一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用，采用在网壳面内及面外布置拉杆，开发一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系。基于有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对新型拉杆式温室网壳进行了弹性、弹塑性全过程分析，系统地考察了极限承载力、失稳模态、塑性发展分布等特征响应，同时考虑初始几何缺陷、荷载不对称分布、拉杆预应力等因素变化对温室网壳结构弹塑性稳定性能影响规律。最后，提出适用于新型拉杆式柱面温室网壳的塑性折减系数，用以表示材料非线性对极限承载力的影响。这些成果为继续开展新型网壳结构的弹塑性稳定性能研究以及实际工程的应用提供重要的理论依据与技术支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于农业建筑
，涉及一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用。
技术介绍
我国温室结构普遍采用轻型钢结构框架形式，如果过度追求大跨度，并且采用传统的方法计算这种轻钢结构的稳定性易导致用钢量过大，并不经济实用[1][2]。近年，因单层网壳受力比较合理、结构刚度大、跨越能力大，及其空间无柱化及造型美观等特点，被广泛应用于温室建筑[3][4]。最常见单层网壳的网格形式包括双向网格和三向网格，从结构自重、采光等方面考虑，双向网格型网壳优于三向网格型网壳，但是双向网格型网壳的面内及面外刚度比较低，因此受到了国内外学者的广泛关注。从以往的研究来看，学者们通常采用在双向网格的两个对角处布置拉杆来增强其面内刚度[5，6]，或通过布索方式来提高整体稳定性能[7，8]，但是有关单层柱面网壳面外布置拉杆的设计方案很少见，并且目前缺乏这种拉杆式单层柱面网壳应用于温室建筑的工程实例。稳定性分析是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题，近年来，我国学者对网壳结构的弹塑性稳定性能研究也取得了一定的成果，这些工作的开展为网壳弹塑性稳定研究工作奠定了良好的理论基础[9][10]。文献[11]通过荷载-位移全过程分析对各种形式网壳结构的稳定性能进行了深人研究，提出了单层球面网壳、柱面网壳和椭圆抛物面网壳稳定性承载力的实用计算公式。文献[12]以单层球面网壳为研究对象，系统地考察了初始几何缺陷和荷载不对称分布等因素对球面网壳稳定性能的影响规律，并提出了适用于球面网壳的塑性折减系数。文献[13，14]对单层柱面网壳结构的弹塑性稳定性能进行了系统的研究，考查了初始缺陷和荷载不对称分布对其稳定性能的影响，在此基础上提出了供设计使用的实用公式，在理论和计算方法上取得了丰硕的成果。但是，现有技术中，拉杆式柱面网壳失稳前后结构稳定性能研究还缺乏深入的认识。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用，利用大型通用有限元软件ANSYS，针对新型拉杆式单层柱面网壳结构开展系统的研究，考察了拉杆预应力、初始缺陷、荷载不对称分布等因素对网壳结构弹塑性稳定性的影响。在此基础上，提出了适用于新型拉杆式柱面温室网壳的塑性折减系数，比较真实地反映了此类结构的弹塑性稳定性能，更具有理论与实用价值。其技术方案如下：在柱面网壳的网格对角处及横断面处布置拉杆，开发一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系，横向布置拉杆大幅度提高了网壳极限承载力，极限承载力最大可提高55％。通过对拉杆施加预应力，四边支承柱面温室网壳极限承载力最大可提高6％，同时对提高网壳的初始刚度起到一定作用。和以往单层柱面网壳不同，新型拉杆式柱面温室网壳极限承载力受竖向不对称荷载分布影响有增大趋势，当p/g＝0.25时，网壳极限承载力最大可提高25％。进一步，本专利技术所述新型拉杆式柱面温室网壳结构体系的弹塑性极限承载力相对弹性极限承载力有大幅度降低，塑性折减系数在0.55～0.85之间，表明按照弹性极限承载力的50％估算结构实际承载能力是偏于不安全的。本专利技术所述新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系可实现在温室网壳工程中的应用，可以取得较好的技术和经济效果。本专利技术的有益效果：本专利技术采用在网壳面内及面外布置拉杆，开发一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系。新型拉杆式单层柱面温室网壳自重g＝0.13kN/m2，最大承载力可达2.1kN/m2，这种轻质、高强、透光率高的新型拉杆式单层柱面网壳应用于温室结构设计可以取得较好的技术和经济效果。基于有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对新型拉杆式温室网壳进行了弹性、弹塑性全过程分析，系统地考察了极限承载力、失稳模态、塑性发展分布等特征响应，同时考虑初始几何缺陷、荷载不对称分布、拉杆预应力等因素变化对温室网壳结构弹塑性稳定性能影响规律。最后，提出适用于新型拉杆式柱面温室网壳的塑性折减系数，用以表示材料非线性对极限承载力的影响。这些成果为继续开展新型网壳结构的弹塑性稳定性能研究以及实际工程的应用提供重要的理论依据与技术支撑。附图说明图1为beam189单元及截面积分点；图2为柱面温室网壳类型，其中图2(a)为柱面网壳几何构造，图2(b)为柱面网壳平面及立面图，图2(c)为两纵边支承网壳，图2(d)为四边支承网壳；图3为荷载不对称分布；图4为不同缺陷下荷载-位移全过程曲线(f/b＝1/5)，其中，图4(a)为四边支承柱面网壳，图4(b)为两纵边支承柱面网壳；图5为柱面网壳的初始缺陷影响系数，其中，图5(a)为两纵边支承，图5(b)为四边支承；图6为拉杆预应力下的荷载-位移全过程曲线(f/b＝1/6)；图7为四边支承柱面网壳临界点时刻的节点位移(f/b＝1/6)，其中图7(a)为Nl＝0kN，图7(b)为Nl＝40kN；图8为荷载不对称作用下的全过程曲线(四边支承)，其中，图8(a)为f/b＝1/5，图8(b)为f/b＝1/6；图9为临界点时刻柱面网壳轴力分布(四边支承)，其中图9(a)为p/g＝0，图9(b)为p/g＝1/4；图10为完整网壳的失稳模态(f/b＝1/4)，其中，图10(a)p/g＝0，两纵边支承，图10(b)p/g＝1/4，两纵边支承，图10(c)p/g＝1/2，两纵边支承，图10(d)p/g＝0，两纵边支承，图10(e)p/g＝1/4，两纵边支承，图10(f)p/g＝1/2，两纵边支承；图11为柱面网壳临界点时刻及失稳后塑性发展分布状况(f/b＝1/4)，其中，图11(a)荷载位移全过程曲线(p/g＝0)，图11(b)临界点时刻塑形发展分布(p/g＝0)，图11(c)失稳后塑形发展分布(p/g＝0)，图11(d)荷载位移全过程曲线(p/g＝1/4)，图11(e)临界点时刻塑形发展分布(p/g＝1/4)，图11(f)失稳后塑形发展分布(p/g＝1/4)。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。1分析方法与参数方案本专利技术采用通用有限元软件ANSYS，结合自编的前后处理程序，构建了结构荷载-位移全过程分析的标准化流程。分析中，节点假设为刚接，杆件的模拟采用软件自定义的Beam189梁元，该单元为3结点二次梁元，基于Timoshenko梁元理论，在非线性分析中考虑大变形、大转角和大应变效应。为说明杆件截面的塑性发展程度，每个截面有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系，其特征在于，在柱面网壳横断面处设有斜拉杆，横向布置拉杆大幅度提高了网壳极限承载力，极限承载力最大提高55％；通过对拉杆施加预应力，四边支承柱面温室网壳极限承载力最大提高6％，同时对提高网壳的初始刚度起到一定作用；极限承载力受竖向不对称荷载分布影响有增大趋势，当p/g＝0.25时，网壳极限承载力最大提高25％。

【技术特征摘要】
1.一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系，其特征在于，在柱面网壳横断面处设
有斜拉杆，横向布置拉杆大幅度提高了网壳极限承载力，极限承载力最大提高55％；通过对
拉杆施加预应力，四边支承柱面温室网壳极限承载力最大提高6％，同时对提高网壳的初始
刚度起到一定作用；极限承载力受竖向不对称荷载分布影响有增大趋势，当p/g＝0.25时，网
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【专利技术属性】
技术研发人员：张中昊，付强，汪可欣，
申请(专利权)人：东北农业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23