專利名稱：多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，更具體地說，涉及多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié) 構(gòu)及其施工方法。
背景技術(shù)：
空間網(wǎng)格將來進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域是可折疊與展開的結(jié)構(gòu)形式。目前的折疊式 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要有兩類。第一類是雙曲面折疊式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，又稱“攀達(dá)穹頂結(jié)構(gòu)”；第二類是 柱面折疊式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。以上兩種形式的基本原理都是通過設(shè)置三道鉸線并臨時(shí)去掉一些環(huán) 向構(gòu)件，使得網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)暫時(shí)變?yōu)橐粋€(gè)幾何可變體系。但是，上述兩種折疊式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)都存在 著缺點(diǎn)。其中，柱面折疊式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的可動(dòng)鉸軸線為一直線，結(jié)構(gòu)在垂直于水平方向具有兩 個(gè)自由度。由于空間上不具有環(huán)箍作用，其側(cè)向剛度較差，特別是在風(fēng)力作用下可能出現(xiàn)搖 晃。攀達(dá)穹頂體系通過設(shè)置三道鉸線由內(nèi)到外將結(jié)構(gòu)分為中央部、中間部和外周部三個(gè)部 分，整個(gè)過程中空間轉(zhuǎn)動(dòng)軸僅為三道平行折線，結(jié)構(gòu)只通過一次頂升到位，結(jié)構(gòu)幾何與本發(fā) 明完全不同，此外，部分攀達(dá)穹頂體系在頂升過程中由于機(jī)構(gòu)形式的破壞而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力， 而且有時(shí)巨大，對結(jié)構(gòu)安全會(huì)造成影響。上述兩類形式的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在地面拼裝時(shí)，拼裝完成 的結(jié)構(gòu)仍具有較大的高度，需要搭設(shè)大量的腳手架等附屬安裝設(shè)備，地面施工仍需要離地 面較高的高度進(jìn)行，經(jīng)濟(jì)及安全方面的存在不足，無法充分體現(xiàn)出折疊結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)越性。

發(fā)明內(nèi)容
為克服目前折疊式網(wǎng)殼的不足，本發(fā)明提供了一種新型的折疊式結(jié)構(gòu)，即多鉸線 頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其施工方法，與攀達(dá)穹頂結(jié)構(gòu)和柱面折疊式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)勢在 于，通過設(shè)置多道鉸線將結(jié)構(gòu)分解成多個(gè)相互之間通過單向鉸節(jié)點(diǎn)連接的結(jié)構(gòu)，可完全發(fā) 揮出折疊網(wǎng)殼的優(yōu)勢，將網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)折疊到離地面很低的位置進(jìn)行施工。整體頂升過程中，空 間轉(zhuǎn)動(dòng)軸為多道平行折線，而在每個(gè)頂升階段，空間轉(zhuǎn)動(dòng)軸都為三道平行折線的形式，確保 頂升過程中只有一個(gè)豎向自由度，側(cè)向穩(wěn)定性較好，可有效抵御風(fēng)荷載和地震荷載等外界 荷載。頂升過程中是完全的機(jī)構(gòu)，對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體性破壞較小，內(nèi)力分布均勻，力流合理?？?在接近于地面的高度上組裝網(wǎng)殼，節(jié)省大量的腳手架，施工簡單，具有可跨越范圍大，施工 安裝便利，工業(yè)化程度高，經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)，可普遍適用于一般的工業(yè)與民用建筑，特別適 用于會(huì)展中心、體育場館、機(jī)場航站樓等大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。本發(fā)明的技術(shù)方案如下多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其施工方法，包括環(huán)向鋼管a、環(huán)向鋼管b、徑向鋼管 a、徑向鋼管b、徑向鋼管C、穿心鋼球、銷軸、單孔鋼塊、單孔耳板、鑄鋼支座、剛性節(jié)點(diǎn)、單向 鉸節(jié)點(diǎn)和單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)。其特征在于，所述的環(huán)向鋼管b與徑向鋼管b通過剛性節(jié) 點(diǎn)連接，組裝成內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)機(jī)構(gòu)，環(huán)向鋼管a與徑向鋼管a通過單向鉸節(jié)點(diǎn)連接內(nèi)圈 小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)，徑向鋼管c與支座通過單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)連接；所述的剛性節(jié)點(diǎn)由穿 心鋼球和鋼管組成，鋼管一端與穿心鋼球焊接連接或螺栓連接，另一端與另外的穿心鋼球焊接連接或螺栓連接；所述的單向鉸接點(diǎn)將多個(gè)需相互拼接的機(jī)構(gòu)、最內(nèi)側(cè)機(jī)構(gòu)與內(nèi)圈小 型網(wǎng)殼分別相互連接；所述的單向鉸接點(diǎn)由穿心鋼球、單孔耳板、銷軸組成，鋼管焊接或者 螺栓連接在穿心鋼球的上端，單孔耳板的上端焊接連接在穿心鋼球的下端，單孔耳板的下 端與另外的單孔耳板下端通過銷軸相互連接；所述的單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)與最外側(cè)機(jī)構(gòu)相 連接；所述的單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)由鋼管、穿心鋼球、單孔鋼塊、鑄鋼支座、銷軸、單孔耳板 組成，穿心鋼球的上端與最外側(cè)機(jī)構(gòu)的鋼管焊接連接，下端與單孔鋼塊焊接連接，單孔鋼塊 通過銷軸與單孔耳板連接，單孔耳板焊接連接在鑄鋼支座的兩側(cè)。所述的單孔耳板的截面為前端帶圓角的梯形截面，近圓角處開孔。所述的單孔鋼塊為實(shí)心鋼塊，由長方體鋼塊和四棱臺(tái)鋼塊或者圓臺(tái)型鋼塊組成， 長方體鋼塊沿長軸方向中心開孔。所述的穿心鋼球在剛性節(jié)點(diǎn)處為球形，在單向鉸節(jié)點(diǎn)處為半球形，穿心鋼球的上 部開孔。所述的環(huán)向鋼管a、環(huán)向鋼管b、徑向鋼管a、徑向鋼管b、徑向鋼管c均為無縫鋼管。所述的多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工方法，其特征是首先安裝不具有自由度的 內(nèi)圈小型網(wǎng)殼，處于該部分的徑向鋼管b和環(huán)向鋼管b通過剛性節(jié)點(diǎn)相互連接，小型網(wǎng)殼周 圈鉸線上暫時(shí)不安裝環(huán)向鋼管a ；其次安裝具有自由度的機(jī)構(gòu)，處于該部分的徑向鋼管b和 環(huán)向鋼管b通過剛性節(jié)點(diǎn)相互連接，在機(jī)構(gòu)周圈鉸線上暫時(shí)不安裝環(huán)向鋼管a ；接著將最內(nèi) 側(cè)的機(jī)構(gòu)通過單向鉸節(jié)點(diǎn)與內(nèi)圈小型網(wǎng)殼拼接；然后沿網(wǎng)殼徑向方向?qū)⒍鄠€(gè)需相耳拼接的 機(jī)構(gòu)通過單向鉸節(jié)點(diǎn)分別相互連接；再將最外側(cè)的機(jī)構(gòu)通過單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)與支座處 連接；最后在內(nèi)圈小型網(wǎng)殼底部部署頂升設(shè)備進(jìn)行頂升。第一次頂升過程中，將包含前三道 鉸線的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼、機(jī)構(gòu)頂升到設(shè)計(jì)高度時(shí)，取消兩道鉸線，即在前兩道鉸線位置安裝環(huán) 向鋼管a，使得包含前三道鉸線的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)成為一個(gè)結(jié)構(gòu)；第二次頂升過程中， 將包含前五道鉸線的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)頂升到設(shè)計(jì)高度時(shí)，然后在前四道鉸線上安裝環(huán) 向鋼管a，使得包含前五道鉸線的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)成為一個(gè)結(jié)構(gòu)；依照這種頂升-安裝
環(huán)向鋼管_再頂升_再安裝環(huán)向鋼管a-再次頂升......的施工辦法重復(fù)進(jìn)行，直到形成
整個(gè)多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明基本結(jié)構(gòu)圖(地面拼裝完成時(shí)的側(cè)視圖)
圖2為本發(fā)明地面拼裝完成時(shí)的俯視圖3為本發(fā)明頂升過程中的側(cè)視圖4為本發(fā)明頂升過程中的俯視圖5為本發(fā)明最終成型時(shí)的側(cè)視圖6為本發(fā)明最終成型時(shí)的俯視圖7為本發(fā)明地面拼裝時(shí)帶有假想鉸線的俯視圖8為剛性節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖9為單向鉸接點(diǎn)構(gòu)造圖10為單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖中1.剛性節(jié)點(diǎn)，2.徑向鋼管a，3.單向鉸節(jié)點(diǎn)，4.單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)，5.穿 心鋼球，6.銷軸，7.單孔耳板，8.鑄鋼支座，9.單孔鋼塊，10.鉸線，11.環(huán)向鋼管a，12.環(huán) 向鋼管b，13.徑向鋼管b，14.徑向鋼管c。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，一種多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)包括剛性節(jié)點(diǎn)1，徑向鋼管a2，單向鉸 節(jié)點(diǎn)3，單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)4，穿心鋼球5，銷軸6，單孔耳板7，鑄鋼支座8，單孔鋼塊9，鉸 線10，環(huán)向鋼管all，環(huán)向鋼管bl2，徑向鋼管bl3，和徑向鋼管cl4。首先分別組裝成內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)將環(huán)向鋼管bl2和徑向鋼管bl3與穿心鋼 球5焊接連接或螺栓連接，形成剛性節(jié)點(diǎn)1的連接形式，如圖8所示。其次將內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)相連將環(huán)向鋼管all和徑向鋼管a2焊接或者螺栓連 接于穿心鋼球5，單孔耳板7的上端焊接連接在穿心鋼球5的下端，單孔耳板7的下端與另 外的單孔耳板7下端通過銷軸6相互連接，形成單向鉸接點(diǎn)3的連接形式，如圖9所示。再將周邊機(jī)構(gòu)通過單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)與支座相連徑向鋼管cl4焊接或者螺栓 連接于穿心鋼球5，單孔鋼塊9與穿心鋼球5的下端焊接連接，單孔鋼塊9通過銷軸6與單 孔耳板7連接，單孔耳板7焊接連接在鑄鋼支座8的兩側(cè)，如圖10所示。最后在內(nèi)圈小型網(wǎng)殼部署頂升設(shè)備進(jìn)行頂升。第一次頂升過程中，將包含前三道 鉸線10的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼、機(jī)構(gòu)頂升到設(shè)計(jì)高度時(shí)，在前兩道鉸線10位置安裝環(huán)向鋼管all， 使得包含前三道鉸線10的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)成為一個(gè)結(jié)構(gòu)；第二次頂升過程中，將包 含前五道鉸線10的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)頂升到設(shè)計(jì)高度時(shí)，然后在前四道鉸線10上安裝 環(huán)向鋼管all，使得包含前五道鉸線10的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)成為一個(gè)結(jié)構(gòu)；依照這種頂 升-安裝環(huán)向鋼管all-再頂升-再安裝環(huán)向鋼管all-再次頂升……的施工辦法重復(fù)進(jìn)行， 直到形成整個(gè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼網(wǎng)格尺寸大小可根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度確定，網(wǎng)格的形式可采用單向斜桿正交正方網(wǎng) 格，交叉斜桿正交正方網(wǎng)格、聯(lián)方網(wǎng)格、三向網(wǎng)格或其他網(wǎng)格布置方式，本實(shí)施例采用為凱 威特-聯(lián)方型網(wǎng)格，如圖1-7所示。鉸線10的設(shè)置可根據(jù)結(jié)構(gòu)跨度確定，可沿網(wǎng)殼徑向間隔布置也可連續(xù)布置。本實(shí) 施例采用連續(xù)布置，共有7道鉸線，如圖7所示。
權(quán)利要求
多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其施工方法，包括環(huán)向鋼管a、環(huán)向鋼管b、徑向鋼管a、徑向鋼管b、徑向鋼管c、穿心鋼球、銷軸、單孔鋼塊、單孔耳板、鑄鋼支座、剛性節(jié)點(diǎn)、單向鉸節(jié)點(diǎn)和單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)。其特征在于，所述的環(huán)向鋼管b與徑向鋼管b通過剛性節(jié)點(diǎn)連接，組裝成內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)，環(huán)向鋼管a與徑向鋼管a通過單向鉸節(jié)點(diǎn)連接內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)，徑向鋼管c與支座通過單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)連接；所述的剛性節(jié)點(diǎn)由穿心鋼球和鋼管組成，鋼管一端與穿心鋼球焊接連接或螺栓連接，另一端與另外的穿心鋼球焊接連接或螺栓連接；所述的單向鉸接點(diǎn)將多個(gè)需相互拼接的機(jī)構(gòu)、最內(nèi)側(cè)機(jī)構(gòu)與內(nèi)圈小型網(wǎng)殼分別相互連接；所述的單向鉸接點(diǎn)由穿心鋼球、單孔耳板、銷軸組成，鋼管焊接或者螺栓連接在穿心鋼球的上端，單孔耳板的上端焊接連接在穿心鋼球的下端，單孔耳板的下端與另外的單孔耳板下端通過銷軸相互連接；所述的單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)與最外側(cè)機(jī)構(gòu)相連接；所述的單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)由鋼管、穿心鋼球、單孔鋼塊、鑄鋼支座、銷軸、單孔耳板組成，穿心鋼球的上端與最外側(cè)機(jī)構(gòu)的鋼管焊接連接，下端與單孔鋼塊焊接連接，單孔鋼塊通過銷軸與單孔耳板連接，單孔耳板焊接連接在鑄鋼支座的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的單孔耳板的截 面為前端帶圓角的梯形截面，近圓角處開孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的單孔鋼塊為實(shí) 心鋼塊，由長方體鋼塊和四棱臺(tái)鋼塊或者圓臺(tái)型鋼塊組成，長方體鋼塊沿長軸方向中心開 孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的穿心鋼球在剛 性節(jié)點(diǎn)處為球形，在單向鉸節(jié)點(diǎn)處為半球形，穿心鋼球的上部開孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的環(huán)向鋼管a、環(huán) 向鋼管b、徑向鋼管a、徑向鋼管b和徑向鋼管c均為無縫鋼管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其施工方法，其特征是首先安 裝不具有自由度的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼，處于該部分的徑向鋼管b和環(huán)向鋼管b通過剛性節(jié)點(diǎn)相 互連接，小型網(wǎng)殼周圈鉸線上暫時(shí)不安裝環(huán)向鋼管a ；其次安裝具有自由度的機(jī)構(gòu)，處于該 部分的徑向鋼管b和環(huán)向鋼管b通過剛性節(jié)點(diǎn)相互連接，在機(jī)構(gòu)周圈鉸線上暫時(shí)不安裝環(huán) 向鋼管a;接著將最內(nèi)側(cè)的機(jī)構(gòu)通過單向鉸節(jié)點(diǎn)與內(nèi)圈小型網(wǎng)殼拼接；然后沿網(wǎng)殼徑向方 向?qū)⒍鄠€(gè)需相互拼接的機(jī)構(gòu)上的徑向鋼管a通過單向鉸節(jié)點(diǎn)分別相互連接；再將最外側(cè)的 機(jī)構(gòu)上的徑向鋼管c與單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)相連接；最后在內(nèi)圈小型網(wǎng)殼底部部署頂升設(shè) 備進(jìn)行頂升。第一次頂升過程中，將包含前三道鉸線的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼、機(jī)構(gòu)頂升到設(shè)計(jì)高度 時(shí)，取消兩道鉸線，即在前兩道鉸線位置安裝環(huán)向鋼管a，使得包含前三道鉸線的內(nèi)圈小型 網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)成為一個(gè)結(jié)構(gòu)；第二次頂升過程中，將包含前五道鉸線的內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu) 頂升到設(shè)計(jì)高度時(shí)，然后在前四道鉸線上安裝環(huán)向鋼管a，使得包含前五道鉸線的內(nèi)圈小型 網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)成為一個(gè)結(jié)構(gòu)；依照這種頂升_安裝環(huán)向鋼管_再頂升_再安裝環(huán)向鋼管再 次頂升......的施工辦法重復(fù)進(jìn)行，直到形成整個(gè)多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。
全文摘要
多鉸線頂升球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其施工方法，包括環(huán)向鋼管a、環(huán)向鋼管b、徑向鋼管a、徑向鋼管b、徑向鋼管c、穿心鋼球、銷軸、單孔鋼塊、單孔耳板、鑄鋼支座、剛性節(jié)點(diǎn)、單向鉸節(jié)點(diǎn)和單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)。通過剛性節(jié)點(diǎn)連接，組裝成內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)，通過單向鉸節(jié)點(diǎn)連接內(nèi)圈小型網(wǎng)殼和機(jī)構(gòu)，并形成鉸線，通過單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座節(jié)點(diǎn)與支座處連接，將內(nèi)圈小型網(wǎng)殼頂升，使其帶動(dòng)相鄰的機(jī)構(gòu)上升，當(dāng)有三道鉸線升到設(shè)計(jì)高度時(shí)，取消兩道絞線，使已頂升部分成為結(jié)構(gòu)，重復(fù)以此過程，直到形成整個(gè)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是，施工方便、工期短、力流清晰合理，適用于一般的工業(yè)與民用建筑，特別適用于會(huì)展中心、體育場館和機(jī)場航站樓等大跨度空間結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)E04B1/58GK101956426SQ201010145419
公開日2011年1月26日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者任曉菲, 劉占省, 孫國軍, 王小盾, 陳坤, 陳志華 申請人:天津大學(xué)