一种吊装自成型GFRP网壳结构及其施工方法与流程

本发明涉及复合材料结构和空间网壳结构，具体地说，特别涉及一种由gfrp柔性长杆组成的弹性网壳结构及其施工方法。

背景技术：

近20年复合材料在土木工程领域有大量应用，主要用于钢筋混凝土的替筋和人行桥及桥面板。但上述领域仅仅把复合材料当作传统建材如钢筋、钢板的替代品。尽管复合材料具有出色的强重比、刚重比和耐久性，但是其自身的低弹性模量(如玻璃纤维增强复合材料——gfrp材料)在一定程度上限制了它在结构工程中广泛应用。作为结构构件的主要材料时，为了满足结构刚度的要求而常需要较大的构件截面，直接导致结构成本高昂，材料的其他优点则无法体现出来。

通常，网壳结构是很多短杆通过一定的网格形式由节点连接的空间结构，常用于体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。虽然目前钢结构网壳应用较为广泛，但仍存在一定的局限性，例如：自重较大；构件数量大，且结构形式复杂时构件种类繁多；构件加工精度要求高，节点构造复杂。这通常导致构件加工难度大、成本高，对焊接工艺和技术要求很高，现场施工安装难度也大。

因此，如果可以找到一种特殊的方式，将复合材料(如gfrp材料)应用于空间网壳结构，在充分发挥出复合材料性能优点的同时克服和避免传统网壳结构的缺点，将实现网壳结构在性能、建造及成本等方面的优化与提升。

技术实现要素：

为了克服传统钢结构网壳施工复杂的缺点，充分发挥复合材料的物理及力学性能优势，本发明提供一种吊装自成型gfrp网壳结构及其施工方法，通过施工过程的吊装自成型，利用低弹模产生弯曲变形形成所需的曲面造型，利用高强度提供承受各种荷载的能力，形成稳定可靠的结构。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种吊装自成型gfrp网壳结构，所述网壳结构包括：gfrp柔性长杆，用于杆件连接的杆间连接节点，以及锚固支座；

所述gfrp柔性长杆由第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件、第三层gfrp杆件组成；

所述杆间连接节点包括杆端节点和层间连接节点；

第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件、第三层gfrp杆件均采用拉挤成型的gfrp空心圆管；第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件、第三层gfrp杆件的杆端分别通过杆端节点与锚固支座连接；第一层gfrp杆件放置在第二层gfrp杆件的下方，且第一层gfrp杆件与第二层gfrp杆件的交汇处通过层间连接节点连接；第三层gfrp杆件放置在第二层gfrp杆件的上方，且第三层gfrp杆件与第二层gfrp杆件的交汇处通过层间连接节点连接；

所述锚固支座用于将第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件、第三层gfrp杆件中需要支座约束的杆件杆端固定于下部结构或基础，以形成稳定的网壳结构。

优选地，所述杆间连接节点进一步包括杆件延长节点，若标准杆件长度不足设计要求时，所述第一层gfrp杆件、所述第二层gfrp杆件、所述第三层gfrp杆件分别通过所述杆件延长节点加长，标准杆件长度足够时无需加长；

单根第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件的长度不足时分别通过杆件延长节点加长，加长后的每根第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件的杆端分别设置杆端节点。

优选地，在吊装之前，第一层gfrp杆件与第二层gfrp杆件双向正交布置于平整场地之上，同方向的第一层gfrp杆件、同方向的第二层gfrp杆件分别平行布置于同一层，各层杆件中当单根标准杆件长度不足时采用杆件延长节点进行拼接延长，若单根标准杆件长度足够则无需采用杆件延长节点进行延长，每根第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件的杆端分别设置杆端节点，第一层gfrp杆件与第二层gfrp杆件之间在两层杆件交汇处通过层间连接节点进行连接，从而形成平面双层网格结构；

在第一层gfrp杆件和第二层gfrp杆件组成的平面双层网格结构起吊形成空间曲面双层网格并通过杆端节点与锚固支座连接之后，第三层gfrp杆件沿空间曲面双层网格的各网格单元的对角线方向布置于第二层gfrp杆件之上，并通过层间连接节点与下方的双层杆件，即第一层gfrp杆件和第二层gfrp杆件连接，从而形成由三层杆件，即第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件和第三层gfrp杆件组成的曲面网壳稳定结构。

优选地，所述第三层gfrp杆件的杆端通过杆端节点与锚固支座连接，或者与锚固支座不连接。

优选地，所述gfrp柔性长杆，即：第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件和第三层gfrp杆件均采用拉挤成型的玻璃纤维增强复合材料(gfrp)空心圆管，其中：

空心圆管的外径介于20mm至100mm之间，空心圆管的壁厚介于2mm至8mm之间，空心圆管的节间长度与管径之比介于15至40之间。

优选地，所述杆件延长节点通过粘接或螺栓连接方式与所连接延长的杆段连接，以同时承受轴力、剪力和弯矩的作用，形成满足设计长度的第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件和第三层gfrp杆件；

所述杆件延长节点不能位于不同层杆件之间的交汇处。

优选地，在吊装之前，所述杆端节点通过螺栓连接方式临时固定于第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件的杆端；吊装成型之后，卸除临时固定用螺栓并调整角度与锚固支座连接，并通过粘接或螺栓连接方式与所连接杆件的杆端永久连接。

优选地，所述层间连接节点位于不同层杆件的交汇处，并通过环扣方式连接不同层杆件；

所述层间连接节点包括双环节点、三环节点，其中：双环节点用于连接相邻两层杆件，即第一层gfrp杆件与第二层gfrp杆件或者第二层gfrp杆件与第三层gfrp杆件；三环节点用于同时连接第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件、第三层gfrp杆件的三层杆件。

更优选地，所述层间连接节点仅限制所连接杆件在节点处的相对位移以及杆件平面外的相对转动，不限制不同层杆件在节点处的杆件平面内的相对转动。

优选地，所述锚固支座采用不锈钢制作而成，并通过预埋方式锚固于下部结构或基础中。

更优选地，所述锚固支座同时限制杆端节点的平动和转动，以形成固结支座；或者，所述锚固支座仅限制杆端节点的平动但不限制杆端节点的转动，以形成铰支座。

优选地，所述杆间连接节点采用不锈钢或gfrp拉挤型材制作；其中：

所述杆件延长节点和所述杆端节点的管件内径大于所连接杆件外径0.5mm，所述杆件延长节点和所述杆端节点的长度介于所连接杆件外径的3至6倍之间；所述层间连接节点的尺寸与所连接杆件尺寸相匹配。

所述吊装自成型gfrp网壳的结构在吊装之前，第一层gfrp杆件与第二层gfrp杆件双向正交布置于平整场地之上，同方向杆件平行布置于同一层，单根杆件长度不足时通过杆件延长节点加长，每根杆件端部设置杆端节点，两层杆件之间在杆件交汇处通过层间连接节点进行连接。

根据本发明的另一个方面，提供上述吊装自成型gfrp网壳结构的施工方法，所述吊装自成型gfrp网壳结构采用整体吊装施工方法，网壳结构曲面成形依赖于gfrp柔性杆件在吊装过程中的自变形；

所述施工方法包括如下步骤：

1)锚固支座布置

按照设计要求，采用预埋或其他方式将锚固支座安装固定于下部结构或基础的指定位置；

2)杆件切割及拼接

按照施工放样要求，将gfrp型材切割成指定长度，制作得到第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件、第三层gfrp杆件，各层杆件中单根杆件长度不足时采用杆件延长节点进行拼接延长，并通过螺栓将杆端节点分别临时固定至第一层gfrp杆件和第二层gfrp杆件的杆端；

3)地面安装

将第一层gfrp杆件和第二层gfrp杆件按照指定位置和间距双向正交平铺于施工场地上，并使第一层gfrp杆件在下、第二层gfrp杆件在上，同时采用层间连接节点于第一层gfrp杆件和第二层gfrp杆件的交汇处，将第一层gfrp杆件与第二层gfrp杆件进行连接，形成平面双层网格结构；

4)起吊成形

根据设计起吊点，采用吊机或其它设备将3)得到的平面双层网格起吊至空中，形成空间曲面形态，即空间曲面双层网格，并通过施工监测确保第一层gfrp杆件和第二层gfrp杆件杆端的的高程在误差范围内；

5)落地锚固

将起吊形成的空间曲面双层网格平移至预定安装位置并下放，将各杆端节点调整至合适角度后通过螺栓分别与相应的锚固支座连接，并进一步采用粘接或螺栓的连接方式将杆端节点与第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件牢固连接；在锚固过程中，如有必要，卸除2)中杆端节点临时固定用螺栓；待所有锚固支座连接完成后，放松吊点；

6)第三层gfrp杆件安装

落地锚固完成之后，在第二层gfrp杆件之上、沿空间曲面双层网格的各网格单元的对角线方向铺设第三层gfrp杆件，并通过层间连接节点将第三层gfrp杆件与下方的双层杆件，即第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件连接，从而形成由三层杆件，即第一层gfrp杆件、第二层gfrp杆件和第三层gfrp杆件组成的曲面网壳稳定结构；

7)附属设施安装

按照设计要求，对6)成型后的网壳结构进行局部切割，形成门窗洞口，同时铺设屋面覆盖层。

本发明中，所述gfrp柔性长杆为市面上的标准杆件或定制型号的杆件，根据设计要求可在施工现场切割和拼接至所要求长度，或预先切割好再运至施工现场进行拼接，再安装起吊成型完成施工。

与传统网壳结构相比，本发明的有益效果是：

1)构造简单：所有gfrp柔性杆件截面型号一致，节点构造简单。

2)取材方便：结构一般可采用的杆件为市面上的标准gfrp杆件，方便获取；杆件连接节点和锚固支座可采用市面上已有的节点类型，也可专门定做，因为种类型号单一，价格也较便宜。

3)施工简单快速：特殊的成型方法和简单的构件构造，使得结构可做到快速施工、性能可靠；结构形式提供足够的强度和刚度，而材料本身的耐腐蚀性则有利于结构的耐久性。

4)造价低廉：虽然gfrp材料的价格比钢材更贵，但结构材料的利用效率很高，单位面积用材少，且安装施工成本相对于传统钢结构网壳低很多。

5)形态简洁优美，造型丰富：结构造型根据吊点选取的不同而变化，形成的曲面形态简洁而优美。

本发明所述网壳结构建造简单快速，拆卸也很方便，并且可以很容易地获得特殊的造型，在作为临时性建筑的应用上有很大的优势。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的结构成型图；

图2为本发明一优选实施例的层间连接节点(双环)示意图；

图3为本发明一优选实施例的层间连接节点(三环)示意图；

图4为本发明一优选实施例的杆件延长节点示意图；

图5为本发明一优选实施例的锚固支座和杆端节点示意图；

图6为本发明一优选实施例的施工流程图。

图中：1—第一层gfrp杆件；2—第二层gfrp杆件；3—第三层gfrp杆件；4—杆件延长节点；5—杆端节点；6—层间连接节点；7—锚固支座。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种吊装自成型gfrp网壳结构的优选实施结构，其中所述网壳结构由gfrp柔性长杆、杆间连接节点和锚固支座7组成；

所述gfrp柔性长杆包括第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2和第三层gfrp杆件3，第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2和第三层gfrp杆件3均采用拉挤成型的gfrp空心圆管；

所述杆间连接节点包括杆件延长节点4、杆端节点5和层间连接节点6，其中：杆件延长节点4用于对杆件进行加长(如图4所示)，杆端节点5用于第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2和第三层gfrp杆件3的杆端与锚固支座7之间的连接(如图5所示)，层间连接节点6用于第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2和第三层gfrp杆件3交汇处不同层杆件之间的连接(如图2、图3所示)；

所述锚固支座7用于将第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2和第三层gfrp杆件3的杆端固定于下部结构或基础，以形成稳定的网壳结构；

所述网壳结构采用整体吊装施工方法，网壳曲面成形依赖于gfrp杆件在吊装过程中的自变形。

作为一优选地实施方式，所述gfrp柔性长杆，即第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2和第三层gfrp杆件3，均为采用拉挤成型的玻璃纤维增强复合材料(gfrp)空心圆管，其中：

空心圆管的外径介于20mm至100mm之间，空心圆管的壁厚介于2mm至8mm之间，空心圆管的节间长度与其管径之比介于15至40之间。

作为一优选地实施方式，所述杆间连接节点采用不锈钢或gfrp拉挤型材制作；

所述杆件延长节点4和所述杆端节点5的管件内径以大于所连接杆件外径0.5mm为宜；所述杆件延长节点4和所述杆端节点5的长度介于所连接杆件外径的3至6倍之间；所述层间连接节点6尺寸与所连接杆件尺寸相匹配。

作为一优选地实施方式，所述吊装自成型gfrp网壳结构在吊装之前，第一层gfrp杆件1与第二层gfrp杆件2双向正交布置于平整场地之上，各层杆件为同方向平行布置，各层中单根杆件长度不足时通过杆件延长节点4加长，每根杆件的杆端分别设置杆端节点5。第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2之间在杆件交汇处通过层间连接节点6进行连接。

进一步的，所述杆件延长节点4通过粘接或螺栓连接等方式与所连接杆件完全可靠连接，能同时承受轴力、剪力和弯矩的作用；

所述杆件延长节点4不能位于杆件交汇处。

进一步的，在吊装之前，所述杆端节点5通过螺栓连接方式分别临时固定于第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2的杆端，吊装成型之后，卸除临时螺栓并调整角度与锚固支座7连接，并通过粘接或螺栓连接等方式与所连接杆件的杆端永久连接。

作为一优选地实施方式，所述层间连接节点6位于不同层杆件交汇处，通过环扣方式连接不同层杆件。

进一步的，所述层间连接节点6包括双环节点、三环节点，其中：双环节点用于连接相邻两层杆件即第一层gfrp杆件1与第二层gfrp杆件2或者第二层gfrp杆件2与第三层gfrp杆件3，三环节点用于同时连接第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2、第三层gfrp杆件3。

进一步的，所述层间连接节点6仅限制所连接杆件在节点处的相对位移以及杆件平面外相对转动，不限制杆件在节点处的杆件平面内相对转动。

作为一优选地实施方式，所述锚固支座7采用不锈钢制作，并通过预埋等方式锚固于下部结构或基础中。

进一步的，所述锚固支座7可同时限制杆端节点5的平动和转动以形成固结支座，也可仅限制杆端节点5的平动但不限制其转动而形成铰支座。

作为一优选地实施方式，所述第三层gfrp杆件3，在由第一层gfrp杆件1和第二层gfrp杆件2组成的平面结构起吊形成空间曲面双层网格并与锚固支座7可靠连接之后，沿曲面网格对角线布置于第二层gfrp杆件2之上，并通过层间连接节点6与下方的第一层gfrp杆件1和第二层gfrp杆件2可靠连接，形成由三层杆件，即：第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2、第三层gfrp杆件3组成的曲面网壳稳定结构。

进一步的，所述第三层gfrp杆件3的杆端可通过杆端节点5与锚固支座7连接，也可不连接。

本实施例中，所述吊装自成型gfrp网壳结构采用整体吊装施工方法，网壳曲面成形依赖于gfrp杆件在吊装过程中的自变形；

如图6所示，所述吊装自成型gfrp网壳结构的施工方法包括如下步骤：

1)支座布置

按照设计要求，采用预埋或其他方式将锚固支座7安装固定于下部结构或基础的指定位置。

2)杆件切割及拼接

按照施工放样要求，将gfrp型材切割成指定长度，制作得到第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2、第三层gfrp杆件3，各层杆件中单根杆件长度不足时分别采用杆件延长节点4进行拼接延长，并通过螺栓分别将杆端节点5临时固定至第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2的杆端。

3)地面安装

将第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2按照指定位置和间距双向正交平铺于施工场地上，使第一层gfrp杆件1在下、第二层gfrp杆件2在上，同时采用层间连接节点6于杆件交汇处将第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2进行连接，形成平面双层网格结构。

4)起吊成形

根据设计起吊点，采用吊机或其它设备将上一施工步骤得到的平面双层网格起吊至空中，形成空间曲面形态，即空间曲面双层网格，并通过施工监测确保第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2的杆端的高程在误差范围内。

5)落地锚固

将起吊形成的空间曲面双层网格平移至预定安装位置并下放，将各杆端节点5调整至合适角度后，通过螺栓分别与相应的锚固支座7可靠连接，并进一步采用粘接或螺栓连接方式分别将杆端节点5与第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2连接牢固；锚固过程中，如有必要可卸除杆端节点5的临时固定螺栓；待所有锚固支座7连接完成后，放松吊点。

6)第三层gfrp杆件安装

落地锚固完成之后，在第二层gfrp杆件2之上，沿空间曲面双层网格的各网格单元的对角线方向铺设第三层gfrp杆件3，并通过层间连接节点6将第三层gfrp杆件3与下方双层杆件，即第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2可靠连接，从而形成由第一层gfrp杆件1、第二层gfrp杆件2、第三层gfrp杆件3组成的曲面网壳稳定结构。

7)附属设施安装

按照设计要求，对成型后的网壳结构进行局部切割，形成门窗洞口，同时铺设屋面覆盖层。

本发明所述网壳结构采用整体吊装施工方法，网壳曲面成形依赖于gfrp杆件在吊装过程中的自变形，提供了土木工程领域中的一种复合材料网壳结构，其性能可靠、制作简单、施工快速、造价低廉，可应用于实际工程中。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。