【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及建筑结构，特别地是一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系及结构找形方法。
技术介绍
1、现在技术中的单层网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律地布置而形成的空间结构体系，其受力特点与薄壳结构类似，是以“薄膜”作用为主要受力特征的，即大部分荷载由网壳杆件的轴向力承受。而实际工程应用中，由于建筑曲面形态各异，单层网壳杆件不可避免的会产生一定的弯矩，从而导致杆件需要较大截面；另一方面，传统单层网壳例如拱壳、球壳等结构体系，在竖向荷载作用下结构主要杆件表现为受压为主，其结构形式存在结构整体稳定和杆件局部屈曲的问题。在此基础上，提出了一种在竖向荷载作用下以杆件受拉为主的连续波浪形单层悬垂网格结构体系。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系及结构找形方法，采用悬链线及悬垂面对结构体系进行数学解构，结构构件在竖向荷载及风吸荷载作用下均具有较优的屈曲稳定性能，结构体系用钢量较低，力学性能和经济性能优良。
2、本专利技术通过以下技术方案实现的：
3、一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，包括内部主受力梁、封边主受力梁、内部单层网壳、支撑屋盖柱；所述内部主受力梁及封边主受力梁均为悬链线形，所述内部单层网壳为悬垂面形，所述内部单层网壳与所述主受力梁固定相连构成一片单层悬垂网壳结构体系，若干个单层悬垂网壳结构体系连续相连构成连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系。
4、进一步作为本专利技术技术方案的改进，所述主受力梁为
5、进一步作为本专利技术技术方案的改进，由4条封闭的悬链形曲线构成孔斯曲面，经过悬垂找形得到单层悬垂网壳结构体系。具体的，将基于双曲余弦函数构造的4条封闭悬链线转化为三阶高次非均匀有理b样条曲线(nurbs曲线)，由于nurbs曲线的特性，具有多个控制点的nurbs曲线可以完全等代悬链线的曲线特性。
6、更进一步的，由4条nurbs曲线化的悬链线构造双三次孔斯曲面的数学函数表达式为：
7、
8、
9、式中，ck(u)表示曲面在节点矢量u方向的曲线形态，cl(v)表示曲面在节点矢量v方向的曲线形态，ni，p(u)为节点矢量u确定的p次b样条基函数，节点矢量u可表达为nj，q(v)为节点矢量v确定的q次b样条基函数，节点矢量v可表达为
10、更进一步的，4条封闭悬链线曲线的四个顶点取为闭合曲线的交点，也即是支撑屋盖柱柱点，支撑屋盖柱点在双三次孔斯曲面上的数学表达式为：
11、s0,0＝ck＝0(u＝0)＝cl＝0(v＝0)
12、s1,0＝ck＝0(u＝1)＝cl＝1(v＝0)
13、s0,1＝ck＝1(u＝0)＝cl＝0(v＝1)
14、s1,1＝ck＝1(u＝1)＝cl＝1(v＝1)
15、更进一步的，连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构相邻悬垂网壳之间共用一条悬链线形边界曲线，根据波浪形特点，则在悬链线边界处两曲面仅跨界c0连续即可，由这相邻曲面组合成的新曲面在公共边界处不是光滑过度，而是会有一条折痕，这与屋面的连续波浪造型相吻合。
16、更进一步的，双三次孔斯曲面可以定义为：s(u,v)＝s1(u,b)+s2(u,v)-t(u,v)，其中：s1(u,v)是ck(u)的三次曲面，s2(u,v)是cl(v)的三次曲面，t(u,v)是由16个系数矢量定义的三次张量积曲面。s(u,v)为由悬链线边界线生成的双三次孔斯曲面。
17、进一步作为本专利技术技术方案的改进，连续波浪形单层悬垂网格结构体系的内部悬垂网格为悬垂曲面造型，悬垂曲面基于4条封闭悬链线曲线构成的双三次孔斯曲面悬垂找形得到。
18、进一步作为本专利技术技术方案的改进，内部悬垂网格结构体系均为直杆，与传统的柔性悬垂梁结构相比，内部悬垂网壳为刚性结构，最终网格造型为由以直代曲的直杆生成。
19、进一步作为本专利技术技术方案的改进，多片波浪造型的单层悬垂曲面的交点位置为单层悬垂网壳结构体系的支撑屋盖柱，支撑屋盖柱与单层悬垂网壳结构的连接采用万向铰支座固定相连。
20、进一步作为本专利技术技术方案的改进，内部悬垂网壳均为刚接节点或装配式半刚接节点，内部悬垂网壳与主受力梁采用全螺栓铰接连接或焊接刚接连接。
21、进一步作为本专利技术技术方案的改进，相邻悬垂网壳之间的主受力梁共用一条悬链线，多片单层悬垂网壳组合形成连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系。
22、进一步作为本专利技术技术方案的改进，一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系的找形方法，包括以下步骤：
23、步骤s1、提取建筑表皮的主受力梁线条(非悬链线形)，基于悬链线的双曲余弦函数将主受力梁转化为悬链线形式；
24、步骤s2、由4条围闭的主受力悬链线构成双三次孔斯曲面，在该曲面基础上进行初始网格划分，并将初始网格离散为结构有限元模型；需要指出的是，对于由一条封边主受力梁及两条内部主受力梁构成的三角形边界曲面，若仅采用3边构成孔斯曲面，则会造成某一方向参数域凝聚。为了避免这一现象，采用2条内部主受力梁构造空间平行四边形，基于空间平行四边形再构造双三次孔斯曲面。
25、步骤s3、将连续波浪形初始单层网壳的其中一片内部单层网壳，约束其主受力梁节点，对内部网壳节点施加竖向荷载，得到内部单层网壳节点的竖向位移；
26、步骤s4、对内部单层网壳节点进行迭代找形，内部单层网壳节点移动方向根据内部单层网壳节点距初始建筑表皮的均衡距离确定，根据均衡距离的正负值确定内部节点竖直向上或向下的移动状态，各内部节点的移动长度结合蒙特卡罗方法确定；
27、步骤s5、为保证找形后的曲面与初始建筑曲面外形的一致性，找形目标可设置为内部单层网壳节点与初始建筑表皮的均衡距离最小，同时也可设置弯曲应变能量比例、总应变能量值、竖向位移等其他找形目标，具体找形目标设置可结合实际工程需求确定；
28、步骤s6、对构成连续波浪形的各个内部单层网壳进行步骤s3～s5遍历，得到各个内部单层网壳的悬垂网壳构型,多片连续悬垂网壳构成连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系。
29、需要特别指出，本专利技术专利的连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系为刚性结构，应用于索网等柔性结构的找形方法并不适用于本结构体系，主要体现为单层悬垂网壳结构内部必然存在弯曲应变能量，单层悬垂网壳结构找形的目的是寻找一种契合刚性悬垂网壳的结构外形，使结构体系的弯曲应变能量的比例尽可能降低，提高单层网壳的利用率及整体结构的经济性。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：包括内部主受力梁、封边主受力梁、内部单层网壳、支撑屋盖柱；所述内部主受力梁及封边主受力梁均为悬链线形，所述内部单层网壳为悬垂面形，所述内部单层网壳与所述主受力梁固定相连构成一片单层悬垂网壳结构体系，若干个单层悬垂网壳结构体系连续相连构成连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系。
2.根据权利要求1所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：所述主受力梁为连续弯曲的悬链线造型，描述悬链线的双曲余弦函数主要控制参数包括悬链线起点至终点的高差、起点至终点的水平投影距离、悬链线长度，设定主受力梁由平面投影长度L，高差Δh，曲线真实长度为l的悬链线构成，基于悬链线最低点建立xoy直角坐标系，则悬链线方程满足y(x)＝1/k[cosh(kx)-1]，其中k满足cosh(kL)-1＝k2/2(l2-Δh2)。
3.根据权利要求2所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：由4条封闭的悬链形曲线构成孔斯曲面，经过悬垂找形得到单层悬垂网壳结构体系；将基于双曲余弦函数构造的4条封闭悬链线转化为三阶高
4.根据权利要求3所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系的内部悬垂网壳为悬垂曲面造型，悬垂曲面基于4条封闭悬链线曲线构成的双三次孔斯曲面悬垂找形得到。
5.根据权利要求4所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：4条封闭悬链线曲线的四个顶点取为闭合曲线的交点，也即是支撑屋盖柱柱点，支撑屋盖柱点在双三次孔斯曲面上的数学表达式为：
6.根据权利要求1所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：内部悬垂网格结构体系均为直杆，与传统的柔性悬垂梁结构相比，内部悬垂网壳为刚性结构，最终网格造型为由以直代曲的直杆生成。
7.根据权利要求1所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：多片波浪造型的单层悬垂曲面的交点位置为单层悬垂网壳结构体系的支撑屋盖柱，支撑屋盖柱与单层悬垂网壳结构的连接采用万向铰支座固定相连。
8.根据权利要求1所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：内部悬垂网格均为刚接节点或装配式半刚接节点，内部悬垂网格与主受力梁采用全螺栓铰接连接或焊接刚接连接。
9.根据权利要求1所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：相邻悬垂网格之间的主受力梁共用一条悬链线，多片单层悬垂网壳组合形成连续波浪形单层悬垂刚性结构体系。
10.一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系的找形方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：包括内部主受力梁、封边主受力梁、内部单层网壳、支撑屋盖柱；所述内部主受力梁及封边主受力梁均为悬链线形，所述内部单层网壳为悬垂面形，所述内部单层网壳与所述主受力梁固定相连构成一片单层悬垂网壳结构体系，若干个单层悬垂网壳结构体系连续相连构成连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系。
2.根据权利要求1所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：所述主受力梁为连续弯曲的悬链线造型，描述悬链线的双曲余弦函数主要控制参数包括悬链线起点至终点的高差、起点至终点的水平投影距离、悬链线长度，设定主受力梁由平面投影长度l，高差δh，曲线真实长度为l的悬链线构成，基于悬链线最低点建立xoy直角坐标系，则悬链线方程满足y(x)＝1/k[cosh(kx)-1]，其中k满足cosh(kl)-1＝k2/2(l2-δh2)。
3.根据权利要求2所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，其特征在于：由4条封闭的悬链形曲线构成孔斯曲面，经过悬垂找形得到单层悬垂网壳结构体系；将基于双曲余弦函数构造的4条封闭悬链线转化为三阶高次非均匀有理b样条曲线，由于nurbs曲线的特性，具有多个控制点的nurbs曲线可以完全等代悬链线的曲线特性；由4条nurbs曲线化的悬链线构造双三次孔斯曲面的数学函数表达式为：
4.根据权利要求3所述的一种连续波浪形单层悬垂刚性网壳结构体系，...
【专利技术属性】
技术研发人员：区彤，刘雪兵，张佳武，林松伟，
申请(专利权)人：广东省建筑设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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