一种大跨度单双层组合网壳结构及其设计方法与流程

本发明属于大跨度空间”结构，尤其是涉及一种大跨度单双层组合网壳结构及其设计方法。

背景技术：

1、作为典型的大跨空间结构之一的网壳结构，具有受力合理、布置灵活、自重轻、抗震性能好的特点。此外，网壳结构施工安装简便，杆件和节点工厂化程度高，符合现代建筑工业化的要求。

2、在工程应用上，较为常见的是双层网壳结构，其次是单层网壳结构。双层网壳结构整体受力性能好，跨越能力大，但杆件、节点较密集，会导致结构占用空间大、建筑透光性差等问题。单层网壳结构杆件数量较少，结构形式简洁、美观，但有整体结构稳定性相对较差、跨度一般较小的局限性。此外也有工程根据结构受力特性和建筑功能需求将单层、双层网壳组合形成局部双层网壳结构，但多为单个规则几何外形。

3、实际工程中，为了提高建筑空间利用率，建筑屋盖较多倾向于偏扁平的造型，屋盖曲面的曲率一般较小，而屋面曲率较小会较难发挥网壳的整体空间力学性能。且该类型屋盖的下部支承结构一般都需要为屋盖结构提供足够的抗侧刚度，导致下部支承结构和基础往往需要特地加强加大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的大跨度单双层组合网壳结构及其设计方法，对建筑屋盖曲面曲率以及下部支承结构和基础要求较低。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

3、一种大跨度单双层组合网壳，其特征在于：包括左侧单层网壳、中间单层网壳、右侧单层网壳、左侧开口双层网壳、中间开口双层网壳和右侧开口双层网壳；左侧开口双层网壳和右侧开口双层网壳均为中心开洞口的球面双层网壳，中间开口双层网壳为中心开洞口的柱面双层网壳；左侧单层网壳覆盖在左侧开口双层网壳的洞口区域上，左侧开口双层网壳与左侧单层网壳相连形成周边双层中间单层的左侧单双层组合网壳；中间单层网壳覆盖固定在中间开口双层网壳的洞口区域上，中间开口双层网壳与中间单层网壳相连形成周边双层中间单层的中间单双层组合网壳；右侧单层网壳覆盖固定在右侧开口双层网壳的洞口区域上，右侧开口双层网壳与右侧单层网壳相连形成周边双层中间单层的右侧单双层组合网壳；左侧单双层组合网壳、中间单双层组合网壳、右侧单双层组合网壳由左至右连接在一起形成整体，构成一大跨度单双层组合网壳；所述的大跨度单双层组合网壳设置有下部支承结构，该下部支承结构为周边点支承和中间点支承，中间点支承采用中间2点支承，中间点支承分别设置在左右侧开口双层网壳与中间开口双层网壳的交汇处。

4、本发明左侧开口双层网壳、中间开口双层网壳和右侧开口双层网壳的内外圈均设置有封闭桁架；左侧开口双层网壳通过内圈的封闭桁架与左侧单层网壳相连，中间开口双层网壳通过内圈的封闭桁架与中间单层网壳相连，右侧开口双层网壳通过内圈的封闭桁架与右侧单层网壳相连。

5、本发明左侧单层网壳的杆件、中间单层网壳的杆件、右侧单层网壳的杆件、左侧开口双层网壳的上弦杆件、中间开口双层网壳的上弦杆件和右侧开口双层网壳的上弦杆件组合在一起构成所述的大跨度单双层组合网壳的上弦杆件，所述的大跨度单双层组合网壳的上弦杆件所在曲面为上弦曲面；

6、左侧开口双层网壳的下弦杆件、中间开口双层网壳的下弦杆件和右侧开口双层网壳的下弦杆件组合在一起构成所述的大跨度单双层组合网壳的下弦杆件，所述的大跨度单双层组合网壳的下弦杆件所在曲面为下弦曲面；

7、左侧开口双层网壳的腹杆、中间开口双层网壳的腹杆和右侧开口双层网壳的腹杆组合在一起构成所述的大跨度组合单双层网壳的腹杆。

8、本发明所述的上弦曲面为按满足建筑造型需求的较平缓曲面；所述的下弦曲面曲率较上弦曲面曲率有所增大。

9、本发明所述的下弦曲面的几何形状由左至右为球面、柱面、球面。

10、本发明左侧单双层组合网壳、中间单双层组合网壳、右侧单双层组合网壳均为变厚度网壳，变厚度网壳中间厚度较小，周边厚度较大。

11、本发明所述的周边点支承和中间点支承采用结构柱；所述的周边点支承上采用双向弹性球铰支座，中间点支承上采用固定球铰支座。

12、本发明所述的左侧单层网壳、中间单层网壳、右侧单层网壳的轮廓投影为圆形或椭圆形。

13、一种大跨度单双层组合网壳结构的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

14、1）、根据建筑屋盖造型结合建筑面层厚度，将原始建筑屋面曲面内偏一定距离得到该大跨度单双层组合网壳的上弦曲面；

15、2）、根据建筑平面轮廓的几何外形特性和尺寸，绘制该大跨度单双层组合网壳轮廓在平面上的投影线，拟合一个从结构受力角度上出发、曲率合理的下弦曲面；下弦曲面曲率较上弦曲面曲率有所增大；所述的下弦曲面的几何形状由左至右为球面、柱面、球面；

16、3）、绘制左侧单层网壳、中间单层网壳、右侧单层网壳在平面上的投影线，左侧单层网壳、中间单层网壳、右侧单层网壳的轮廓投影为圆形或椭圆形；

17、4）、对该大跨度单双层组合网壳的下弦曲面进行网格划分，得到的网格线即为该大跨度单双层组合网壳的下弦杆件的结构线；

18、5）、对该大跨度单双层组合网壳的上弦曲面进行网格划分；依次对左侧单层网壳、中间单层网壳、右侧单层网壳对应的上弦曲面进行网格划分；左侧开口双层网壳、中间开口双层网壳和右侧开口双层网壳的上弦网格基于已经划分好的下弦曲面网格，提取下弦曲面网格每个面域的中心点映射至上弦曲面，映射点的连线调整形成上弦网格；将上述单层网壳、双层网壳部分的上弦网格组合在一起，即为该大跨度单双层组合网壳的上弦杆件的结构线；

19、6）、将该大跨度单双层组合网壳的下弦网格点分别与最近的三个该大跨度单双层组合网壳的上弦网格点连线组成该大跨度单双层组合网壳的腹杆的结构线；

20、7）、将上述下弦杆件的结构线、上弦杆件的结构线、腹杆的结构线组合在一起构成了大跨度单双层组合网壳的结构线；

21、8）、确定该大跨度单双层组合网壳的下部支承形式，采用周边点支承结合中间点支承的形式；中间点支承采用中间2点支承，分别设置在左右侧开口双层网壳与中间开口双层网壳的交汇处；周边点支承上采用双向弹性球铰支座，中间2点支承上采用固定球铰支座。

22、9）确定该大跨度单双层组合网壳的杆件连接节点形式。

23、本发明步骤9）中，左侧开口双层网壳、中间开口双层网壳和右侧开口双层网壳的杆件节点连接形式为在内外圈封闭桁架中采用相贯节点焊接的形式，其余采用螺栓球或焊接球连接形式；左侧单层网壳、中间单层网壳、右侧单层网壳的杆件连接节点形式为采用中间圆管加矩形连接板的形式。

24、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

25、1、本发明组成模块明确，构造合理。在建筑屋盖曲面曲率相对较小的情况下，可采用上弦曲面保持建筑屋盖曲率不变，通过合理增大组合网壳下弦曲面的曲率来改善整体屋盖的空间力学性能，从平板式受力模式变为壳体受力模式，解决了“屋面曲率较小会较难发挥网壳的整体空间力学性能”的问题。本发明结构对建筑屋盖曲面曲率要求相对较低，可充分发挥壳体特性，材料利用率高，与一般大跨屋盖桁架结构、网架结构相比，能较大幅度降低屋盖用钢量。

26、2、本发明可利用左右两侧球面网壳的外圈封闭桁架的环箍约束作用提供球面网壳的整体结构刚度，进一步利用两侧球面网壳对中间的柱面网壳提供侧向支撑，以保证整体组合网壳结构自身具体较大刚度，大大降低了对下部支承结构和基础的刚度需求，即解决了“下部支承结构和基础往往需要特地加强加大”的问题。本发明结构整体刚度好，跨越能力大，且对下部支承结构和基础要求低，综合经济效益好。

27、3、本发明的左中右三个单层网壳区域范围相对较大，结构形式简洁、美观，结构通透性好，可作为建筑采光天窗，能满足建筑较高的采光要求。本发明的双层网壳区域能较好适应复杂的边界条件，在外形上更容易贴合建筑要求的外轮廓，且允许建筑外轮廓根据造型需求增加挑檐等附加外围结构。本发明适用性相对较广，较容易兼顾建筑的功能性、美观性。

28、综上，本发明从受力上基于单双层网壳发挥各自优势，先有效结合形成周边双层中间单层的单双层组合网壳形式，充分利用球面网壳中部以薄膜内力为主的特点，中间采用单层网壳，形式简洁，可满足建筑较高采光要求；支座边缘存在边界效应，受力比较复杂、变化大，采用厚度较大的双层网壳更能适应受力要求，在外形上也更容易贴合建筑要求的外轮廓。再从几何上利用左右两侧球面网壳再叠加中间柱面网壳构成整体刚度较大的组合网壳形式，可很好地适应类长圆形大跨度建筑使用空间，最终实现良好的整体空间受力模式。最终可通过静力分析、非线性分析，控制体系变形、构件应力、稳定性等计算分析方法，保障本结构体系的整体承载性能。本发明适用于类长圆形大跨空间（长宽比大于2）且有较高屋顶采光要求的建筑类型例如大型站房、会展中心、水乐园、游乐园等，具有较大应用前景。