竹制三向网格型网壳的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种竹制三向网格型网壳，由上部三向网格型球面网壳、下部撑杆体系、混凝土基础组成，多个纬向多边环形构件以中心的钢节点为圆心同心布置，中心的钢节点通过径向杆与内层的纬向多边环形构件的纬向杆首尾相接处的钢节点连接，相邻纬向多边环形构件之间通过三角斜撑、径向杆连接，竖向支撑通过最外层的纬向多边环形构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳连接，Y型上支撑通过次外层的纬向多边环向构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳相连接，Y型下撑杆与横向连系杆通过钢节点连接；竖向支撑和Y型下撑杆通过基础的钢节点与混凝土基础连接。本发明具有自重轻、跨度大、刚度大、结构整体性好、施工简便、绿色环保和经济性好等优点。
【专利说明】
竹制三向网格型网壳
技术领域
[0001]本发明涉及一种竹材建筑，涉及一种适用于大跨度屋盖结构的主结构球面网壳的结构。
【背景技术】
[0002]目前，我国建筑业的主要材料以混凝土和钢材为主，无论是钢结构的预制加工还是混凝土结构的浇筑，都属于高污染、高耗能的产业，并不符合国家可持续发展的目标。
[0003]今年来，随着绿色建筑理念的提出，绿色建筑日益受到社会广泛关注。近年来轻型木结构越来越受到人们的青睐，然而，我国森林资源十分匮乏，且树木成材周期较长，因而建筑用材非常有限，生产线不利开发，因此难以大力推广轻型木结构。而同时，我国的竹材资源非常丰富。成材周期短、竹材繁殖能力强、抗拉、抗压性能强，可为竹结构的大量建造提供充足的原材料。综上，开发和利用竹材，将竹材广泛应用于建筑结构领域是实现建筑环保绿色、保障社会可持续发展的必要措施。
[0004]竹材建筑与可持续发展的话题由来已久，竹材有很多优点，如重量轻、结实、有韧性，是一个非常环保的建筑材料，竹材建筑具有其他建材无可比拟的优越性:
I资源可再生。竹材是一种极好的可再生资源，可永续再用。竹材拥有生长周期快、产量高性能。
[0005]2环保产品无污染。竹材在大自然环境中对氧气及二氧化碳的平衡是非常重要元素，固碳能力强。作为建筑材料，在施工建造过程中能耗、污染方面远远小于砖石、混凝土类建筑物，是很好的绿色材料。
[0006]3抗拉、抗压。竹子具有很高的强度，抗拉强度是钢材的2倍，抗压强度是混凝土的2倍。
[0007]4抗震能力强。由于质量轻，弹性好，竹子的抗震功能非常突出，即使在强烈的地震中整体结构出现变形，也不会散架或垮塌。
[0008]5传统&现代结合。竹材建筑是传统技术在现代建筑设计中的合理应用，顺应了时代的发展潮流。
[0009]然而，目前在工程中的竹结构主要以跨度较小的结构为主，但难以在一些特殊形式的空间结构如网壳中使用。而在一些公共建筑中(如影剧院、大型会场、展览中心等等)，大跨度的空间形式具有较大的需求。
【发明内容】
[0010]本发明针对上述问题，本发提供一种跨度大、结构刚度大、维修简便的竹制三向网格型网壳。
[0011]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种竹制三向网格型网壳，由上部三向网格型球面网壳、下部撑杆体系、混凝土基础组成，上部三向网格型球面网壳包括多个由玮向杆首尾相接形成的玮向多边环形构件、多根径向杆、多个钢节点、多根三角斜撑;所述多个玮向多边环形构件以中心的钢节点为圆心同心布置，中心的钢节点通过径向杆与内层的玮向多边环形构件的玮向杆首尾相接处的钢节点连接，相邻玮向多边环形构件之间通过三角斜撑、径向杆连接，其中，内、外层的玮向多边环形构件的玮向杆首尾相接处对应的钢节点之间连接径向杆，内层的玮向多边环形构件的玮向杆首尾相接处的钢节点与外层的玮向多边环形构件的玮向杆首尾相接处对应的钢节点的两侧钢节点之间连接三角斜撑;所述下部撑杆体系包括一个由横向连系杆首尾连接形成的横向连系多边环形构件、多根Y型上撑杆、多根Y型下撑杆、多根竖向支撑、多个钢节点;所述竖向支撑通过最外层的玮向多边环形构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳连接，Y型上支撑通过次外层的玮向多边环向构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳相连接，Y型下撑杆与横向连系杆通过钢节点连接；竖向支撑和Y型下撑杆通过基础的钢节点与混凝土基础连接;所述玮向杆、径向杆、竖向支撑、三角斜撑、Y型上撑杆、Y型下撑杆、横向连系杆均采用经过处理过的毛竹杆。
[0012]所述钢节点可分为:中心节点、内层环形构件节点、外层环形构件节点、三角斜撑节点、Y型支撑节点、V型基础节点；内层环形构件节点、外层环形构件节点均为预制钢节点。
[0013]所述径向杆的数量与下部撑杆体系中的Y型上支撑和Y型下支撑的数量相同。
[0014]每个所述玮向多边环形构件的玮向杆的数量与下部撑杆体系的横向联系杆数量相同。
[0015]本发明具有以下有益效果:
本发明结构主体受力构件均采用经过处理过的毛竹筒材料构件，毛竹筒构件，材料来源广泛，价格低廉，加工处理方法简便易操作，未破坏竹杆外表皮结构，防止竹杆受到虫害影响，防腐、防虫处理过，竹杆有效使用周期长，是未经过处理的毛竹的4倍以上。
[0016]本发明在多个节点处采用特殊形式的钢节点进行连接，改善了节点区域的受力性能，增强了节点连接的整体性和可靠性；同时钢节点连接预制钢杆件能够循环利用，有利于降低构件的建造成本。
[0017]本发明所用的竹杆与钢节点连接件均可以在工厂定制加工，到现场可直接拼装，现场无需灌注混凝土、焊接钢材等，因此建造速度快，同时拆除建筑也简便，可广泛用于一些大型展览和灾后重建工程中的临时建筑。
【附图说明】
[0018]图1为上部三向网格球面竹网俯视图；
图2为本发明的整体结构的剖面图；
图3为环形构件俯视图；
图4为中心节点的示意图；
图5为内层环形构件节点的示意图；
图6为外层环形构件节点的示意图；
图7为Y型支撑节点的示意图；
图8为三角斜撑节点的示意图；
图9为V型基础节点的剖面示意图；
图10为支座底板俯视图。
[0019]图中:1-中心节点；2-内层环形构件节点；3-外层环形构件节点;4-三角斜撑节点；5-Y型支撑节点;6-V型基础节点；7-玮向杆;8-径向杆;9-竖向支撑;10-三角斜撑;I1-Y型上支撑；12-环形构件；13-钢箍套；14-毛竹杆；15-毛竹杆端部连接件；16-预埋耳板；17-高强螺栓；18-钢节点底板；19-Y型下支撑;20-斜支耳板;21-横向连系杆;22-V型斜支耳板;23-支座底板。
【具体实施方式】
[0020]下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步具体说明。
[0021]如图1，2，3所示，本发明的竹制三向网格型网壳，包括上部三向网格型球面网壳、下部撑杆体系、混凝土基础。上部三向网格型球面网壳包括多个由玮向杆7首尾相接形成的玮向多边环形构件、多根径向杆8、多个钢节点、多根三角斜撑。多个玮向多边环形构件以中心的钢节点为圆心同心布置，中心的钢节点通过径向杆8与内层的玮向多边环形构件的玮向杆7首尾相接处的钢节点连接，相邻玮向多边环形构件之间通过三角斜撑10、径向杆8连接，其中，内、外层的玮向多边环形构件的玮向杆7首尾相接处对应的钢节点之间连接径向杆8，内层的玮向多边环形构件的玮向杆7首尾相接处的钢节点与外层的玮向多边环形构件的玮向杆7首尾相接处对应的钢节点的两侧钢节点之间连接三角斜撑1。
[0022]下部撑杆体系包括一个由横向连系杆21首尾形成的横向连系多边环形构件、多根Y型上撑杆11、多根Y型下撑杆19、多根竖向支撑9、多个钢节点。
[0023]钢节点可分为:中心节点1、内层环形构件节点2、外层环形构件节点3、三角斜撑节点4、Y型支撑节点5、V型基础节点6。中心节点I连接所有径向杆8。内层环形构件2节点、外层环形构件节点3均为预制钢节点。
[0024]竖向支撑9通过最外层的玮向多边环形构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳连接，Y型上支撑11通过次外层的玮向多边环向构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳相连接，下部撑杆体系的Y型下撑杆19与横向连系杆21通过Y型支撑节点5连接。下部撑杆体系的竖向支撑9和Y型下撑杆19通过V型基础节点6与混凝土基础连接。
[0025]玮向杆7、径向杆8、竖向支撑9、三角斜撑10、Y型上撑杆11、Y型下撑杆19、横向连系杆21均采用经过处理过的毛竹杆14。
[0026]如图4所示，中心节点I包括钢节点底板18、高强螺栓17。钢节点底板18外圆周上通过预埋耳板16连接所有径向杆8，径向杆8外用三道钢套箍13和螺栓将径向杆8紧固在毛竹杆端部连接件15上，预埋耳板16通过高强螺栓17固定在钢节点底板18上。
[0027]如图5所示，内层环形构件节点2包括钢节点底板18、高强螺栓17。钢节点底板18外圆周上通过预埋耳板16连接玮向杆7、径向杆8、三角斜撑10，下面通过耳板和预埋耳板16连接Y型上支撑11，玮向杆7、径向杆8、三角斜撑10和Y型上支撑11外用三道钢套箍13和螺栓紧固在毛竹杆端部连接件15上，钢节点底板18外圆周上的预埋耳板16通过高强螺栓17固定在钢节点底板18上。
[0028]如图6所示，外层环形构件节点3包括钢节点底板18、高强螺栓17、斜支耳板20。钢节点底板18外圆周上通过预埋耳板16连接玮向杆7，上面通过斜支耳板20和预埋耳板16连接径向杆8，下面通过斜支耳板20和预埋耳板16连接竖向支撑9、Υ型上支撑11，径向杆8、玮向杆7、竖向支撑9和Y型上支撑11外用三道钢套箍13和螺栓紧固在毛竹杆端部连接件15上，钢节点底板18外圆周上的预埋耳板16通过高强螺栓17固定在钢节点底板18上。
[0029]如图7所示，Y型支撑节点5包括钢节点底板18、高强螺栓17、斜支耳板20。钢节点底板19外圆周上通过预埋耳板16连接横向连系杆21，上面通过斜支耳板20和预埋耳板16连接Y型上支撑11，下面通过耳板和预埋耳板16连接Y型上支撑11、Y型上撑杆11，横向连系杆21外用三道钢套箍13和螺栓紧固在毛竹杆端部连接件15上，钢节点底板18外圆周上的预埋耳板16通过高强螺栓17固定在钢节点底板18上。
[0030]如图8所示，三角斜撑节点4包括钢节点底板18、高强螺栓17。钢节点底板18外圆周上通过预埋耳板16连接玮向杆7和三角斜撑10，玮向杆7和三角斜撑10外用三道钢套箍14和螺栓紧固在毛竹杆端部连接件16上，钢节点底板18外圆周上的预埋耳板16通过高强螺栓17固定在钢节点底板18上。
[0031]如图9，10所示，V型基础节点6包括支座底板23、V型斜支耳板22、预埋耳板16、高强螺栓17。支座底板23通过高强螺栓17连接V型斜支耳板22，V型斜支耳板22—侧通过预埋耳板16连接Y型下撑杆29，另一侧连接竖向支撑9，Y型下撑杆19、竖向支撑9外用三道钢套箍13和螺栓紧固在毛竹杆端部连接件15上。支座底板23用四个高强螺栓17固定在混凝土基础上。
[0032]本发明所用的受力杆件均为经过处理的毛竹筒，有效使用期长。在竹茎杆的汁液含糖量较低时收割，能有效减少虫灾的可能性。使用刀具收割竹材时，应将竹子末端削成斜面状，防止雨水进入并腐蚀地下的根茎。竹材处理最为关键的过程“沥滤”，经过滤液处理，滤除汁液内残余的糖分。本发明采用的简单方法简单，易操作，即采用烘干，2-3周的时间。竹材还需防腐处理，将竹茎杆竖立在木桶中，从上往下将隔膜穿孔，从顶部到倒数第二个竹节，然后倒入防腐液，完成后，将最后一个隔膜穿孔，并收集残余的液体。大量资料表明，竹茎杆的维护对它们在建筑中的使用期具有重要影响，未经维护的竹材的有效使用期为2.5年，而经过维护的竹材的有效期为10年左右。
[0033]本发明中的三向网格型球面网壳是空间结构的主要结构受力部分，在竖向荷载或当承受风荷载等均布荷载的时候，径向杆件承受较大压力，将大部分荷载通过节点传递至Y型支撑与竖向支撑。三角斜撑和环向杆件则对径向形成双重稳定的侧向支撑，为三向网格型网壳的整体性提供了良好的环向套箍作用。当承受风荷载的时候，径向竹杆受拉，而环向杆件、三角斜撑所受的压力则形成稳定的闭合压力环，环行系杆也形成了一层闭合压力环，有利于防止结构被风吸力掀起而导致破坏。
[0034]Y型支撑的存在丰富了结构的荷载传递路径，三向网格型球面网壳通过径向拉杆、环向杆件、三角斜撑传递荷载的方式外。上层荷载既可以通过竖向支撑、也可以通过Y型支撑传递至荷载，横向连系杆提高了结构的侧向刚度，增强了结构的整体性，减少了变形挠度。
[0035]Y型支撑和竖向支撑:竖向支撑通过最外层的环形杆件的节点，与三向网格型网壳相连。Y型支撑通过与最外两层的环向杆件的钢节点与三向网格型网壳相连。两个支撑是球面网壳结构的关键受力构件。在竖向荷载作用下，为上层提供了弹性支撑，加强结构的整体性和刚度。
[0036]本发明的加工制作工序:
1.竹杆的前期处理:在竹茎杆的汁液含糖量较低时收割，能有效减少虫灾的可能性。使用刀具收割竹材时，应将竹子末端削成斜面状，防止雨水进入并腐蚀地下的根茎。竹材处理最为关键的过程“沥滤”，经过滤液处理，滤除汁液内残余的糖分。本发明采用的简单方法简单，易操作，即采用烘干，2-3周的时间。竹材还需防腐处理，将竹茎杆竖立在木桶中，从上往下将隔膜穿孔，从顶部到倒数第二个竹节，然后倒入防腐液，完成后，将最后一个隔膜穿孔，并收集残余的液体。
[0037]2.制作毛竹杆件:在毛竹杆两端安装端部连接件、预埋耳板，并设置三道钢套箍，用螺栓紧固连接钢套箍，在端部灌注混凝土，待混凝土完全凝固，方可使用毛竹杆件。在径向杆中部连接位置钻螺栓孔。
[0038]3.制作中心节点的钢底板，预留螺栓孔，加工孔槽及其内螺纹。
[0039]4.制作内层环形构件节点、外层环形构件节点的预制钢构件:加工节点钢底板，预留螺栓孔、加工孔槽及其内螺纹，焊接斜支耳板。
[0040]5.制作支座节点的预制钢构件:制作钢底板，预留螺栓孔、加工孔槽及其内螺纹。[0041 ]本发明结构的安装工序:
1.根据结构跨度、荷载等设计条件确定杆件及节点各受力节点连接杆的尺寸。
[0042]2.在工厂加工制作节点连接件及各受力竹杆；
3.在混凝土基础的相应位置预埋螺栓，安装混凝土基础的支座底板；
4.搭设最外围支座节点的支撑结构，在内层环形构件节点、外层环形构件节点下搭设临时支架。
[0043]5.安装V型基础节点和竖向支撑:将竖向支撑的耳板通过高强螺栓连接于支座底板。用三道钢套箍固定V型斜支耳板。
[0044]6.安装Y支撑:将Y型支撑的下杆通过高强螺栓与V型斜支耳板连接。将加工好的毛竹杆件通过高强螺栓连接于Y型支撑节点。
[0045]7.安装横向连系杆:将加工好的横向连系杆通过高强螺栓连接于Y型支撑节点。完成下部撑杆体系。
[0046]8.依次安装外层环形构件节点、内层环形构件节点，将环向杆、径向杆通过螺栓连接于外层环形构件节点、内层环形构件节点的耳板上。
[0047]8.安装中心节点:将相连径向杆件全部通过螺栓连接固定于中心节点的耳板上，完成上部三向网格型球面网壳的安装。
[0048]9.拆除内层环形构件节点、最外层环形构件节点下的临时支架，完成整体结构的安装。
【主权项】
1.一种竹制三向网格型网壳，由上部三向网格型球面网壳、下部撑杆体系、混凝土基础组成，其特下在于:所述上部三向网格型球面网壳包括多个由玮向杆(7)首尾相接形成的玮向多边环形构件、多根径向杆(8)、多个钢节点、多根三角斜撑;所述多个玮向多边环形构件以中心的钢节点为圆心同心布置，中心的钢节点通过径向杆(8)与内层的玮向多边环形构件的玮向杆(7)首尾相接处的钢节点连接，相邻玮向多边环形构件之间通过三角斜撑(10)、径向杆(8)连接，其中，内、外层的玮向多边环形构件的玮向杆(7)首尾相接处对应的钢节点之间连接径向杆(8)，内层的玮向多边环形构件的玮向杆(7)首尾相接处的钢节点与外层的玮向多边环形构件的玮向杆(7)首尾相接处对应的钢节点的两侧钢节点之间连接三角斜撑(10);所述下部撑杆体系包括一个由横向连系杆(21)首尾连接形成的横向连系多边环形构件、多根Y型上撑杆(11)、多根Y型下撑杆(19)、多根竖向支撑(9)、多个钢节点;所述竖向支撑(9)通过最外层的玮向多边环形构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳连接，Y型上支撑(11)通过次外层的玮向多边环向构件的钢节点与上部三向网格型球面网壳相连接，Y型下撑杆(19)与横向连系杆(21)通过钢节点连接;竖向支撑(9)和Y型下撑杆(19)通过基础的钢节点与混凝土基础连接;所述玮向杆(7)、径向杆(8)、竖向支撑(9)、三角斜撑(10)、Y型上撑杆(11)、Y型下撑杆(19)、横向连系杆(21)均采用经过处理过的毛竹杆(14)。2.根据权利要求1所述的竹制三向网格型网壳，其特征在于:所述钢节点可分为:中心节点(I)、内层环形构件节点(2)、外层环形构件节点(3)、三角斜撑节点(4)、Υ型支撑节点(5)、V型基础节点(6);所述内层环形构件节点(2)、外层环形构件节点(3)均为预制钢节点。3.根据权利要求1所述的竹制三向网格型网壳，其特征在于:所述径向杆(8)的数量与下部撑杆体系中的Y型上支撑(11)和Y型下支撑(19)的数量相同。4.根据权利要求1所述的竹制三向网格型网壳，其特征在于:每个所述玮向多边环形构件的玮向杆(7)的数量与下部撑杆体系的横向联系杆(21)数量相同。
【文档编号】E04B7/08GK105863060SQ201610436354
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】陈有亮, 陈嫣, 陈瑛, 崔鉴宇, 陈思宇
【申请人】上海理工大学