专利名称：一种木结构肋环型单层弦支球面网壳的制作方法
技术领域：
本实用新型属于建筑结构技术领域，特别是涉及ー种大跨度木结构肋环型单层弦支球面网壳。
背景技术：
近年来，为了满足建筑使用功能的要求，大跨度空间结构越来越多地应用于工程实践，比如航站楼、会展中心、收费站、大跨度煤棚等公共和エ业建筑。在众多结构形式中，网壳结构是ー种曲面网格结构，兼有杆系结构构造简单和薄壳结构受カ合理的特点，具有跨越能力大，刚度好，材料省，杆件结构单ー及制作安装方便等特点。网壳结构于20世纪50年代初在我国就有所应用，目前已建成大量的网壳结构且多为各地区标志性建筑，比如北京国家大剧院、天津体育馆、上海万人体育馆等。作为网壳结构的ー种特殊形式，肋环型单层弦支球面网壳不仅具有传统肋环型单层球面网壳结构外形美观、节点构造简单的特点，还具备弦支结构特有的抗震性能好、节省材料的优点，因此应用广泛。但目前，该结构形式主要使用钢材作为杆件原料，而尚未见到木材应用于肋环型单层弦支球面网壳结构的实例或研究报道。在我国，木材是ー种资源丰富、生长周期短的可再生材料，经简单加工后就能成为力学性能优良的结构杆件，如将其应用于弦支网壳结构，将拓宽木结构的应用领域并推进绿色环保建筑的发展。在力学性能方面，木材具有较好的抗拉、抗压和抗弯折強度，是ー种天然建材，在古代就已获得应用。但是，木材自然生长过程中形成的生理弯曲及横纹和竖纹的受カ性能差异从一定程度上影响了其力学性能，限制了其使用范围。随着科技进步，现有加工设备虽能保证加工后木杆件的外形准确度，但受木结构连接方式的制约，其应用范围一直未能得到拓宽。在木结构连接方面，常见节点连接方式为绑扎、榫卯、槽ロ，节点连接可靠性相对较低，如今常见于建筑景观和重要性较低的低层民用建筑。建筑工程应用方面，目前大多数做法是将其粉碎后与其它材料混合制成新型建筑板材，由于掺加了胶合剂，对室内环境或多或少都会带来一定程度的污染，而直接使用天然木材作为大跨度空间弦支网壳结构受力构件的案例并不多见。因此，在低碳环保緑色建筑理念得到广泛认同的今天，研究并拓宽木结构应用领域的意义就显得非常重大。而如何提高木结构连接节点的可靠性，充分发挥木材力学性能，采用合理计算手段进行木结构设计，也成为制约木结构应用领域拓宽的关键问题。
发明内容为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种抗震性能好、便于施工、安全性高且绿色环保的木结构肋环型单层弦支球面网壳。为了达到上述目的，本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳包括多根经向杆、多根纬向杆、多个木杆连接件、多个焊接球节点、若干个滑动铰支座、若干个固定铰支座、多根竖向撑杆和多根下弦索；其中经向杆和纬向杆均为木杆，每根经向杆和纬向杆的两端分别安装有ー个木杆连接件；带有木杆连接件的多根经向杆和多根纬向杆通过多个焊接球节点相互连接；多根下弦索均为钢索，每根下弦索的两端分别连接在相対的固定铰支座或滑动铰支座上；多根竖向撑杆均为钢管，每根竖向撑杆的上端连接在焊接球节点上，下端连接在下弦索上，从而形成传统形状的肋环型单层弦支球面网壳主体；所述的木杆连接件包括钢套箍、端板、锥头和箍筋；其中钢套箍套装在经向杆及纬向杆的端部外圆周面上；端板安装在钢套箍的外端圆周上；锥头为空心圆台结构，其上、下底面均呈开ロ状，下底面边缘连接在端板的外侧，上底面边缘焊接在焊接球节点上；箍筋缠绕在钢套箍的外圆周面上，用于将钢套箍和经向杆或纬向杆箍紧；焊接球节点为钢制空心球体；若干个固定铰支座的上端相隔距离安装在单层弦支球面网壳主体底部的焊接球节点上，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座的上端相隔距离安装在单层弦支球面网壳主体底部的其余焊接球节点上，下端以可移动的方式设置在结构柱顶部。所述的经向杆和纬向杆的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳具有如下优点1)抗震性能好经有限元分析软件计算后发现，单根木杆件受力状况和整体结构静、动カ响应均满足设计和使用要求，且表现出较好的抗震性能。2)便于施工由于木材密度小，杆件拼接由单个工人即可完成，能够降低工人的劳动强度和工作面上的人员密度，利于提高施工质量和加快施工速度。3)安全性高经计算后发现，地震作用下木结构肋环型单层弦支球面网壳竖向变形小于同截面面积的钢结构肋环型单层弦支球面网壳，表明地震作用下木结构肋环型单层弦支球面网壳对屋面材料破坏小，安全性得到改善。4)绿色环保、经济性好我国木材资源丰富，选材便利，木材价格低且属于绿色环保的可再生资源，因此使用木结构肋环型单层弦支球面网壳的经济优势和环保优势都非常突出。
图I为本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳结构平面图。图2为图I中A-A向剖视图。图3为本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳中连接在经向杆或纬向杆端部的木杆连接件结构示意图。图4为本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳中焊接球节点部位结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳进行详细说明。如图I-图4所示，本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳包括多根经向杆I、多根纬向杆2、多个木杆连接件3、多个焊接球节点4、若干个滑动铰支座5、若干个固定铰支座6、多根竖向撑杆11和多根下弦索12 ;其中经向杆I和纬向杆2均为木杆，每根经向杆I和纬向杆2的两端分别安装有一个木杆连接件3 ;带有木杆连接件3的多根经向杆I和多根纬向杆2通过多个焊接球节点4相互连接；多根下弦索12均为钢索，每根下弦索12的两端分别连接在相対的固定铰支座6或滑动铰支座5上；多根竖向撑杆11均为钢管，每根竖向撑杆11的上端连接在焊接球节点4上，下端连接在下弦索12上，从而形成传统形状的肋环型单层弦支球面网壳主体；所述的木杆连接件3包括钢套箍7、端板8、锥头9和箍筋10 ;其中钢套箍7套装在经向杆I及纬向杆2的端部外圆周面上；端板8安装在钢套箍7的外端圆周上；锥头9为空心圆台结构，其上、下底面均呈开ロ状，下底面边缘连接在端板8的外侧，上底面边缘焊接在焊接球节点4上；箍筋10缠绕在钢套箍7的外圆周面上，用于将钢套箍7和经向杆I或纬向杆2箍紧；焊接球节点4为钢制空心球体；若干个固定铰支座6的上端相隔距离安装在单层弦支球面网壳主体底部的焊接球节点4上，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座5的上端相隔距离安装在单层弦支球面网壳主体底部的其余焊接球节点4上，下端以可移动的方式设置在结构柱顶部。所述的经向杆I和纬向杆2的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍7的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳组装过程如下首先将钢套箍7安装在经向杆I和纬向杆2的外端圆周面上，并使经向杆I和纬向杆2上的凹槽与钢套箍7上的凸缘对齐并卡紧，用箍筋10缠绕在钢套箍7的外圆周面上，将钢套箍7和经向杆I或纬向杆2箍紧，之后将端板8焊接在钢套箍7的外端面上，然后将锥头9下底面边缘焊接在端板8的外端圆周上，将锥头9上底面边缘焊接在焊接球节点4上。多个不同空间角度的木杆连接件3连接于一个焊接球节点4上。多根竖向撑杆11的两端分别连接在不同的焊接球节点4和相应的下弦索12上，多根下弦索12的两端分别连接在相対的固定铰支座6或滑动铰支座5上，由此而形成传统形状的肋环型单层弦支球面网壳主体。再将若干个固定铰支座6和滑动铰支座5的上端分别相隔距离安装在网壳主体底部的焊接球节点4上，然后将上述固定铰支座6和滑动铰支座5的下端分别设置在结构柱顶部，由此形成木结构肋环型单层弦支球面网壳。为了检验本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳的抗震性能，本申请人用有限元软件比较了相同外观尺寸和杆件截面面积的本实用新型提供的木结构和已有技术的钢结构肋环型单层弦支球面网壳在水平地震EL-Centro (1940)波作用下8s内的竖向位移最大值，结果见表I。由表I可见，木结构肋环型单层弦支球面网壳在地震作用下的位移变化幅值小于钢结构肋环型单层弦支球面网壳，表明木结构肋环型单层弦支球面网壳受震害影响相对较小、对屋面材料破坏相对较轻。证明了本实用新型提供的木结构肋环型单层弦支球面网壳抗震性能良好，结构安全可靠。表I
权利要求1.一种木结构肋环型单层弦支球面网壳，其特征在于所述的木结构肋环型单层弦支球面网壳包括多根经向杆(I)、多根纬向杆(2)、多个木杆连接件(3)、多个焊接球节点(4)、若干个滑动铰支座(5)、若干个固定铰支座(6)、多根竖向撑杆(11)和多根下弦索(12);其中经向杆⑴和纬向杆⑵均为木杆，每根经向杆⑴和纬向杆⑵的两端分别安装有一个木杆连接件(3);带有木杆连接件(3)的多根经向杆(I)和多根纬向杆(2)通过多个焊接球节点(4)相互连接；多根下弦索(12)均为钢索，每根下弦索(12)的两端分别连接在相对的固定铰支座(6)或滑动铰支座(5)上；多根竖向撑杆(11)均为钢管，每根竖向撑杆(11)的上端连接在焊接球节点(4)上，下端连接在下弦索(12)上，从而形成传统形状的肋环型单层弦支球面网壳主体；所述的木杆连接件(3)包括钢套箍(7)、端板(8)、锥头(9)和箍筋(10);其中钢套箍(7)套装在经向杆⑴及纬向杆(2)的端部外圆周面上；端板⑶安装在钢套箍(7)的外端圆周上；锥头(9)为空心圆台结构，其上、下底面均呈开口状，下底面边缘连接在端板(8)的外侧，上底面边缘焊接在焊接球节点(4)上；箍筋(10)缠绕在钢套箍(7)的外圆周面上，用于将钢套箍(7)和经向杆⑴或纬向杆(2)箍紧；焊接球节点⑷为钢制空心球体；若干个固定铰支座(6)的上端相隔距离安装在单层弦支球面网壳主体底部的焊接球节点(4)上，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座(5)的上端相隔距离安装在单层弦支球面网壳主体底部的其余焊接球节点(4)上，下端以可移动的方式设置在结构柱顶部。
2.根据权利要求I所述的木结构肋环型单层弦支球面网壳，其特征在于所述的经向杆(I)和纬向杆(2)的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍(7)的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。
专利摘要一种木结构肋环型单层弦支球面网壳。其包括多根经向杆、多根纬向杆、多个木杆连接件、多个焊接球节点、若干个滑动铰支座、若干个固定铰支座、多根竖向撑杆和多根下弦索；经、纬向杆两端分别安装一个木杆连接件；带有木杆连接件的多根经、纬向杆通过多个焊接球节点相互连接；下弦索两端连接在固定或滑动铰支座上；竖向撑杆上端连接在焊接球节点，下端连接在下弦索，形成球面网壳主体；若干个固定铰支座的上端相隔距离安装在主体底部的焊接球节点；若干个滑动铰支座的上端相隔距离安装在主体底部的其余焊接球节点。本实用新型的木结构肋环型单层弦支球面网壳具有自重轻、结构动力性能好、施工简便、可靠度高、绿色环保和经济性好等优点。
文档编号E04C3/18GK202416660SQ20122004903
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者武志玮 申请人:中国民航大学