[发明专利]一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于农业建筑技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明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，本发明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。

本发明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。

本发明的有益效果：