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的適用跨度較小，而本折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的跨度范圍較大，而且對(duì)對(duì)初始幾何缺陷的敏感性也明顯低于現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步描述。
如圖1所示，本實(shí)用新型包括第一鋼拱架2、第二鋼拱架1，所述第一鋼拱架2所在平面與第二鋼拱架1所在平面相平行，與所述第一鋼拱架2所在平面或第二鋼拱架1所在平面相垂直的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向A，所述第一鋼拱架2與第二鋼拱架1沿著長(zhǎng)度方向A等間隔交替布置，所述多個(gè)第一鋼拱架2的高度相同，所述多個(gè)第二鋼拱架1的高度相同且低于第一鋼拱架2的高度從而使單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)沿著長(zhǎng)度方向A具有上下折線型結(jié)構(gòu)，在相鄰的第一鋼拱架2與第二鋼拱架1之間均焊接有多個(gè)加強(qiáng)筋。
所述多個(gè)加強(qiáng)筋包括多個(gè)橫向加強(qiáng)筋3和多個(gè)斜向加強(qiáng)筋4，所述多個(gè)橫向加強(qiáng)筋3均與長(zhǎng)度方向A平行且沿著第一鋼拱架2的弧線方向或第二鋼拱架1的弧線方向均勻分布，在兩個(gè)相鄰橫向加強(qiáng)筋3之間均焊接有斜向加強(qiáng)筋4；所述橫向加強(qiáng)筋3和斜向加強(qiáng)筋4均焊接在相對(duì)應(yīng)的第一鋼拱架2或第二鋼拱架1上。
如圖1所示，為本實(shí)用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖，為了進(jìn)一步研究其性能進(jìn)行建模模擬實(shí)驗(yàn)如下：本結(jié)構(gòu)位于非抗震區(qū)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范考慮受到的荷載有靜荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和溫度作用。起控制作用的工況為1.2靜荷載+1.4活荷載，其中靜荷載1.1kN/m2，計(jì)算機(jī)自動(dòng)形成結(jié)構(gòu)自重，活荷載0.5kN/m2。
采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析軟件MstCAD進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入通用有限元軟件ANSYS中進(jìn)行穩(wěn)定性分析。材料均采用Q235鋼材，彈性模量為2.06×1011MPa，抗拉強(qiáng)度215MPa。為了對(duì)比，采用相同條件下相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。
經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，加強(qiáng)筋統(tǒng)一采用直徑140mm，壁厚4mm的圓管。本折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為5mm，加強(qiáng)筋用鋼量1.132噸，最大單元應(yīng)力79.1Mpa。導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行特征值屈曲分析，臨界荷載屈曲系數(shù)27.050，失穩(wěn)方式是最邊緣的局部失穩(wěn)。
對(duì)應(yīng)現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大豎向位移22.3mm，加強(qiáng)筋用鋼量1.041噸，最大單元應(yīng)力112.5Mpa。導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行特征值屈曲分析，臨界荷載屈曲系1.846，失穩(wěn)方式是整體塌陷失穩(wěn)。
由分析結(jié)果可知，本折線型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)比現(xiàn)有柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)用鋼量增加了8%，但豎向剛度提高至4.46倍，穩(wěn)定臨界荷載提高到14.65倍。
本實(shí)施例并非對(duì)本實(shí)用新型的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗指所指的裝置或元件必須具有特定的方位、為特定的方位構(gòu)造和操作，因而不能理解為對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)內(nèi)容的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等詞語(yǔ)來(lái)限定零部件的話，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉：“第一”、“第二”的使用僅僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，如沒(méi)有另外聲明，上述詞語(yǔ)并沒(méi)有特殊的含義。
最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，但這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。