[分享]宁波第一个椭球形铝合金网壳设计

宁波市第一个铝合金结构网壳---海曙区段塘学校体艺楼网壳屋面，坐落在环城南路以南、南塘河以东，以其独特的椭球形造型，犹如一颗夺目的明珠，散落在海曙区段塘学校的一角，为美丽的校园增色不少。

项目名称：宁波市海曙区段塘学校扩建工程

项目地点：浙江省宁波市海曙区段塘中路以北，鄞奉路以西，环城南路以南，南塘河以东

结构设计单位：宁波市民用建筑设计研究院有限公司

铝合金网壳深化单位：同济大学郭小农研发团队
铝合金网壳施工单位：慈溪市利民钢结构有限公司

本工程结构体系为单层网壳，支撑在下部混凝土结构上，椭球形网壳总长约51米，总宽约33米，结构高度约20米。整体网壳通过下部埋设于砼环梁的28个埋件支座进行支承。

       

 铝合金结构构件及节点板选用6061-T6铝合金，铝合壳结构构件选用工字形和矩形挤压型材；铝合金表面处理为阳极氧化，银白色，AA15。

2.1 铝合金杆件加工制作流程

铝合金杆件压铸加工

铝合金铣除矩型槽多余部分

数控钻孔

2.2 圆盘加工流程

 

节点圆盘浇铸成形、成孔

压型后的节点圆盘

        椭球形网壳不同位置不同高度的节点圆盘尺寸和各项弧度均不相同。

3.1 杆件安装

（1）埋件复测完成，支座杆件调整完毕就位后，即进行支座与第一环间杆件的安装。

（2）第一道起始杆及腹板安装后，进行背面圆盘的安装

（3）环杆安装：背部圆盘就位后，进行环杆的安装

（4）上部腹杆安装安装前架设临时支撑—中性方木（等上一环闭合后进行卸除，备用于上上环的安装）

（5）上部腹杆安装：临时支撑就位后，接着进行上部腹杆的安装

（6）正面圆盘安装：上部腹杆就位。

（7）第一环安装完成，测量校正。对有偏差的进行调整后，即同理进行上环结构的安装。

（8）安装到第三环（门洞上部），所有杆件调整到设计尺寸要求，再同理进行上部结构的安装。第四环进行复测，对有偏差的进行调整，再进行第五环杆件的安装。依次每三环进行复测一次，使杆件的安装满足设计要求。

（9）安装到合拢前的内三环，再次进行复测，最后经过复测结果分析再通知生产厂家加工最后三环的杆件，确保合拢顺利。

（1）临时固定

杆件安装时采用两组不锈钢冲钉或普通镀锌螺栓进行对边临时固定。

安装螺栓临时固定照片

        前三环安装合拢前后，均需用全站仪对安装精度进行复测，构件安装出现偏差需及时修整，确保整体的安装精度。

（2）整体合拢及拉铆钉更换

        最后一环壳体安装完成后，对安装螺栓全部更换为不锈钢拉铆钉。

安装螺栓更换为不锈钢拉铆钉照片

        铝合金板式节点是美国TEMCOR公司的专利产品，采用拉铆钉作为紧固件，其安装步骤如下图所示。

上图为虎克螺栓

上图为虎克螺栓的安装步骤

        从图中步骤(2)~(3)可见，拉铆钉的夹紧力是通过配套工具挤压套环使其发生塑性变形产生的。在这个过程中，套环直径减小，长度增加；同时钉杆被拉伸，从而产生了精确的夹紧力。

        为了解决传统铝合金板式节点单层网壳的设计工作量大、节点验算繁琐、深化放样复杂等问题，研发了一套基于ANSYS、ABAQUS和ObjectARX平台的铝合金板式节点单层网壳设计系统。

        用户输入结构参数后，该系统可自动生成ANSYS的APDL命令流文件，完成参数化建模、荷载输入、静力分析、动力分析和杆件截面优选；并进一步完成结构整体稳定分析，自动生成结构分析计算书。然后，对节点进行分类并完成板式节点设计，用户需要时可生成典型节点的ABAQUS分析模型。最后，通过数据接口将设计结果传送至AutoCAD中，并基于ObjectARX程序包进行二维加工图的批量绘制；并在此基础上绘制三维实体模型，以辅助结构制作和安装。

        详细内容可参见《基于多平台的铝合金板式节点网壳设计系统》~2018年“建筑钢结构进展”期刊，论文作者：郭小农、朱劭骏、罗晓群。

        针对A类杆件和B类杆件，分别进行了杆件翼缘与节点板的螺栓抗剪强度验算、螺栓孔壁承压强度验算、杆件净截面强度验算。B类杆件净截面破坏的不利路径共八种，分别对其破坏线净截面强度进行验算。

        椭球形网壳不同高度、不同平面位置结构各处的曲率、节点板的拱度、直径、孔位均不相同，杆件的长度和夹角均不相同，这为深化设计和加工生产带来了巨大的难度。

两条贯通的直线分别代表椭球的经线和纬线

        该建筑坐落在美丽的南塘河边，建成后，将成为海曙区段塘学校的标志性建筑。

结构设计单位：宁波市民用建筑设计研究院有限公司

铝合金网壳深化单位：同济大学郭小农研发团队

铝合金网壳施工单位：慈溪市利民钢结构有限公司