一种异型多曲面单层网壳的参数化设计方法与流程

本发明涉及建筑工程设计，尤其涉及一种异型多曲面单层网壳的参数化设计方法。

背景技术：

1、网壳结构同时具有构件结构和薄壳结构的特点，受力合理，能够实现较大的跨度，常规薄壳结构或者网格结构不能实现的结构，网壳结构几乎都能实现，基于上述特点，网壳结构通常用于大跨度的体育场馆、机场、火车站或者港口等结构上。随着大跨度、大空间建筑的普及，杂交球面网壳、杂交柱面网壳或者双曲抛物面网壳等均有实例，网壳表面整体呈流线型或者放射结构；用作屋面的网壳会被多个支柱撑起，使网壳内部形成人员活动空间或者构筑物装配空间。

2、图1展示了一种屋面为双向正弦曲线起伏的网壳结构，由上凸正壳和下凹反壳交替相连而成，这是一种异型结构，不同于常规的马鞍形、椭圆形或者球形。该结构的单层网壳，由于形状特殊，需要重点考虑其结构稳定性。影响网壳稳定性的因素较多，采用的连接材料、节点类型、荷载形式都会影响。因此，有必要提供一种针对异型的双向正弦曲线起伏的单层网壳结构提供一种可靠的参数化设计方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种针对特异结构的、具有异型多曲面的单层网壳的整体结构稳定性提出的参数化设计方法。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种异型多曲面单层网壳的参数化设计方法，包括如下步骤：

3、s1：依照双向正弦曲线的结构特点，采用平直的构件(100)作为异型单层网壳的主体，设定构件(100)的截面形状；相邻的所述构件(100)交汇处形成多个节点(200)；根据设计需求获取异型单层网壳的矢高、跨度、长细比、边缘构件(100)和挠度限值；

4、s2：获取异型单层网壳的恒荷载，以及异型单层网壳所在地的可变荷载、温度作用与地震作用；采用静力模型计算软件进行静力设计计算；

5、s3：选择符合设计规范的静力设计计算结果，并分别获取各节点(200)的应力比；

6、s4：选取位于异型单层网壳的上凸正壳的轮廓、下凹反壳的轮廓或者异型单层网壳边缘处的节点(200)所在部位，分别通过有限元分析软件建立节点(200)所在部位的三维实体模型，对节点(200)所在部位的三维实体模型进行网格划分，给定构成节点(200)所在部位的三维实体模型的材料，设定收敛准则，并进行迭代计算；

7、s5：获取节点(200)所在部位的各构件(100)的极限状态变形模态和荷载位移曲线，验证构件(100)的截面形状是否满足需求；

8、s6：任一节点(200)所在的任一构件(100)不满足设计规范需求，则重复步骤s1—s5；所有节点(200)所在的各构件均满足设计规范需求，则输出异型单层网壳的各节点(200)所在的各构件(100)的几何参数。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1所述依照双向正弦曲线的结构特点，采用平直的构件(100)作为单层网壳的主体，是将双向正弦曲线水平展开后，与联方形扁网壳、施威德勒型扁网壳、三向网格扁网壳或者短程线型扁网壳的任一种进行复合，构成异型单层网壳；异型单层网壳的每一条边即为一个平直的构件(100)，至少两个不同的构件(100)的公共端共同形成一个节点(200)。

10、优选的，步骤s2所述采用静力模型计算软件进行静力设计计算，是分别对异型单层网壳模型以及异型单层网壳所在的结构整体模型，采用3d3s钢结构设计软件作为主静力模型计算软件，采用sap2000软件作为校核静力模型计算软件，分别在不同的模型软件内建立异型单层网壳的几何模型；对于可变荷载，令风振响应的基本自振周期设定大于0.25秒；雪荷载根据异型单层网壳所在地而决定；对于地震作用，采用振型分解反应谱法，振型分解反应谱法包含的振型向量大于30个，采用随机振动的方式生成震源；令稳定性设定的初始缺陷按1/300给定，结构稳定性安全系数大于4.2；对于温度作用，分别人为给定受压温度应力和受拉温度应力。

11、优选的，步骤s4所述分别通过有限元分析软件建立节点(200)所在部位的三维实体模型，对节点(200)所在部位的三维实体模型进行网格划分，给定构成节点(200)所在部位的三维实体模型的材料，设定收敛准则，并进行迭代计算，是对异型单层网壳不同部位的节点(200)采用有限元分析软件ansys建立三维实体模型，采用实体单元solid185，对各节点(200)采用自由网格划分，生成若干个四面体单元；给定材料为钢材，弹性模量e＝2.06e5n/mm；泊松比v＝0.3；屈服强度为345mpa；给定收敛准则为强度应力、挠度值和舒适度振动频率同时收敛。

12、优选的，所述节点(200)包括普通节点(201)和柱顶节点(202)；普通节点(201)包括若干构件(100)和第一连接部(203)，各构件(100)的端部与第一连接部(203)的两个相邻的表面固定连接；柱顶节点(201)包括若干构件(100)和立柱(204)，立柱(204)用于支撑单层网壳，各柱顶节点(202)的构件(100)的一端与立柱(204)远离地面的表面固定连接，各柱顶节点(202)的构件(100)的另一端朝着远离立柱(204)的方向向外伸出。

13、进一步优选的，所述构件(100)为截面为矩形的方钢管；立柱(204)为空心钢管。

14、优选的，所述第一连接部(203)包括若干支撑板(2031)，所述若干支撑板(2031)的一端相互固定连接，若干支撑板(2031)的另一端朝着远离公共端的方向朝外延伸，相邻的支撑板(2031)之间呈夹角设置；构成普通节点(201)的各构件(100)的一端还伸入相邻的支撑板(2031)之间，并与相邻的两个支撑板(2031)的相邻的端面固定连接，普通节点(201)的各构件(100)的另一端朝着远离第一连接部(203)的方向朝外伸出，且普通节点(201)的各构件(100)向着远离第一连接部(203)伸出的角度不完全相同。

15、更进一步优选的，所述柱顶节点(202)还包括设置在立柱(204)内部的若干第二连接部(205)和若干第三连接部(206)；所述若干第二连接部(205)沿着立柱(204)的径向方向水平延伸并与立柱(204)的内表面固定连接，第二连接部(205)的端部与两个不相邻的构件(100)靠近立柱(204)的端部对应设置；所述若干第三连接部(206)设置在相邻的第二连接部(205)之间，或者第二连接部(205)的端面与立柱(204)的内表面之间；第三连接部(206)靠近立柱(204)内表面的端部与另外两个不相邻的构件(100)靠近立柱(204)的端部对应设置。

16、优选的，位于第二连接部(205)延伸方向的两个不相邻的构件(100)，其中心轴之间的夹角大于其余任意两个与立柱(204)连接的不相邻的构件(100)的中心轴之间的夹角；设置第三连接部(206)的原则是使第三连接部(206)在立柱(204)内部具有更大的表面积。

17、优选的，所述柱顶节点(202)的支撑单层网壳的立柱(204)的布置，需要同时满足如下规则设置：1)各立柱(204)均沿着复合构成异型单层网壳的扁网壳的轮廓向内偏移一定距离，各立柱(204)的中心轴线的端点顺次连接合围形成的封闭图形是向外凸出的；2)各立柱(204)的中心轴相对于双向正弦曲线的纵向中心面中心对称设置，且靠近双向正弦曲线的纵向中心面的相邻立柱(204)的中心轴的间距，不小于远离双向正弦曲线的纵向中心面的相邻立柱(204)的中心轴的间距；3)如设置架空层或者设备放置层，需要在架空层或者设备放置层投影位置的边缘对应设置立柱(204)，各相邻立柱(204)的侧表面之间均设置连接相邻立柱(204)的加强梁；4)各立柱(204)远离地面的一端的外表面至少与四个不同的构件(100)的端部固定连接。

18、本发明提供的一种异型多曲面单层网壳的参数化设计方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：

19、(1)本方案首先通过静力模型计算软件基于构件建立集合模型，结合静荷载、可变荷载和作用等影响，筛选可能的异型单层网壳的可能的结构，然后进一步利用有限元分析软件进行异型单层网壳各节点的模型，对不同位置的各节点逐一进行基于收敛的迭代运算，选出合适截面尺寸的构件和对应的异型单层网壳，并输出各构件的尺寸、空间三维坐标等几何参数，简化设计工作量的同时筛选出结构稳定性好的异型单层网壳的整体结构及具体构件；

20、(2)第一连接部、第二连接部和第二连接部分别为普通节点或者柱顶节点进行结构增强，同时减少钢材耗用，维持稳定性的同时有利于降低异型单层网壳的整体重量。