一種空間結構制造技術

一種空間結構，其特征包括：由不同力學性能的材料，構成的三角形結構件及連接和固定三角形結構件的連接件和桿件緊固件、節點緊固件組成；通過連接件、桿件緊固件、節點緊固件，連接和固定三角形結構件的邊和頂角，組合構成空間結構的桿件和節點，形成施工簡單、快捷，結構穩定性增強、整體工作性能優良、經濟性能良好的空間結構及其構建方法，能廣泛應用于土木、水利工程和園林、環保等多種工程建筑領域。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術專利公開一種空間結構，適用于土木、水利工程、園林、環保工程等領域。
技術介紹
隨著工業文明的高速繁榮，城市化進程的飛速推進，為滿足人類生活和居住環境的需要，人們需要對各種不同類型的覆蓋空間，進行結構性支撐。凡是形成三維空間狀并具有三維受力特性、呈立體工作狀態的結構都稱為空間結構。如網架結構、網殼結構，懸索結構、膜結構、張拉整體結構等等。由它們組合而形成的雜交空間結構更是花樣繁多。但這種將不同類型的結構進行組合而得到一種新的結構體系，不是兩個或多個單一類型空間結構的簡單拼湊，而是充分利用一種類型結構的長處，來抵消另一種與之組合的結構的短處，使得每一種單一類型的空間結構形式及其材料均能發揮最大的潛力，從而改善整個空間結構體系的受力性能，可以更經濟、更合理地對更大的空間進行結構性支撐。根據結構的剛性差異和結構的組合方式，空間結構又可分成三類，即剛性空間結構、柔性空間結構和雜交空間結構。雜交空間結構可以是剛性結構體系之間的組合，如拱與空間網格結構組合形成的拱支網架；柔性結構體系之間的組合，如懸索與薄膜組合而成的結構、拱支網殼結構等，以及柔性結構體系與剛性結構體系之間的組合，如索與空間網格結構、索膜結構等組合形成的斜拉空間網格結構、拉索預應力空間網格結構及索與桁架結構組合而成的橫向加勁單曲懸索結構等等；盡管各種新型的空間結構不斷涌現，但各種空間結構的構建，不僅僅依賴材料的性能，更需要的是依賴自己合理的型體，充分利用不同材料的特性，以適應不同建筑造型和功能的需要。如懸索結構中，將外荷載轉化為鋼索的拉力， 充分發揮了鋼索拉力強的材性，從而大大減輕了結構自重。所以充分發揮各種不同建筑材料的強度優勢，以達到增加結構剛度、節省材料用量的目的。已成為空間結構發展的主要趨勢。特別是隨著計算機技術的廣泛應用，解脫了長期以來空間結構的型體研究和結構優化在計算方法上的束縛，使得尋求型體與受力的完美組合成為可能，使得空間結構近十幾年來以其異乎尋常的速度發展起來。例如，根據談若明等所介紹的“空間網格結構的多參數優化設計，，方法(談若明， 肖建春，韓志剛.空間網格結構的多參數優化設計.空間結構，2009,15 ) 58-61)利用遺傳算法收斂快、得到全局解概率大的優點，將其應用于空間網格結構的多參數優化設計中，可對包括形狀和截面尺寸的優化在內的，多個量級或量綱不同的相關參數，如結構的高度、網架層數、網格數、構件截面尺寸(包括由相同或不同材料構成的不同結構類型的桿件、節點，形成的不同的空間結構類型)等參數。通過確立多個約束條件，j = 1， 2，…，m，(包括撓度、桿件結構類型、各受力構件強度、壓桿的穩定性、整體穩定系數等等)， 以工程造價作為目標函數f(x)(其中χ為設計變量)。建立相應的數學模型。其數學表達式為Minf (x) s. t. gj(x) ^ Oj = 1,2,3, ...，m χ e D (1)可以轉化為求下列無約束函數‘_ (2)的極值問題，其中P是一個正的控制參數，a為拉格朗日乘子。a在數值上等于式 ⑴的所有拉格朗日乘子之和。當P—⑴時，￥(x，a)的極小解即為式(1)的解。實際計算時P只能取一比較大的有限值。適應函數的構造式采用F(X) = M-fp (χ)(3)其中 M = maxf(x)。對空間網格結構優化的設計變量有連續實數(如結構高度)、不連續實數(如構件截面特性)和整數(如網格數)。因此，結構優化中的設計變量由連續實數、不連續實數和整數共同組成的?；具z傳算法采用固定長度的二進制串作為設計變量的表達方式。每個整數的基因值對應于某變量的值。連續或不連續實數以離散點代替。再采用隨機方法， 生成一定數量的不同的空間網格結構，形成結構集合。對集合中的結構進行若干次的約束處理、適應度計算、選擇、交叉和變異等操作，最后選擇出一個最優的結構。使通過綜合考慮空間結構的網架層數，型體結構，節點和桿件的構成方式和結構類型，綜合應用預應力技術、桿件的防屈曲處理，選擇對結構進行部分或全部的澆注、填充構成各種雜交空間結構類型等綜合性技術措施。設計結構穩定性更強、整體工作性能更好、經濟性能良好的空間結構類型成為可能。近半個世紀以來，發展最快、應用最廣的空間結構是空間網格結構，它是按一定規律布置桿件、構件通過節點連接構成的空間結構。包括網架、曲面型網殼和立體桁架。空間網格結構，具有優異的多向傳力性能；其結構剛度大、自身重量輕，整體工作性能好。且有良好的抗震性能，結構美觀、結構的安全儲備大等獨特優點，使得空間網格結構既適用于大跨度建筑，也適用于中小跨度的房屋，被大量用作各種建筑屋頂的支撐結構。但是，現有空間網格結構，存在著下述缺點(1)連接桿系的節點強度，對整個結構體系的可靠性產生顯著影響，節點結構較為復雜，耗鋼量較大，造成制造成本高的主要原因之一；特別在網殼結構中，節點具有特殊的作用和重要性，因為每個節點上連接的桿件很多，桿件處于空間位置，是多方位的；通過節點傳遞三維力流也很復雜。因此，節點構造的合理性與可靠性，直接決定著網殼結構的整體工作性能、型體變化、施工安裝的簡易性與經濟性能。(2)理論計算和研究實測均已證明，桿系作為主要受力構件，位于網架結構不同位置的桿系，其受力大小與類型(拉力或壓力)都不相同，而在通常的構建方法中，都是選擇較為單一型號的鋼管作為桿件材料，不僅取材也較其它型鋼困難，增大構建成本，而且不能實現根據桿件的受力情況而“因力施材”，而容易增加結構的自身重量，并造成材料的浪費；(3)因為空間網格結構是嚴格的幾何結構，結構較為復雜，根據當前通常的構建方式，使桿件通過節點連接，再通過節點連接其他桿件的構制、施工方式，施工難度大、費用較高。特別是對于網殼結構來說，桿件和節點幾何尺寸的偏差以及曲面的改變，對網殼結構的內力、整體穩定和施工影響較大；為減少初始缺陷，對于桿件和節點的加工精度要求很高； 使得網殼的造價更高。經計算由于網架結構的節點數量多，節點結構較為復雜，節點用鋼量約占整個網架結構用鋼量的20% 25%，節點構造的好壞，對網架結構的結構性能、制造安裝成本、總耗鋼量和工程造價，都產生重大的影響。
技術實現思路
本技術專利的目的在于克服現有空間網格結構構建，存在節點結構復雜，桿件結構單一，安裝、構建施工難度大、成本高等系列問題，而專利技術的一種空間結構。本技術是采用下述方案實現的一種空間結構，包括三角形結構件及連接、緊固和固定各三角形結構件的邊和頂角、組合成各桿件和節點的連接件和桿件緊固件、節點緊固件；所述的三角形結構件布置在空間結構中的不同空間位置上，作為相應空間位置上的桿件和節點的組成構件之一；所述的連接件，分別連接在不同空間位置上布置的、在同一桿件的空間位置上疊加的三角形結構件的二條或多條對應邊，使所有桿件分別通過三角形結構件和連接件相互連接構成整體結構，形成具有柔性的空間結構的基本結構；所述的桿件緊固件對經連接件連接的各三角形結構件的對應邊，進行緊固和固定，構成空間結構的桿件；所述的節點緊固件或連接件分別對匯集并疊加在各桿件兩端空間位置附近的所有三角形結構件的頂角進行連接、緊固和固定，構成空間結構的各個節點；使各桿件、節點的結構，具備所必需的力學性能，能滿足所需構建的空間結構的應用目本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李軒，
申請(專利權)人：李軒，
類型：實用新型
國別省市：