专利名称：多铰线顶升球面网壳结构及其施工方法
技术领域：
本发明为一种网壳的设计与施工技术，更具体地说，涉及多铰线顶升球面网壳结 构及其施工方法。
背景技术：
空间网格将来进一步发展的一个领域是可折叠与展开的结构形式。目前的折叠式 网壳结构主要有两类。第一类是双曲面折叠式网壳结构，又称“攀达穹顶结构”；第二类是 柱面折叠式网壳结构。以上两种形式的基本原理都是通过设置三道铰线并临时去掉一些环 向构件，使得网壳结构暂时变为一个几何可变体系。但是，上述两种折叠式网壳结构都存在 着缺点。其中，柱面折叠式网壳结构的可动铰轴线为一直线，结构在垂直于水平方向具有两 个自由度。由于空间上不具有环箍作用，其侧向刚度较差，特别是在风力作用下可能出现摇 晃。攀达穹顶体系通过设置三道铰线由内到外将结构分为中央部、中间部和外周部三个部 分，整个过程中空间转动轴仅为三道平行折线，结构只通过一次顶升到位，结构几何与本发 明完全不同，此外，部分攀达穹顶体系在顶升过程中由于机构形式的破坏而产生结构内力， 而且有时巨大，对结构安全会造成影响。上述两类形式的网壳结构在地面拼装时，拼装完成 的结构仍具有较大的高度，需要搭设大量的脚手架等附属安装设备，地面施工仍需要离地 面较高的高度进行，经济及安全方面的存在不足，无法充分体现出折叠结构的巨大优越性。
发明内容
为克服目前折叠式网壳的不足，本发明提供了一种新型的折叠式结构，即多铰线 顶升球面网壳结构及其施工方法，与攀达穹顶结构和柱面折叠式网壳结构相比，其优势在 于，通过设置多道铰线将结构分解成多个相互之间通过单向铰节点连接的结构，可完全发 挥出折叠网壳的优势，将网壳结构折叠到离地面很低的位置进行施工。整体顶升过程中，空 间转动轴为多道平行折线，而在每个顶升阶段，空间转动轴都为三道平行折线的形式，确保 顶升过程中只有一个竖向自由度，侧向稳定性较好，可有效抵御风荷载和地震荷载等外界 荷载。顶升过程中是完全的机构，对网壳结构整体性破坏较小，内力分布均勻，力流合理。可 在接近于地面的高度上组装网壳，节省大量的脚手架，施工简单，具有可跨越范围大，施工 安装便利，工业化程度高，经济合理等特点，可普遍适用于一般的工业与民用建筑，特别适 用于会展中心、体育场馆、机场航站楼等大跨度空间结构体系。本发明的技术方案如下多铰线顶升球面网壳结构及其施工方法，包括环向钢管a、环向钢管b、径向钢管 a、径向钢管b、径向钢管C、穿心钢球、销轴、单孔钢块、单孔耳板、铸钢支座、刚性节点、单向 铰节点和单向转动铰支座节点。其特征在于，所述的环向钢管b与径向钢管b通过刚性节 点连接，组装成内圈小型网壳和机机构，环向钢管a与径向钢管a通过单向铰节点连接内圈 小型网壳和机构，径向钢管c与支座通过单向转动铰支座节点连接；所述的刚性节点由穿 心钢球和钢管组成，钢管一端与穿心钢球焊接连接或螺栓连接，另一端与另外的穿心钢球焊接连接或螺栓连接；所述的单向铰接点将多个需相互拼接的机构、最内侧机构与内圈小 型网壳分别相互连接；所述的单向铰接点由穿心钢球、单孔耳板、销轴组成，钢管焊接或者 螺栓连接在穿心钢球的上端，单孔耳板的上端焊接连接在穿心钢球的下端，单孔耳板的下 端与另外的单孔耳板下端通过销轴相互连接；所述的单向转动铰支座节点与最外侧机构相 连接；所述的单向转动铰支座节点由钢管、穿心钢球、单孔钢块、铸钢支座、销轴、单孔耳板 组成，穿心钢球的上端与最外侧机构的钢管焊接连接，下端与单孔钢块焊接连接，单孔钢块 通过销轴与单孔耳板连接，单孔耳板焊接连接在铸钢支座的两侧。所述的单孔耳板的截面为前端带圆角的梯形截面，近圆角处开孔。所述的单孔钢块为实心钢块，由长方体钢块和四棱台钢块或者圆台型钢块组成， 长方体钢块沿长轴方向中心开孔。所述的穿心钢球在刚性节点处为球形，在单向铰节点处为半球形，穿心钢球的上 部开孔。所述的环向钢管a、环向钢管b、径向钢管a、径向钢管b、径向钢管c均为无缝钢管。所述的多铰线顶升球面网壳结构施工方法，其特征是首先安装不具有自由度的 内圈小型网壳，处于该部分的径向钢管b和环向钢管b通过刚性节点相互连接，小型网壳周 圈铰线上暂时不安装环向钢管a ；其次安装具有自由度的机构，处于该部分的径向钢管b和 环向钢管b通过刚性节点相互连接，在机构周圈铰线上暂时不安装环向钢管a ；接着将最内 侧的机构通过单向铰节点与内圈小型网壳拼接；然后沿网壳径向方向将多个需相耳拼接的 机构通过单向铰节点分别相互连接；再将最外侧的机构通过单向转动铰支座节点与支座处 连接；最后在内圈小型网壳底部部署顶升设备进行顶升。第一次顶升过程中，将包含前三道 铰线的内圈小型网壳、机构顶升到设计高度时，取消两道铰线，即在前两道铰线位置安装环 向钢管a，使得包含前三道铰线的内圈小型网壳和机构成为一个结构；第二次顶升过程中， 将包含前五道铰线的内圈小型网壳和机构顶升到设计高度时，然后在前四道铰线上安装环 向钢管a，使得包含前五道铰线的内圈小型网壳和机构成为一个结构；依照这种顶升-安装
环向钢管_再顶升_再安装环向钢管a-再次顶升......的施工办法重复进行，直到形成
整个多铰线顶升球面网壳结构。
图1为本发明基本结构图(地面拼装完成时的侧视图)
图2为本发明地面拼装完成时的俯视图3为本发明顶升过程中的侧视图4为本发明顶升过程中的俯视图5为本发明最终成型时的侧视图6为本发明最终成型时的俯视图7为本发明地面拼装时带有假想铰线的俯视图8为刚性节点构造图9为单向铰接点构造图10为单向转动铰支座节点构造图中1.刚性节点，2.径向钢管a，3.单向铰节点，4.单向转动铰支座节点，5.穿 心钢球，6.销轴，7.单孔耳板，8.铸钢支座，9.单孔钢块，10.铰线，11.环向钢管a，12.环 向钢管b，13.径向钢管b，14.径向钢管c。
具体实施例方式如图1所示，一种多铰线顶升球面网壳结构包括刚性节点1，径向钢管a2，单向铰 节点3，单向转动铰支座节点4，穿心钢球5，销轴6，单孔耳板7，铸钢支座8，单孔钢块9，铰 线10，环向钢管all，环向钢管bl2，径向钢管bl3，和径向钢管cl4。首先分别组装成内圈小型网壳和机构将环向钢管bl2和径向钢管bl3与穿心钢 球5焊接连接或螺栓连接，形成刚性节点1的连接形式，如图8所示。其次将内圈小型网壳和机构相连将环向钢管all和径向钢管a2焊接或者螺栓连 接于穿心钢球5，单孔耳板7的上端焊接连接在穿心钢球5的下端，单孔耳板7的下端与另 外的单孔耳板7下端通过销轴6相互连接，形成单向铰接点3的连接形式，如图9所示。再将周边机构通过单向转动铰支座节点与支座相连径向钢管cl4焊接或者螺栓 连接于穿心钢球5，单孔钢块9与穿心钢球5的下端焊接连接，单孔钢块9通过销轴6与单 孔耳板7连接，单孔耳板7焊接连接在铸钢支座8的两侧，如图10所示。最后在内圈小型网壳部署顶升设备进行顶升。第一次顶升过程中，将包含前三道 铰线10的内圈小型网壳、机构顶升到设计高度时，在前两道铰线10位置安装环向钢管all， 使得包含前三道铰线10的内圈小型网壳和机构成为一个结构；第二次顶升过程中，将包 含前五道铰线10的内圈小型网壳和机构顶升到设计高度时，然后在前四道铰线10上安装 环向钢管all，使得包含前五道铰线10的内圈小型网壳和机构成为一个结构；依照这种顶 升-安装环向钢管all-再顶升-再安装环向钢管all-再次顶升……的施工办法重复进行， 直到形成整个网壳结构。网壳网格尺寸大小可根据结构跨度确定，网格的形式可采用单向斜杆正交正方网 格，交叉斜杆正交正方网格、联方网格、三向网格或其他网格布置方式，本实施例采用为凯 威特-联方型网格，如图1-7所示。铰线10的设置可根据结构跨度确定，可沿网壳径向间隔布置也可连续布置。本实 施例采用连续布置，共有7道铰线，如图7所示。
权利要求
多铰线顶升球面网壳结构及其施工方法，包括环向钢管a、环向钢管b、径向钢管a、径向钢管b、径向钢管c、穿心钢球、销轴、单孔钢块、单孔耳板、铸钢支座、刚性节点、单向铰节点和单向转动铰支座节点。其特征在于，所述的环向钢管b与径向钢管b通过刚性节点连接，组装成内圈小型网壳和机构，环向钢管a与径向钢管a通过单向铰节点连接内圈小型网壳和机构，径向钢管c与支座通过单向转动铰支座节点连接；所述的刚性节点由穿心钢球和钢管组成，钢管一端与穿心钢球焊接连接或螺栓连接，另一端与另外的穿心钢球焊接连接或螺栓连接；所述的单向铰接点将多个需相互拼接的机构、最内侧机构与内圈小型网壳分别相互连接；所述的单向铰接点由穿心钢球、单孔耳板、销轴组成，钢管焊接或者螺栓连接在穿心钢球的上端，单孔耳板的上端焊接连接在穿心钢球的下端，单孔耳板的下端与另外的单孔耳板下端通过销轴相互连接；所述的单向转动铰支座节点与最外侧机构相连接；所述的单向转动铰支座节点由钢管、穿心钢球、单孔钢块、铸钢支座、销轴、单孔耳板组成，穿心钢球的上端与最外侧机构的钢管焊接连接，下端与单孔钢块焊接连接，单孔钢块通过销轴与单孔耳板连接，单孔耳板焊接连接在铸钢支座的两侧。
2.根据权利要求1所述的多铰线顶升球面网壳结构，其特征是，所述的单孔耳板的截 面为前端带圆角的梯形截面，近圆角处开孔。
3.根据权利要求1所述的多铰线顶升球面网壳结构，其特征是，所述的单孔钢块为实 心钢块，由长方体钢块和四棱台钢块或者圆台型钢块组成，长方体钢块沿长轴方向中心开 孔。
4.根据权利要求1所述的多铰线顶升球面网壳结构，其特征是，所述的穿心钢球在刚 性节点处为球形，在单向铰节点处为半球形，穿心钢球的上部开孔。
5.根据权利要求1所述的多铰线顶升球面网壳结构，其特征是，所述的环向钢管a、环 向钢管b、径向钢管a、径向钢管b和径向钢管c均为无缝钢管。
6.根据权利要求1所述的多铰线顶升球面网壳结构及其施工方法，其特征是首先安 装不具有自由度的内圈小型网壳，处于该部分的径向钢管b和环向钢管b通过刚性节点相 互连接，小型网壳周圈铰线上暂时不安装环向钢管a ；其次安装具有自由度的机构，处于该 部分的径向钢管b和环向钢管b通过刚性节点相互连接，在机构周圈铰线上暂时不安装环 向钢管a;接着将最内侧的机构通过单向铰节点与内圈小型网壳拼接；然后沿网壳径向方 向将多个需相互拼接的机构上的径向钢管a通过单向铰节点分别相互连接；再将最外侧的 机构上的径向钢管c与单向转动铰支座节点相连接；最后在内圈小型网壳底部部署顶升设 备进行顶升。第一次顶升过程中，将包含前三道铰线的内圈小型网壳、机构顶升到设计高度 时，取消两道铰线，即在前两道铰线位置安装环向钢管a，使得包含前三道铰线的内圈小型 网壳和机构成为一个结构；第二次顶升过程中，将包含前五道铰线的内圈小型网壳和机构 顶升到设计高度时，然后在前四道铰线上安装环向钢管a，使得包含前五道铰线的内圈小型 网壳和机构成为一个结构；依照这种顶升_安装环向钢管_再顶升_再安装环向钢管再 次顶升......的施工办法重复进行，直到形成整个多铰线顶升球面网壳结构。
全文摘要
多铰线顶升球面网壳结构及其施工方法，包括环向钢管a、环向钢管b、径向钢管a、径向钢管b、径向钢管c、穿心钢球、销轴、单孔钢块、单孔耳板、铸钢支座、刚性节点、单向铰节点和单向转动铰支座节点。通过刚性节点连接，组装成内圈小型网壳和机构，通过单向铰节点连接内圈小型网壳和机构，并形成铰线，通过单向转动铰支座节点与支座处连接，将内圈小型网壳顶升，使其带动相邻的机构上升，当有三道铰线升到设计高度时，取消两道绞线，使已顶升部分成为结构，重复以此过程，直到形成整个结构。本发明的有益效果是，施工方便、工期短、力流清晰合理，适用于一般的工业与民用建筑，特别适用于会展中心、体育场馆和机场航站楼等大跨度空间结构。
文档编号E04B1/58GK101956426SQ201010145419
公开日2011年1月26日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者任晓菲, 刘占省, 孙国军, 王小盾, 陈坤, 陈志华 申请人:天津大学