一種吊裝自成型GFRP網殼結構及其施工方法與流程

本發明涉及復合材料結構和空間網殼結構，具體地說，特別涉及一種由gfrp柔性長桿組成的彈性網殼結構及其施工方法。

背景技術：

近20年復合材料在土木工程領域有大量應用，主要用于鋼筋混凝土的替筋和人行橋及橋面板。但上述領域僅僅把復合材料當作傳統建材如鋼筋、鋼板的替代品。盡管復合材料具有出色的強重比、剛重比和耐久性，但是其自身的低彈性模量(如玻璃纖維增強復合材料——gfrp材料)在一定程度上限制了它在結構工程中廣泛應用。作為結構構件的主要材料時，為了滿足結構剛度的要求而常需要較大的構件截面，直接導致結構成本高昂，材料的其他優點則無法體現出來。

通常，網殼結構是很多短桿通過一定的網格形式由節點連接的空間結構，常用于體育館、影劇院、展覽廳、候車廳、看臺雨篷、飛機庫、雙向大柱距車間等建筑的屋蓋。雖然目前鋼結構網殼應用較為廣泛，但仍存在一定的局限性，例如：自重較大；構件數量大，且結構形式復雜時構件種類繁多；構件加工精度要求高，節點構造復雜。這通常導致構件加工難度大、成本高，對焊接工藝和技術要求很高，現場施工安裝難度也大。

因此，如果可以找到一種特殊的方式，將復合材料(如gfrp材料)應用于空間網殼結構，在充分發揮出復合材料性能優點的同時克服和避免傳統網殼結構的缺點，將實現網殼結構在性能、建造及成本等方面的優化與提升。

技術實現要素：

為了克服傳統鋼結構網殼施工復雜的缺點，充分發揮復合材料的物理及力學性能優勢，本發明提供一種吊裝自成型gfrp網殼結構及其施工方法，通過施工過程的吊裝自成型，利用低彈模產生彎曲變形形成所需的曲面造型，利用高強度提供承受各種荷載的能力，形成穩定可靠的結構。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

根據本發明的一個方面，提供一種吊裝自成型gfrp網殼結構，所述網殼結構包括：gfrp柔性長桿，用于桿件連接的桿間連接節點，以及錨固支座；

所述gfrp柔性長桿由第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件、第三層gfrp桿件組成；

所述桿間連接節點包括桿端節點和層間連接節點；

第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件、第三層gfrp桿件均采用拉擠成型的gfrp空心圓管；第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件、第三層gfrp桿件的桿端分別通過桿端節點與錨固支座連接；第一層gfrp桿件放置在第二層gfrp桿件的下方，且第一層gfrp桿件與第二層gfrp桿件的交匯處通過層間連接節點連接；第三層gfrp桿件放置在第二層gfrp桿件的上方，且第三層gfrp桿件與第二層gfrp桿件的交匯處通過層間連接節點連接；

所述錨固支座用于將第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件、第三層gfrp桿件中需要支座約束的桿件桿端固定于下部結構或基礎，以形成穩定的網殼結構。

優選地，所述桿間連接節點進一步包括桿件延長節點，若標準桿件長度不足設計要求時，所述第一層gfrp桿件、所述第二層gfrp桿件、所述第三層gfrp桿件分別通過所述桿件延長節點加長，標準桿件長度足夠時無需加長；

單根第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件的長度不足時分別通過桿件延長節點加長，加長后的每根第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件的桿端分別設置桿端節點。

優選地，在吊裝之前，第一層gfrp桿件與第二層gfrp桿件雙向正交布置于平整場地之上，同方向的第一層gfrp桿件、同方向的第二層gfrp桿件分別平行布置于同一層，各層桿件中當單根標準桿件長度不足時采用桿件延長節點進行拼接延長，若單根標準桿件長度足夠則無需采用桿件延長節點進行延長，每根第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件的桿端分別設置桿端節點，第一層gfrp桿件與第二層gfrp桿件之間在兩層桿件交匯處通過層間連接節點進行連接，從而形成平面雙層網格結構；

在第一層gfrp桿件和第二層gfrp桿件組成的平面雙層網格結構起吊形成空間曲面雙層網格并通過桿端節點與錨固支座連接之后，第三層gfrp桿件沿空間曲面雙層網格的各網格單元的對角線方向布置于第二層gfrp桿件之上，并通過層間連接節點與下方的雙層桿件，即第一層gfrp桿件和第二層gfrp桿件連接，從而形成由三層桿件，即第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件和第三層gfrp桿件組成的曲面網殼穩定結構。

優選地，所述第三層gfrp桿件的桿端通過桿端節點與錨固支座連接，或者與錨固支座不連接。

優選地，所述gfrp柔性長桿，即：第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件和第三層gfrp桿件均采用拉擠成型的玻璃纖維增強復合材料(gfrp)空心圓管，其中：

空心圓管的外徑介于20mm至100mm之間，空心圓管的壁厚介于2mm至8mm之間，空心圓管的節間長度與管徑之比介于15至40之間。

優選地，所述桿件延長節點通過粘接或螺栓連接方式與所連接延長的桿段連接，以同時承受軸力、剪力和彎矩的作用，形成滿足設計長度的第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件和第三層gfrp桿件；

所述桿件延長節點不能位于不同層桿件之間的交匯處。

優選地，在吊裝之前，所述桿端節點通過螺栓連接方式臨時固定于第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件的桿端；吊裝成型之后，卸除臨時固定用螺栓并調整角度與錨固支座連接，并通過粘接或螺栓連接方式與所連接桿件的桿端永久連接。

優選地，所述層間連接節點位于不同層桿件的交匯處，并通過環扣方式連接不同層桿件；

所述層間連接節點包括雙環節點、三環節點，其中：雙環節點用于連接相鄰兩層桿件，即第一層gfrp桿件與第二層gfrp桿件或者第二層gfrp桿件與第三層gfrp桿件；三環節點用于同時連接第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件、第三層gfrp桿件的三層桿件。

更優選地，所述層間連接節點僅限制所連接桿件在節點處的相對位移以及桿件平面外的相對轉動，不限制不同層桿件在節點處的桿件平面內的相對轉動。

優選地，所述錨固支座采用不銹鋼制作而成，并通過預埋方式錨固于下部結構或基礎中。

更優選地，所述錨固支座同時限制桿端節點的平動和轉動，以形成固結支座；或者，所述錨固支座僅限制桿端節點的平動但不限制桿端節點的轉動，以形成鉸支座。

優選地，所述桿間連接節點采用不銹鋼或gfrp拉擠型材制作；其中：

所述桿件延長節點和所述桿端節點的管件內徑大于所連接桿件外徑0.5mm，所述桿件延長節點和所述桿端節點的長度介于所連接桿件外徑的3至6倍之間；所述層間連接節點的尺寸與所連接桿件尺寸相匹配。

所述吊裝自成型gfrp網殼的結構在吊裝之前，第一層gfrp桿件與第二層gfrp桿件雙向正交布置于平整場地之上，同方向桿件平行布置于同一層，單根桿件長度不足時通過桿件延長節點加長，每根桿件端部設置桿端節點，兩層桿件之間在桿件交匯處通過層間連接節點進行連接。

根據本發明的另一個方面，提供上述吊裝自成型gfrp網殼結構的施工方法，所述吊裝自成型gfrp網殼結構采用整體吊裝施工方法，網殼結構曲面成形依賴于gfrp柔性桿件在吊裝過程中的自變形；

所述施工方法包括如下步驟：

1)錨固支座布置

按照設計要求，采用預埋或其他方式將錨固支座安裝固定于下部結構或基礎的指定位置；

2)桿件切割及拼接

按照施工放樣要求，將gfrp型材切割成指定長度，制作得到第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件、第三層gfrp桿件，各層桿件中單根桿件長度不足時采用桿件延長節點進行拼接延長，并通過螺栓將桿端節點分別臨時固定至第一層gfrp桿件和第二層gfrp桿件的桿端；

3)地面安裝

將第一層gfrp桿件和第二層gfrp桿件按照指定位置和間距雙向正交平鋪于施工場地上，并使第一層gfrp桿件在下、第二層gfrp桿件在上，同時采用層間連接節點于第一層gfrp桿件和第二層gfrp桿件的交匯處，將第一層gfrp桿件與第二層gfrp桿件進行連接，形成平面雙層網格結構；

4)起吊成形

根據設計起吊點，采用吊機或其它設備將3)得到的平面雙層網格起吊至空中，形成空間曲面形態，即空間曲面雙層網格，并通過施工監測確保第一層gfrp桿件和第二層gfrp桿件桿端的的高程在誤差范圍內；

5)落地錨固

將起吊形成的空間曲面雙層網格平移至預定安裝位置并下放，將各桿端節點調整至合適角度后通過螺栓分別與相應的錨固支座連接，并進一步采用粘接或螺栓的連接方式將桿端節點與第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件牢固連接；在錨固過程中，如有必要，卸除2)中桿端節點臨時固定用螺栓；待所有錨固支座連接完成后，放松吊點；

6)第三層gfrp桿件安裝

落地錨固完成之后，在第二層gfrp桿件之上、沿空間曲面雙層網格的各網格單元的對角線方向鋪設第三層gfrp桿件，并通過層間連接節點將第三層gfrp桿件與下方的雙層桿件，即第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件連接，從而形成由三層桿件，即第一層gfrp桿件、第二層gfrp桿件和第三層gfrp桿件組成的曲面網殼穩定結構；

7)附屬設施安裝

按照設計要求，對6)成型后的網殼結構進行局部切割，形成門窗洞口，同時鋪設屋面覆蓋層。

本發明中，所述gfrp柔性長桿為市面上的標準桿件或定制型號的桿件，根據設計要求可在施工現場切割和拼接至所要求長度，或預先切割好再運至施工現場進行拼接，再安裝起吊成型完成施工。

與傳統網殼結構相比，本發明的有益效果是：

1)構造簡單：所有gfrp柔性桿件截面型號一致，節點構造簡單。

2)取材方便：結構一般可采用的桿件為市面上的標準gfrp桿件，方便獲取；桿件連接節點和錨固支座可采用市面上已有的節點類型，也可專門定做，因為種類型號單一，價格也較便宜。

3)施工簡單快速：特殊的成型方法和簡單的構件構造，使得結構可做到快速施工、性能可靠；結構形式提供足夠的強度和剛度，而材料本身的耐腐蝕性則有利于結構的耐久性。

4)造價低廉：雖然gfrp材料的價格比鋼材更貴，但結構材料的利用效率很高，單位面積用材少，且安裝施工成本相對于傳統鋼結構網殼低很多。

5)形態簡潔優美，造型豐富：結構造型根據吊點選取的不同而變化，形成的曲面形態簡潔而優美。

本發明所述網殼結構建造簡單快速，拆卸也很方便，并且可以很容易地獲得特殊的造型，在作為臨時性建筑的應用上有很大的優勢。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明一優選實施例的結構成型圖；

圖2為本發明一優選實施例的層間連接節點(雙環)示意圖；

圖3為本發明一優選實施例的層間連接節點(三環)示意圖；

圖4為本發明一優選實施例的桿件延長節點示意圖；

圖5為本發明一優選實施例的錨固支座和桿端節點示意圖；

圖6為本發明一優選實施例的施工流程圖。

圖中：1—第一層gfrp桿件；2—第二層gfrp桿件；3—第三層gfrp桿件；4—桿件延長節點；5—桿端節點；6—層間連接節點；7—錨固支座。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，一種吊裝自成型gfrp網殼結構的優選實施結構，其中所述網殼結構由gfrp柔性長桿、桿間連接節點和錨固支座7組成；

所述gfrp柔性長桿包括第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2和第三層gfrp桿件3，第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2和第三層gfrp桿件3均采用拉擠成型的gfrp空心圓管；

所述桿間連接節點包括桿件延長節點4、桿端節點5和層間連接節點6，其中：桿件延長節點4用于對桿件進行加長(如圖4所示)，桿端節點5用于第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2和第三層gfrp桿件3的桿端與錨固支座7之間的連接(如圖5所示)，層間連接節點6用于第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2和第三層gfrp桿件3交匯處不同層桿件之間的連接(如圖2、圖3所示)；

所述錨固支座7用于將第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2和第三層gfrp桿件3的桿端固定于下部結構或基礎，以形成穩定的網殼結構；

所述網殼結構采用整體吊裝施工方法，網殼曲面成形依賴于gfrp桿件在吊裝過程中的自變形。

作為一優選地實施方式，所述gfrp柔性長桿，即第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2和第三層gfrp桿件3，均為采用拉擠成型的玻璃纖維增強復合材料(gfrp)空心圓管，其中：

空心圓管的外徑介于20mm至100mm之間，空心圓管的壁厚介于2mm至8mm之間，空心圓管的節間長度與其管徑之比介于15至40之間。

作為一優選地實施方式，所述桿間連接節點采用不銹鋼或gfrp拉擠型材制作；

所述桿件延長節點4和所述桿端節點5的管件內徑以大于所連接桿件外徑0.5mm為宜；所述桿件延長節點4和所述桿端節點5的長度介于所連接桿件外徑的3至6倍之間；所述層間連接節點6尺寸與所連接桿件尺寸相匹配。

作為一優選地實施方式，所述吊裝自成型gfrp網殼結構在吊裝之前，第一層gfrp桿件1與第二層gfrp桿件2雙向正交布置于平整場地之上，各層桿件為同方向平行布置，各層中單根桿件長度不足時通過桿件延長節點4加長，每根桿件的桿端分別設置桿端節點5。第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2之間在桿件交匯處通過層間連接節點6進行連接。

進一步的，所述桿件延長節點4通過粘接或螺栓連接等方式與所連接桿件完全可靠連接，能同時承受軸力、剪力和彎矩的作用；

所述桿件延長節點4不能位于桿件交匯處。

進一步的，在吊裝之前，所述桿端節點5通過螺栓連接方式分別臨時固定于第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2的桿端，吊裝成型之后，卸除臨時螺栓并調整角度與錨固支座7連接，并通過粘接或螺栓連接等方式與所連接桿件的桿端永久連接。

作為一優選地實施方式，所述層間連接節點6位于不同層桿件交匯處，通過環扣方式連接不同層桿件。

進一步的，所述層間連接節點6包括雙環節點、三環節點，其中：雙環節點用于連接相鄰兩層桿件即第一層gfrp桿件1與第二層gfrp桿件2或者第二層gfrp桿件2與第三層gfrp桿件3，三環節點用于同時連接第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2、第三層gfrp桿件3。

進一步的，所述層間連接節點6僅限制所連接桿件在節點處的相對位移以及桿件平面外相對轉動，不限制桿件在節點處的桿件平面內相對轉動。

作為一優選地實施方式，所述錨固支座7采用不銹鋼制作，并通過預埋等方式錨固于下部結構或基礎中。

進一步的，所述錨固支座7可同時限制桿端節點5的平動和轉動以形成固結支座，也可僅限制桿端節點5的平動但不限制其轉動而形成鉸支座。

作為一優選地實施方式，所述第三層gfrp桿件3，在由第一層gfrp桿件1和第二層gfrp桿件2組成的平面結構起吊形成空間曲面雙層網格并與錨固支座7可靠連接之后，沿曲面網格對角線布置于第二層gfrp桿件2之上，并通過層間連接節點6與下方的第一層gfrp桿件1和第二層gfrp桿件2可靠連接，形成由三層桿件，即：第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2、第三層gfrp桿件3組成的曲面網殼穩定結構。

進一步的，所述第三層gfrp桿件3的桿端可通過桿端節點5與錨固支座7連接，也可不連接。

本實施例中，所述吊裝自成型gfrp網殼結構采用整體吊裝施工方法，網殼曲面成形依賴于gfrp桿件在吊裝過程中的自變形；

如圖6所示，所述吊裝自成型gfrp網殼結構的施工方法包括如下步驟：

1)支座布置

按照設計要求，采用預埋或其他方式將錨固支座7安裝固定于下部結構或基礎的指定位置。

2)桿件切割及拼接

按照施工放樣要求，將gfrp型材切割成指定長度，制作得到第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2、第三層gfrp桿件3，各層桿件中單根桿件長度不足時分別采用桿件延長節點4進行拼接延長，并通過螺栓分別將桿端節點5臨時固定至第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2的桿端。

3)地面安裝

將第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2按照指定位置和間距雙向正交平鋪于施工場地上，使第一層gfrp桿件1在下、第二層gfrp桿件2在上，同時采用層間連接節點6于桿件交匯處將第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2進行連接，形成平面雙層網格結構。

4)起吊成形

根據設計起吊點，采用吊機或其它設備將上一施工步驟得到的平面雙層網格起吊至空中，形成空間曲面形態，即空間曲面雙層網格，并通過施工監測確保第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2的桿端的高程在誤差范圍內。

5)落地錨固

將起吊形成的空間曲面雙層網格平移至預定安裝位置并下放，將各桿端節點5調整至合適角度后，通過螺栓分別與相應的錨固支座7可靠連接，并進一步采用粘接或螺栓連接方式分別將桿端節點5與第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2連接牢固；錨固過程中，如有必要可卸除桿端節點5的臨時固定螺栓；待所有錨固支座7連接完成后，放松吊點。

6)第三層gfrp桿件安裝

落地錨固完成之后，在第二層gfrp桿件2之上，沿空間曲面雙層網格的各網格單元的對角線方向鋪設第三層gfrp桿件3，并通過層間連接節點6將第三層gfrp桿件3與下方雙層桿件，即第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2可靠連接，從而形成由第一層gfrp桿件1、第二層gfrp桿件2、第三層gfrp桿件3組成的曲面網殼穩定結構。

7)附屬設施安裝

按照設計要求，對成型后的網殼結構進行局部切割，形成門窗洞口，同時鋪設屋面覆蓋層。

本發明所述網殼結構采用整體吊裝施工方法，網殼曲面成形依賴于gfrp桿件在吊裝過程中的自變形，提供了土木工程領域中的一種復合材料網殼結構，其性能可靠、制作簡單、施工快速、造價低廉，可應用于實際工程中。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。