一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法

1.本发明涉及一种空间结构领域，尤其涉及一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法。


背景技术：

2.在一类特殊用途的建筑结构中，例如需要营造无磁场环境的实验中心，不仅需要内部的大空间，还要保证空间内磁场强度几乎为零。地磁场的存在导致地球上绝大多数天然或人工场所均存在一定强度的磁场，无法保证无磁实验的顺利进行。在建筑表皮上覆盖磁屏蔽材料的方式可以一定程度上减弱内部空间的磁场强度，但传统结构体系所采用的金属材料(如钢材、钢筋混凝土)等，自身就具有一定的磁性，故而不适宜用作无磁场环境的结构主材。而竹材、木材虽然是无磁性材料，但由于耐火、耐腐蚀性能较差，不宜广泛应用于重要性程度较高的建筑结构中。
3.碳纤维材料具有轻质高强耐腐蚀且无磁性的特性，尤其适合于上述建筑结构的功能需求。传统网壳结构一般采用圆形、方形或者工字形截面的型材构件，而碳纤维材料的制作加工工艺导致其不易加工具有上述截面的型材构件，更多以碳纤维板材的形式使用。目前，已有将金属板片作为自由曲面网壳结构主要受力构件的发明实践，其优势在于：1)板片材料可通过激光切割技术加工为任意曲线轮廓，加工效率、精度高，适宜于工厂化预制；2)板片构件可以高效堆叠，在储存、运输过程中节省大量的空间；3)板片构件截面为规则矩形，节点构造简单，适宜于装配式结构。因此，将碳纤维板作为网壳结构的主要构件也具有一定的应用前景，在考虑经济成本合理的前提下，可以建成跨度30m以上的网壳结构。
4.根据新型建筑材料碳纤维板自身优越的轻质高强无磁性性能，结合板片构件在建筑结构中的应用实践，本发明提出一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，可有效解决如何营造无磁场环境的建筑难题，提供一种新的空间结构形式。


技术实现要素：

5.本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，所述网壳结构的受力构件采用无磁性的碳纤维材料，连接节点采用无磁性的钛合金材料，结构层之上的屋面系统布置磁屏蔽层，网壳内部形成磁场强度低于1nt的无磁空间。
7.进一步地，空间网壳结构采用碳纤维双肢板片构件为主要受力构件，通过以下方式制作：将两块长度为l，厚度为t，宽度为b的碳纤维分肢板以距离h平行放置，采用肢间连接以距离d间隔布置的形式固定碳纤维分肢板，从而形成空腹式矩形截面组合构件，其内力验算所采用的等效长细比公式如下：
8.弱轴长细比：
9.强轴长细比：
10.其中，αg为碳纤维分肢板几何尺寸相关的折减系数，需根据双肢拼合碳纤维板轴压试验确定；α
t
为碳纤维分肢板层间剪切强度相关的折减系数，需根据双肢拼合碳纤维板轴压试验确定。
11.进一步地，连接节点由十字形钛合金板、钛合金螺栓群和碳纤维分肢板组成，通过以下方式制作：用钛合金螺栓群将碳纤维分肢板与十字形钛合金节点板以摩擦型连接方式固定形成钛合金节点，钛合金节点承受弯矩荷载时的破坏过程呈现粘结-滑移-强化-破坏四个阶段，其中，滑移与破坏阶段的节点转动刚度相对较弱，粘结阶段的节点转动刚度k1与强化阶段的节点转动刚度k3设计计算公式分别如下：
[0012][0013][0014][0015][0016]
其中，e为钛合金的弹性模量；tj为节点板厚度；bj为节点板宽度；lj为节点板有效长度；db为钛合金螺栓直径；t为碳纤维分肢板厚度；tm为碳纤维分肢板厚度；ib为螺栓转动惯量；gab为钛合金螺栓的截面剪切刚度；为螺栓群中每个螺栓到螺栓中心的距离平方和；ec为碳纤维的弹性模量；βb和β
t
为与螺栓孔相关的系数值；fu为钛合金板的极限抗拉强度；eb为螺栓孔中心到节点板边缘的最小距离；pb为螺栓孔间距。
[0017]
进一步地，屋面系统磁屏蔽层采用坡莫合金，磁屏蔽层通过以下方式制作：在碳纤维双肢板片构件之上依次安装屏蔽层垫板、屏蔽层、屏蔽层压板、缓冲层、坡莫合金板和压条，通过钛合金螺栓或螺钉固定。
[0018]
进一步地，空间网壳结构的经济合理跨度达到30m以上。
[0019]
进一步地，所述十字形钛合金节点板与碳纤维分肢板的接触表面均采用喷砂处理，提高碳纤维分肢板与十字形钛合金节点板之间的摩擦力。
[0020]
本发明的有益效果是：
[0021]
1、本发明创新地使用组合型双肢碳纤维板片构件作为空间网壳结构的主要构件，充分发挥碳纤维板轻质高强的优点和无磁性的性能。
[0022]
2、本发明的碳纤维板片构件，可工厂化预制生产，制造误差小；便于储存、运输；节点构造简单，施工方便，安装误差小。
[0023]
3、本发明的钛合金节点与螺栓连接构造，具有低磁性、高强度的特点，与碳纤维板片构件配合良好，结构受力合理。
[0024]
4、本发明的坡莫合金板磁屏蔽屋面构造，具有构造简洁、安装简单、强度可靠的特点。
[0025]
5、本发明的无磁网壳结构，既可应用于各类对磁场屏蔽要求较高的功能型建筑，也可应用于普通建筑工程领域，作为新型空间结构形式。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0027]
图1为本发明用于肋环形网格球面网壳的空间网壳结构示意图。
[0028]
图2为碳纤维板片构件的构造及几何尺寸图。
[0029]
图3为连接节点的荷载位移曲线示意图。
[0030]
图4为连接节点的构造示意图。
[0031]
图5为屋面系统磁屏蔽层的构造示意图。
[0032]
图6为整体网壳结构与基本组成部分示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。无磁空间网壳结构制作的具体实施过程如下：
[0034]
(1)根据实际建筑的要求设计结构几何造型，本实施过程以球面网壳结构为例，划分肋环形网格(如图1所示)。网壳结构以两平行的碳纤维分肢板采用肢间连接形成的碳纤维双肢板片构件为受力构件，肢间连接是通过若干个等间距的固定分肢板将两平行的碳纤维分肢板固定连接，通过钛合金节点与钛合金螺栓相连接。钛合金节点由十字形钛合金节点板、钛合金螺栓群和碳纤维分肢板组成，通过钛合金螺栓群将碳纤维分肢板与十字形钛合金节点板以摩擦型连接方式固定。所述十字形钛合金节点板与碳纤维分肢板的接触表面均采用喷砂处理，提高碳纤维分肢板与十字形钛合金节点板之间的摩擦力。
[0035]
(2)根据网格结构建立数值模型，设定碳纤维双肢板片构件的截面初算尺寸与双肢连接构造初算尺寸(如图2所示)，设定相关的构件与节点材料性能，根据工程要求初步设定节点转动刚度的弯矩-转角曲线(如图3所示)。
[0036]
(3)根据已知荷载条件与支承条件对结构进行静力线弹性计算，得到结构的挠度与位移，对比建筑要求与相关设计规范，查验其是否满足要求，若不满足要求，则重新设定第(2)步中的构件尺寸或节点转动刚度，重复以上步骤。
[0037]
(4)根据已知荷载条件与支承条件对结构进行考虑双重非线性的弹塑性静力计
算，得到结构的极限承载力，对比建筑要求与相关设计规范，查验其是否满足要求，若不满足要求，则重新设定第(2)步中的构件尺寸或节点转动刚度，重复以上步骤。
[0038]
(5)提取静力计算结果中构件端部荷载信息，根据如下的构件的等效长细比公式验算强度与稳定性，对比建筑要求与相关设计规范，查验其是否满足要求，若不满足要求，则重新设定第(2)步中的构件尺寸，重复以上步骤。
[0039]
弱轴长细比：
[0040]
强轴长细比：其中，l为碳纤维分肢板的长度，t为碳纤维分肢板的厚度，b为碳纤维分肢板的宽度，h为两块平行放置碳纤维分肢板之间的距离，d固定分肢板之间的距离，αg为碳纤维分肢板几何尺寸相关的折减系数，需根据双肢拼合碳纤维板轴压试验确定，α
t
为碳纤维分肢板层间剪切强度相关的折减系数，需根据双肢拼合碳纤维板轴压试验确定。
[0041]
(6)根据第(2)步中的节点转动刚度的弯矩-转角曲线，根据下式反算得到节点尺寸构造与螺栓排列方式(如图4所示)，钛合金节点承受弯矩荷载时的破坏过程呈现粘结-滑移-强化-破坏四个阶段，其中，滑移与破坏阶段的节点转动刚度较弱，根据实际节点构造情况与相关规范的构造要求，查验该节点是否可行，若不满足要求，则重新设定第(2)步中的节点刚度的弯矩-转角曲线，重复以上步骤。
[0042][0043][0044][0045][0046]
其中，e为钛合金的弹性模量；tj为节点板厚度；bj为节点板宽度；lj为节点板有效长度；db为钛合金螺栓直径；t为碳纤维分肢板厚度；tm为碳纤维分肢板厚度；ib为螺栓转动惯量；gab为钛合金螺栓的截面剪切刚度；为螺栓群中每个螺栓到螺栓中心的距离平方和；ec为碳纤维的弹性模量；βb和β
t
为与螺栓孔相关的系数值；fu为钛合金板的极限抗拉强度；eb为螺栓孔中心到节点板边缘的最小距离；pb为螺栓孔间距。
[0047]
(7)在上述设计参数的基础上，布置磁屏蔽屋面系统，在碳纤维板片构件之上依次安装屏蔽层垫板、屏蔽层、屏蔽层压板、缓冲层、坡莫合金板、压条等，形成屋面系统(如图5所示)。在结构层之上的屋面系统中密布具有磁屏蔽特性的坡莫合金板，网壳内部形成磁场
强度低于1nt的空间，网壳内部空间具有近零剩磁的特性。
[0048]
(8)最终得到一种无磁空间网壳结构的制作方法的具体实施例(如图6所示)。
[0049]
以上所述仅为本发明一较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，其特征在于，所述网壳结构的受力构件采用无磁性的碳纤维材料，连接节点采用无磁性的钛合金材料，结构层之上的屋面系统布置磁屏蔽层，网壳内部形成磁场强度低于1nt的无磁空间。2.根据权利要求1所述的一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，其特征在于，空间网壳结构采用碳纤维双肢板片构件为主要受力构件，通过以下方式制作：将两块长度为l，厚度为t，宽度为b的碳纤维分肢板以距离h平行放置，采用肢间连接以距离d间隔布置的形式固定碳纤维分肢板，从而形成空腹式矩形截面组合构件，其内力验算所采用的等效长细比公式如下：弱轴长细比：强轴长细比：其中，α
g
为碳纤维分肢板几何尺寸相关的折减系数，需根据双肢拼合碳纤维板轴压试验确定；α
t
为碳纤维分肢板层间剪切强度相关的折减系数，需根据双肢拼合碳纤维板轴压试验确定。3.根据权利要求1所述的一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，其特征在于，连接节点由十字形钛合金板、钛合金螺栓群和碳纤维分肢板组成，通过以下方式制作：用钛合金螺栓群将碳纤维分肢板与十字形钛合金节点板以摩擦型连接方式固定形成钛合金节点，钛合金节点承受弯矩荷载时的破坏过程呈现粘结-滑移-强化-破坏四个阶段，其中，滑移与破坏阶段的节点转动刚度相对较弱，粘结阶段的节点转动刚度k1与强化阶段的节点转动刚度k3设计计算公式分别如下：设计计算公式分别如下：设计计算公式分别如下：设计计算公式分别如下：其中，e为钛合金的弹性模量；t
j
为节点板厚度；b
j
为节点板宽度；l
j
为节点板有效长度；d
b
为钛合金螺栓直径；t为碳纤维分肢板厚度；t
m
为碳纤维分肢板厚度；i
b
为螺栓转动惯量；ga
b
为钛合金螺栓的截面剪切刚度；为螺栓群中每个螺栓到螺栓中心的距离平方和；e
c
为碳纤维的弹性模量；β
b
和β
t
为与螺栓孔相关的系数值；f
u
为钛合金板的极限抗拉强度；e
b
为螺栓孔中心到节点板边缘的最小距离；p
b
为螺栓孔间距。4.根据权利要求2所述的一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，其特征在于，屋面系统磁屏蔽层采用坡莫合金，磁屏蔽层通过以下方式制作：在碳纤维双肢板片构件之上依次安装屏蔽层垫板、屏蔽层、屏蔽层压板、缓冲层、坡莫合金板和压条，通过钛合金螺栓或螺钉固定。5.根据权利要求1所述的一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，其特征在于，空间网壳结构的经济合理跨度达到30m以上。6.根据权利要求3所述的一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，其特征在于，所述十字形钛合金节点板与碳纤维分肢板的接触表面均采用喷砂处理，提高碳纤维分肢板与十字形钛合金节点板之间的摩擦力。

技术总结
本发明公开了一种由碳纤维板片组成的无磁性空间网壳结构制作方法，该网壳结构的受力构件采用无磁性的碳纤维材料，连接节点采用无磁性的钛合金材料，结构层之上的屋面系统布置磁屏蔽层，网壳内部形成磁场强度低于1nT的无磁空间。其中，受力构件采用碳纤维板片构件，通过两块碳纤维分肢板以肢间连接形式固定并形成空腹式矩形组合截面；连接节点由钛合金节点板、钛合金螺栓群、碳纤维分肢板组成；屋面系统磁屏蔽层由屏蔽层垫板、屏蔽层、屏蔽层压板、缓冲层、坡莫合金板和压条组成。本发明具有轻质高强、自身无磁性，通过屋面磁屏蔽层塑造内部近零剩磁空间等特点，可应用于各类对磁场屏蔽要求较高的功能型建筑，也可应用于普通建筑工程领域。程领域。程领域。


技术研发人员：罗尧治 葛荟斌 程媛 杨超
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/8/9