新型單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)*

□ 范景峰 □ 梅二召 □ 趙戰(zhàn)國 □ 余利鵬

1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 鄭州 450042 2.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司 鄭州 450002

1 設(shè)計(jì)背景

近年來,各種體育場、展覽館、藝術(shù)院、廠庫、娛樂場所等地方的建設(shè)都采用各種各樣的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),隨著技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛,空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為受力均勻、強(qiáng)度大、質(zhì)量相對較輕以及結(jié)構(gòu)形式多樣等[1-2]。在空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中,單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用范圍,是最受結(jié)構(gòu)工程師青睞、最受人們歡迎的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)之一。單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不僅外形美觀、新穎、奇異,而且還能體現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)美,其受力合理,強(qiáng)度剛度大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,便于安裝,施工工藝性強(qiáng),有較好的綜合經(jīng)濟(jì)性[3]。

空間網(wǎng)殼是一種與平板網(wǎng)架類似的空間桿系結(jié)構(gòu),以桿件為基礎(chǔ),按一定規(guī)律組成網(wǎng)格,按殼體結(jié)構(gòu)布置的空間構(gòu)架,其兼具桿系和殼體的性質(zhì)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)包括單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、板錐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、肋環(huán)型索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、單層叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。其中,單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在連接點(diǎn)處會安裝節(jié)點(diǎn)固定板,對連接處進(jìn)行固定可增加單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的牢固性。

文獻(xiàn)[4]運(yùn)用3D3S和midas Gen兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,對單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行模擬分析,得出單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的穩(wěn)定性,同時(shí)利用ABAQUS有限元分析軟件分析單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)受力,得出設(shè)計(jì)的單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有可靠的安全儲備。文獻(xiàn)[5]利用midas Gen軟件對球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值屈曲分析和非線性屈曲靜力學(xué)分析,同時(shí)利用ABAQUS軟件進(jìn)行雙非線性屈曲分析,得出球冠網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的承載能力略小于球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等結(jié)論。文獻(xiàn)[6]從構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、布置等方面闡明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念,采用板片結(jié)構(gòu)裝配的木網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)精度更高、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)更簡化、施工更方便、成本更加經(jīng)濟(jì)、外形更加優(yōu)美等。文獻(xiàn)[7]對單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體可靠性分析,建立結(jié)構(gòu)參數(shù)模型,模擬真實(shí)的受力情況,并對抗力極限狀態(tài)進(jìn)行分析,得出現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法過于保守,單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可靠性過低,并運(yùn)用全概率整體可靠度分析方法對現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正。目前,多數(shù)學(xué)者主要研究單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力分析及其穩(wěn)定性、抗震性等[8]。傳統(tǒng)的單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建造采用桿件組合成半球形結(jié)構(gòu),通過焊接將桿件連接在一起,然后通過節(jié)點(diǎn)固定板進(jìn)行輔助固定。傳統(tǒng)的單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在制作時(shí),需要多組桿件組合焊接,組裝速度慢,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,并且焊接過程中對于在架子上焊接的桿件首先要使用機(jī)器或者由人工進(jìn)行對接固定,然后再通過焊接裝置進(jìn)行組裝焊接,效率較低。

新型單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不僅能夠解決傳統(tǒng)的單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需要多組桿件組合焊接,組裝速度慢,焊接時(shí)需要機(jī)器或者人工進(jìn)行對接固定、效率低的問題,而且具有結(jié)構(gòu)美觀、使用壽命長、安裝成本低、維修成本低等優(yōu)勢。

2 主體軸結(jié)構(gòu)

利用SolidWorks三維軟件建立新型單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主體軸結(jié)構(gòu)[9],包括網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿、節(jié)點(diǎn)固定裝置、輔助連接裝置,如圖1所示。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿為長方體結(jié)構(gòu),兩端開設(shè)有螺紋孔。節(jié)點(diǎn)固定裝置整體為圓柱形結(jié)構(gòu),表面開設(shè)有凹槽,并且與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿相連接。輔助連接裝置旋轉(zhuǎn)安裝在節(jié)點(diǎn)固定裝置開設(shè)的凹槽內(nèi)部,節(jié)點(diǎn)固定裝置通過輔助連接裝置與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿相連接。緊固連接裝置滑動安裝在節(jié)點(diǎn)固定裝置內(nèi)部,節(jié)點(diǎn)固定裝置與節(jié)點(diǎn)固定裝置相連接。

3 關(guān)鍵部件

3.1 節(jié)點(diǎn)固定裝置

節(jié)點(diǎn)固定裝置主要包括固定柱、緊固螺釘、連接軸、連接圓柱[10],結(jié)構(gòu)如圖2所示。固定柱為圓柱形結(jié)構(gòu),表面開設(shè)有凹槽與螺紋孔。緊固螺釘通過固定柱表面開設(shè)的螺紋孔與固定柱螺紋連接。

固定柱為圓柱形結(jié)構(gòu),共有六個(gè)凹槽,主要用于固定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿,安裝過程中保證網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿的穩(wěn)定。緊固螺釘主要用于固定輔助連接裝置。連接軸與連接圓柱相連接,連接圓柱分別與連接軸和插接緊固組件連接,保證網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿的穩(wěn)定性。

3.2 輔助連接裝置

輔助連接裝置主要包括連接軸、連接圓柱、緊固螺釘[11-12],結(jié)構(gòu)如圖3所示。連接軸數(shù)量設(shè)置為兩組,且連接軸頂部與固定柱內(nèi)壁固定連接。連接圓柱上下端與連接軸轉(zhuǎn)動連接,再一起安裝在固定柱表面開設(shè)的凹槽內(nèi)。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿插入至輔助連接裝置,輔助連接裝置旋轉(zhuǎn)安裝在節(jié)點(diǎn)固定裝置內(nèi)部。在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿組裝成半球形的過程中,拉動網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿可以通過輔助連接裝置轉(zhuǎn)動一定角度進(jìn)行組裝,通過輔助連接裝置內(nèi)部設(shè)置的緊固連接裝置,能夠?qū)o助連接裝置進(jìn)行固定,提高網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿組裝后的緊固性。

3.3 緊固連接裝置

緊固連接裝置主要包括轉(zhuǎn)動絲桿、控制螺母、推動塊、插接緊固組件[13-14],結(jié)構(gòu)如圖4所示。控制螺母固定安裝在轉(zhuǎn)動絲桿頂部,轉(zhuǎn)動絲桿起方便控制轉(zhuǎn)動絲桿轉(zhuǎn)動的作用。緊固連接裝置一端為六棱柱結(jié)構(gòu),另一端為六棱錐結(jié)構(gòu)。推動塊中部開設(shè)有螺紋孔,且與轉(zhuǎn)動絲桿螺紋連接,轉(zhuǎn)動絲桿旋轉(zhuǎn)能夠帶動推動塊滑動。插接緊固組件滑動安裝在固定柱開設(shè)的滑槽內(nèi)。

3.4 插接緊固組件

插接緊固組件包括固定柱、插接板、拉簧,結(jié)構(gòu)如圖5所示。插接板整體為T形結(jié)構(gòu),一端與推動塊相接觸。插接板插入連接圓柱一端的凹槽內(nèi),起到輔助固定連接圓柱的作用。拉簧一端與插接板固定連接,拉簧另一端與固定柱內(nèi)壁固定連接。

推動塊表面的六組插接板向外側(cè)滑動時(shí),插接板表面的拉簧受力伸長。推動塊反向滑動時(shí),拉簧由彈力回拉,將插接板收回。將拉簧替換成彈力橡膠塊,也能夠起到彈性回拉效果。

4 工作原理

對新型單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工作原理進(jìn)行介紹[15]。單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的底座焊接完成后,通過網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿組合焊接,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿與底座焊接在一起。將固定柱內(nèi)部的連接圓柱與底焊接后的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿進(jìn)行組裝,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿插入連接圓柱內(nèi)部。由于單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為半球形結(jié)構(gòu),因此需要將網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿偏移一定角度后再組裝成圓形。轉(zhuǎn)動網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿,帶動連接圓柱轉(zhuǎn)動一定角度,通過螺絲刀等工具旋入緊固螺釘。緊固螺釘穿過固定柱,插入網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿的螺紋孔中,形成固定。將其它位置的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿插入固定柱其它五處凹槽內(nèi)的連接圓柱內(nèi),按一定角度進(jìn)行固定。插入完成之后,轉(zhuǎn)動控制螺母,控制轉(zhuǎn)動絲桿旋轉(zhuǎn),通過螺紋帶動推動塊滑動,進(jìn)而帶動推動塊表面的六組插接板向外側(cè)滑動,插接板表面的拉簧受力伸長。推動塊反向滑動時(shí),拉簧由彈力回拉,將插接板收回,插入至連接圓柱表面的方形凹槽內(nèi),對連接圓柱進(jìn)行二次固定,可以提高網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。不需要對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿進(jìn)行焊接,而是通過節(jié)點(diǎn)固定裝置進(jìn)行組裝,可以提高效率,省時(shí)省力,同時(shí)也不需要人力或者機(jī)器輔助固定對接網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿。

5 結(jié)束語

通過對新型單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì),解決了傳統(tǒng)單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需要多組桿件組合焊接,組裝速度慢,焊接時(shí)需要機(jī)器或者由人工進(jìn)行對接固定、效率低的問題。

新型單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通過在裝置內(nèi)部設(shè)置節(jié)點(diǎn)固定裝置和輔助連接裝置,直接將網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿插入輔助連接裝置,輔助連接裝置旋轉(zhuǎn)安裝在節(jié)點(diǎn)固定裝置內(nèi)部。在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿組裝成單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的過程中,拉動網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿,可以通過輔助連接裝置轉(zhuǎn)動一定角度進(jìn)行組裝。

節(jié)點(diǎn)固定裝置能夠?qū)D(zhuǎn)動后的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿進(jìn)行固定,不需要對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿進(jìn)行焊接,并且也不需要人工或者機(jī)器對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿進(jìn)行輔助對接,節(jié)省人力,組裝方便快捷。通過在裝置內(nèi)部設(shè)置緊固連接裝置,能夠?qū)o助連接裝置進(jìn)行固定,提高網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)連接桿組裝后的緊固性。

通過新型單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以為后續(xù)更大空間的大跨度單層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。