適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法，屬于土木工程力學(xué)和機械工程領(lǐng)域。是以組合32面體及其變體為基礎(chǔ)，采用測地投影法經(jīng)過拓?fù)溆成渥儞Q和構(gòu)型耦合得到。依據(jù)此方法構(gòu)建的金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，由半球形或球冠主體網(wǎng)殼，基底節(jié)點座，三角形膜板和頂蓋組成。主體網(wǎng)殼由節(jié)點座和連接桿件兩類零部件構(gòu)成，利用連接桿件和節(jié)點座的定位碰珠孔和桿件鎖緊螺孔，采用節(jié)點座、連接桿件、三角形膜板分立裝配方法，可以快速便捷精確地實現(xiàn)安裝。本發(fā)明現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安裝架設(shè)可以從底部桿件開始，順次的向上連接，施工便捷快速，讓網(wǎng)殼作為能在野外快速構(gòu)建的裝備設(shè)備維修儲存庫、救災(zāi)醫(yī)療中心與物資中心使用。
【專利說明】適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及其構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是基于拓?fù)鋵W(xué)、空間幾何和桿系結(jié)構(gòu)與機械加工力學(xué)建立的三角形構(gòu)型金屬球形網(wǎng)殼理論設(shè)計方法與機械結(jié)構(gòu)構(gòu)造技術(shù)，屬于土木工程力學(xué)和機械工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]大跨度空間網(wǎng)殼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(shè)施的球形結(jié)構(gòu)是滿足這種要求的典型案例，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)。我國北京科技館穹幕影廳雙層球形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(圖3)也是三角形構(gòu)型單元結(jié)構(gòu)，符合建筑美學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。
[0003]以色列學(xué)者Hanaor發(fā)展了單層網(wǎng)殼的構(gòu)建方法，應(yīng)用較廣。其特點是依托球弧20面體等弧細(xì)分理論給出了另類設(shè)計方法，如圖4所示。這種方法由于沒有進行進一步拓?fù)鋬?yōu)化，造成結(jié)構(gòu)節(jié)點桿件種類過多；同時還限定應(yīng)用于工程時必須使用焊接工藝施工，無法在野外大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中直接使用。愛爾蘭ASSCO公司生產(chǎn)的球形金屬雷達天線罩(圖
5)，是為兼顧良好的力學(xué)性能和電磁性能而專門設(shè)計的，節(jié)點桿件種類數(shù)稍多，仍可以進一步優(yōu)化改進。
[0004]當(dāng)前許多大型裝備的檢測維修，需要在野外風(fēng)雪暴雨條件下進行，急需解決快速構(gòu)建大跨度野外屏蔽型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方法和技術(shù)，而采用上述結(jié)構(gòu)采用的焊接工藝修建方法，施工安裝工期過長，成本很高，且現(xiàn)場焊接質(zhì)量也難于保證。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法。這種金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法是從球形多面體基礎(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。通過對基元進行正三角形細(xì)分，并將細(xì)分節(jié)點向球面進行拓?fù)溆成渥儞Q，完成球面三角形拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，獲得單層半球形或球冠形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(圖6)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，旨在根據(jù)選定的半徑和等于或小于半徑的矢高，給出工程實用的單層半球形網(wǎng)殼或球冠形網(wǎng)殼總體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，讓網(wǎng)殼作為能在野外快速構(gòu)建的裝備設(shè)備儲存庫、救災(zāi)醫(yī)療中心與物資中心使用。
[0007]本發(fā)明提出的適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，它含有:半球形或球冠主體網(wǎng)殼，頂蓋1，三角形膜板2和基底節(jié)點座13 ;所述半球形或球冠主體網(wǎng)殼，是由連接桿件3和節(jié)點座4兩類零部件構(gòu)成，利用連接桿件3和節(jié)點座4對應(yīng)的桿件定位碰珠孔10和桿件鎖緊螺孔11，采用三角形膜板2、連接桿件3、節(jié)點座4分立裝配方法，通過螺栓將頂蓋1、三角形膜板2、連接桿件3和節(jié)點座4緊密壓緊，實現(xiàn)連接桿件3與節(jié)點座4的穩(wěn)定連接，以保障節(jié)點座剛度和連接安裝的速度和精度，在承受復(fù)雜荷載作用下整體結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定。[0008]在上述大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述三角形膜板2由金屬框架與聚酯纖維薄膜采用預(yù)張方法制備。
[0009]在上述大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，所述金屬網(wǎng)殼現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安裝架設(shè)從地面桿件開始，順次向上連接，網(wǎng)殼基底節(jié)點座13將網(wǎng)殼緊密固定在水平剛性的混凝土基礎(chǔ)平臺基底槽鋼15上，以保障半球形網(wǎng)殼抗強風(fēng)暴雪性能和整體穩(wěn)定性能。
[0010]本發(fā)明提出的適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于，該方法按照如下步驟進行:
[0011](I)首先構(gòu)建組合32面體及其變體，并選定其邊長比，給出變體六邊形平面基元；
[0012](2)對基元進行正三角形細(xì)分，形成平面基元規(guī)則節(jié)點；
[0013](3)以平面細(xì)分節(jié)點、五邊形形心點和平面基元上的中心點與基元邊中點為節(jié)點，采用測地投影法自球心過各個節(jié)點向32面體外接球進行拓?fù)溆成渥儞Q，將節(jié)點兩兩相連并與球面上五邊形角點對應(yīng)相連,完成球形網(wǎng)殼主體三角形構(gòu)型球形多面體的拓?fù)浞椒ㄔO(shè)計。
[0014]在上述金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法中，所述構(gòu)建球形網(wǎng)殼主體三角形構(gòu)型球形多面體的拓?fù)浞椒ǎ沁x擇過球形網(wǎng)殼上部五邊形下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(yīng)正多邊形基底圓周及其鄰域上，并使構(gòu)建金屬網(wǎng)殼基底特殊三角形構(gòu)型和主體三角形構(gòu)型相適配，以完成金屬網(wǎng)殼基底拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點主要有:(I)建立了平面基元正三角形細(xì)分規(guī)則和基元面上節(jié)點拓?fù)溆成浞椒?，可以依?jù)球形網(wǎng)殼設(shè)計的力學(xué)性能指標(biāo)要求，自主進行金屬球形網(wǎng)殼的系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化，完成各種跨度尺寸的可抗御強風(fēng)暴雨和沙塵積雪荷載的高性能球形網(wǎng)殼體的設(shè)計；(2)以快速連接桿件系統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)取代焊接式桿件結(jié)構(gòu)，采用節(jié)點座、連接桿件、三角形膜板分立裝配方法，加強了節(jié)點座剛度和連接安裝的速度、精度，便于易損膜板維護更換；(3)安裝過程由下到上，從組合好的環(huán)形基底桿件、節(jié)點座逐次向上吊裝、對位，再進行節(jié)點座、連接桿件和三角形膜板的定位和連接固定，施工迅速；(4)快速連接桿件系統(tǒng)裝配式結(jié)構(gòu)中頂蓋、三角形膜板、連接桿件和節(jié)點座緊密嵌合在一起，整體穩(wěn)定性好，可靠性高；
(5)采用提供的網(wǎng)殼基底節(jié)點座，將網(wǎng)殼緊密固定在水平剛性的基底支撐平臺槽鋼上，提高了金屬網(wǎng)殼抗強風(fēng)暴雪性能；(6)依據(jù)跨度大小與構(gòu)型尺寸以及工程使用需求可決定多面體各參數(shù)，以滿足不同的球形大空間系列網(wǎng)殼的使用目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為三角形構(gòu)型測地投影法球形網(wǎng)殼多倫多會展中心(加拿大)；
[0017]圖2為加拿大網(wǎng)殼建筑雙層空間結(jié)構(gòu)；
[0018]圖3為北京科技館穹幕影廳球形網(wǎng)殼；
[0019]圖4為Hanaor20面體三角形構(gòu)型測地投影生成球形網(wǎng)殼方法；
[0020]圖5為愛爾蘭Essco偽隨機方法構(gòu)建240面體(直徑14.1m)金屬球形網(wǎng)殼雷達罩；
[0021]圖6為本發(fā)明中三角形構(gòu)型80面體球形網(wǎng)殼半球總體設(shè)計安裝三維投影；
[0022]圖7為本發(fā)明中三角形構(gòu)型80面體基元平面與球形網(wǎng)殼半球三維立面投影；[0023]圖8為本發(fā)明中球形網(wǎng)殼三角形構(gòu)型80面體基元平面展開圖；
[0024]圖9為本發(fā)明中80面體球形網(wǎng)殼實體模型；
[0025]圖10為本發(fā)明中球形網(wǎng)殼三角形構(gòu)型180面體基元平面展開圖；
[0026]圖11為本發(fā)明中180面體球形網(wǎng)殼實體模型三維投影；
[0027]圖12為本發(fā)明中180面體球形網(wǎng)殼球冠實體模型三維立面投影；
[0028]圖13為本發(fā)明中球形網(wǎng)殼三角形構(gòu)型240面體基元平面展開圖；
[0029]圖14為本發(fā)明中240面體球形網(wǎng)殼實體模型三維投影；
[0030]圖15為本發(fā)明中240面體球形網(wǎng)殼半球?qū)嶓w模型三維立面投影；
[0031]圖16為本發(fā)明中球形網(wǎng)殼三角形構(gòu)型320面體基元平面展開圖；
[0032]圖17為本發(fā)明中320面體球形網(wǎng)殼實體模型三維投影；
[0033]圖18為本發(fā)明中320面體球形網(wǎng)殼半球?qū)嶓w模型三維立面投影；
[0034]圖19為本發(fā)明中球形網(wǎng)殼三角形構(gòu)型500面體基元平面展開圖；
[0035]圖20為本發(fā)明中三角形構(gòu)型多面體組合節(jié)點構(gòu)造三維投影，I——頂蓋，2——三角形膜板，3——連接桿件，4——節(jié)點座；
[0036]圖21為本發(fā)明中節(jié)點頂蓋與三角形構(gòu)型膜板構(gòu)造設(shè)計三維投影；
[0037]圖22為本發(fā)明中三角形構(gòu)型多面體5桿與6桿節(jié)點座構(gòu)造設(shè)計三維投影，5——膜板端錐面承臺，6——連桿嵌合槽，7——中心螺孔，8——節(jié)點底座，9——膜板突緣定位槽，10—桿件定位碰珠孔，11—桿件鎖緊螺孔；
[0038]圖23為本發(fā)明中基底節(jié)點座構(gòu)造設(shè)計三維投影，5——膜板端錐面承臺，6——連桿嵌合槽，9——膜板定位槽，10——桿件定位碰珠孔，11——桿件鎖緊螺孔，12——基底節(jié)點座底腳螺栓緊固底板，13——基底節(jié)點座，14——基底緊固底板螺孔，15——基底支撐平臺槽鋼；
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖7?23，詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0040]本發(fā)明的【具體實施方式】分為三角形構(gòu)型網(wǎng)殼設(shè)計，網(wǎng)殼節(jié)點膜板構(gòu)造和快速安裝工藝三個方面。
[0041]1、構(gòu)建三角形構(gòu)型球形網(wǎng)殼
[0042]I)構(gòu)建組合32面體變體及其外接球面，建立六邊形平面基元，并選定其適宜邊長比M,建立基元面上直角坐標(biāo)系和球心為原點的球面直角坐標(biāo)系；
[0043]2)將基元六邊形進行正三角形細(xì)分，選擇基元中心點與邊界中點以及五邊形中心點作為基點節(jié)點，自球心過諸細(xì)分節(jié)點和基點節(jié)點向球面進行拓?fù)溆成渥儞Q；并在球面上使映射點、節(jié)點彼此兩兩相連并與五邊形角點對應(yīng)相連，求出球面基元節(jié)點與角點坐標(biāo)和相應(yīng)邊長；
[0044]3)選擇過球形網(wǎng)殼上部五邊形角點或其臨近角點，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(yīng)正多邊形基底圓周上，并使構(gòu)建球形網(wǎng)殼基底特殊三角形構(gòu)型和主體三角形構(gòu)型相適配，從而完成基底拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
[0045]三角形構(gòu)型球形網(wǎng)殼是由基元平面三角形細(xì)分演化過來的。規(guī)則三角形構(gòu)型球形網(wǎng)殼具有鏡像對稱和中心對稱，例如規(guī)則80面體球形網(wǎng)殼當(dāng)選取低緯度五邊形下角點切割時，經(jīng)過節(jié)點調(diào)整，可獲得正10邊形基底。如圖7所示。
[0046]根據(jù)球形網(wǎng)殼構(gòu)建方法獲得三角形構(gòu)型60面體、80面體(圖8)、180面體(圖10)、240面體(圖13)、320面體(圖16)和500面體(圖19)球形罩的主體與基底重要技術(shù)參數(shù)以及球形罩半徑比，還可以給出球形三角形構(gòu)型網(wǎng)殼面數(shù)與節(jié)點數(shù)、棱邊數(shù)的關(guān)系。如表1所示。
[0047]表1三角形構(gòu)型球形網(wǎng)殼主體和球冠基底參數(shù)
[0048]
【權(quán)利要求】
1.適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，它含有:半球形或球冠主體網(wǎng)殼，頂蓋(I)，三角形膜板⑵和基底節(jié)點座(13);所述半球形或球冠主體網(wǎng)殼，是由連接桿件(3)和節(jié)點座(4)兩類零部件構(gòu)成，利用連接桿件(3)和節(jié)點座(4)對應(yīng)的桿件定位碰珠孔(10)和桿件鎖緊螺孔(11)，采用三角形膜板(2)、連接桿件(3)、節(jié)點座(4)分立裝配方法，通過螺栓將頂蓋(I)、三角形膜板(2)、連接桿件(3)和節(jié)點座(4)緊密壓緊，實現(xiàn)連接桿件(3)與節(jié)點座(4)的穩(wěn)定連接，以保障節(jié)點座剛度和連接安裝的速度和精度，在承受復(fù)雜荷載作用下整體結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定。
2.按照權(quán)利要求1所述的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述三角形膜板(2)由金屬框架與聚酯纖維薄膜采用預(yù)張方法制備。
3.按照權(quán)利要求1所述的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬網(wǎng)殼現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安裝架設(shè)從地面桿件開始，順次向上連接，網(wǎng)殼基底節(jié)點座(13)將網(wǎng)殼緊密固定在水平剛性的基底基礎(chǔ)平臺槽鋼(15)上，以保障半球形網(wǎng)殼抗強風(fēng)暴雪性能和整體穩(wěn)定性能。
4.適用于野外裝備維修的大空間金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于，該方法按照如下步驟進行: (1)首先構(gòu)建組合32面體及其變體，并選定其邊長比，給出變體六邊形平面基元； (2)對基元進行正三角形細(xì)分，形成平面基元規(guī)則節(jié)點； (3)以平面細(xì)分節(jié)點、五邊形形心點和平面基元上的中心點與基元邊中點為節(jié)點，采用測地投影法自球心過各個節(jié)點向32面體外接球進行拓?fù)溆成渥儞Q，將節(jié)點兩兩相連并與球面上五邊形角點對應(yīng)相連,完成球形網(wǎng)殼主體三角形構(gòu)型球形多面體的拓?fù)浞椒ㄔO(shè)計。
5.按照權(quán)利要求1所述的金屬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于，所述構(gòu)建球形網(wǎng)殼主體三角形構(gòu)型球形多面體的拓?fù)浞椒ǎ沁x擇過球形網(wǎng)殼上部五邊形下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(yīng)正多邊形基底圓周及其鄰域上，并使構(gòu)建金屬網(wǎng)殼基底特殊三角形構(gòu)型和主體三角形構(gòu)型相適配，以完成金屬網(wǎng)殼基底拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計。
【文檔編號】E04B1/58GK103821228SQ201410106031
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】周豐峻, 周麗, 周廣恩, 孫學(xué)濤, 高永紅, 李曉軍, 左社強 申請人:周豐峻, 周麗, 周廣恩