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第五章 网壳结构,网壳结构的形式与选型网壳结构分析网壳结构的杆件设计和节点构造网壳结构的施工和验收,第一节 网壳结构的形式与选型 网壳结构：杆件按一定规律布置，通过节点连接而成的曲面状空间杆系结构。受力特点：以薄膜内力为主要受力模式。网壳结构外型美观，能适应各种复杂的建筑造型需要。网壳分类：高斯曲率：正高斯曲率、零高斯曲率、负高斯曲率 曲面外形：旋转曲面壳、移动曲面壳、组合曲面壳 层数：单层网壳、双层网壳,壳体的基本曲面：典型曲面（几何学曲面）不论其曲面形式如何，总可以用几何学方程表达。非典型曲面 不易用几何学方程表达的曲面。网壳结构中常用的形式有：,柱面网壳 柱面网壳按其支承情况和长度分为短壳（L/R0.5）、中长壳（0.52.5）和筒壳。短壳常用单波多跨的形式，一般沿长边多点支承，荷载沿两个方向传递；长壳多为端部支承，荷载沿长度方向传递，结构主要起梁的作用，常用多波单跨的形式；筒壳是在周边节点上均设支座，受力性能与单位宽度的平行拱类似，由于其受力较均匀，空间刚度大，应用较广。,四角锥体系,单层柱面网壳,柱面网壳,单斜杆柱面网壳,双层柱面网壳,弗普尔柱面网壳,交叉斜杆型柱面网壳,联方网格型柱面网壳,三向网格型柱面网壳,正放四角锥柱面网壳,斜置正放四角锥柱面网壳,抽空正放四角锥柱面网壳,交叉桁架体系,三角锥体系,三角锥柱面网壳,抽空三角锥柱面网壳,（a）单斜杆型（b）弗普尔型,（c）联方型（d）三向网格型（e）交叉斜杆型,单层柱面网壳,单斜杆型与交叉斜杆型相比，前者杆件数量少，杆件连接易于处理，但刚度稍差，适于小跨度、小荷载网架；联方网格杆件数量最少，杆件长度统一，节点上只有四个杆件，节点构造简单，刚度较差；三向网格刚度最好、杆件数量较少。,悉尼国际水上运动中心,双层柱面网壳,正放四角锥,抽空四角锥,斜置正放四角锥,三角锥柱面网壳,抽空三角锥柱面网壳,清华大学游泳馆,柱面网壳的组合应用成渝高速路二郎收费站,大英博物馆,球面网壳 当跨度较小时可以采用单层，也可采用双层。球面网壳的网格分割方法很多，主要有：,单层球面网壳,球面网壳,肋环型球面网壳,双层球面网壳,施威德勒球面网壳,联方型球面网壳,三向网格型球面网壳,凯威特型球面网壳,短程线球面网壳,联方型四角锥球面网壳,交叉桁架体系,肋环型四角锥球面网壳,角锥体系,联方型三角锥球面网壳,平板组合式球面网壳,联方型球面网壳 无纬向杆,肋环型球面网壳,联方型球面网壳 有纬向杆,适于大中跨度,适于中小跨度,斯威德勒型球面网壳（肋环斜杆型）,单斜杆型,无环杆的交叉斜杆型,交叉斜杆型,适于大中跨度,凯威特型球面网壳,适于大中跨度,三向网格型球面网壳,适于中小跨度,子午线球面网壳,短程线球面网壳,肋环型四角锥球面网壳(局部三角锥),肋环型桁架球面网壳,凯威特型三角锥球面网壳,凯威特桁架球面网壳,蒙特利尔世博会,球面网壳通过一定形式的切割，还可以切割出各种不同的平面形状及造型。,双曲抛物面网壳（扭壳）双曲抛物面网壳在几何学上的特点是其曲面的形成方式属移动式，具有直纹性，即其曲面是由无数根斜交的直线组成。通过一定的组合，双曲抛物面网壳还可以发展出不同的造型。,正交正放类,正交斜放类,双曲抛物面网壳,双向斜杆型 双曲抛物面网壳,压斜杆型 双曲抛物面网壳,拉斜杆型 双曲抛物面网壳,二向正交型 双曲抛物面网壳,网壳结构的选型,根据跨度大小、刚度要求、平面形状、支承条件、制作安装以及技术经济指标综合考虑。双层网壳可采用铰接节点，单层网壳采用刚接节点；双层网壳适合大中跨度的结构，中小跨度可采用单层网壳；跨度大时，宜采用矢高大的球面或柱面网壳；跨度小时，可选用矢高较小的双曲扁壳或双曲抛物面壳；网壳结构除竖向反力外，会产生水平推力，应设置边缘构件承受水平推力。边缘构件应具有足够的刚度，可作为结构的组成部分进行协调分析计算。优先采用结构稳定性较好的体系：,球面网壳：小跨度：肋环型；大跨度：三向网格型、凯威特型、短线程型柱面壳小跨度：联方型大跨度：可形成三角型网格的类型容许扰度 普通网壳挠度短向跨度的1/400；悬挑网壳挠度悬挑长度的1/200；网壳尺寸 跨度50m，1.5-3.0m；跨度50100m，2.0-3.5m；跨度100m，2.54.0m。,网壳结构的静力特性 影响网壳结构静力特性的因素很多，主要有：结构的几何外形、荷载类型及边界条件等。网壳的类型和形式很多，型式不同的网壳，结构的变形规律及内力分布规律相差甚远。即使是同一种型式的网壳，当几何外型尤其是矢跨比不同时，都将有不同的结构反映。此外，网壳结构是一类边界条件敏感型的结构，边界约束条件的细微变化将有可能使结构的静力性能产生相当的变化。,网壳结构的受力特性,第二节 网壳结构分析,网壳结构的刚度特性 传统结构一般仅对结构的刚度提出控制性要求，但对于网壳结构（包括大跨度结构），还应进行刚度设计，因为刚度将影响网壳结构的稳定性能，同时直接影响结构的静力特性。刚度设计需兼顾两方面：从释放温度应力及次应力考虑：支承及约束应减弱或设计得柔一些；从结构的稳定性考虑：结构应设计得刚一些。为兼顾此两方面，设计时需要对结构进行刚度调整。,几何参数对网壳结构静力性能的影响 影响网壳结构静力特性的几何参数主要有结构的跨度S、矢跨比F/S及波跨比有关（F为柱面网壳的矢高）。筒拱中内力分布很不均匀，当矢跨比F/S很小时，结构主要呈梁的作用，跨中弯矩及轴力均很大且轴力分布不均；当矢跨比F/S很大时（如接近半圆），各杆轴力较小，拱轴方向的弦杆在跨中区域受压，在边缘区域受拉。,矢跨比F/S与耗钢量W的关系 跨度S与耗钢量W的关系,（4）柱面网壳的水平推力 圆柱面网壳由于环向力的作用而产生较大的水平推力。水平推力N的大小也与矢跨比有关。,水平推力的处理可采用：加水平拉杆；结构落地；增加下部柱的刚度；利用下部结构吸收推力。,计算方法 网壳结构的分析不仅仅是强度的分析，通常还必须包括刚度和稳定性。在某些条件下，结构的刚度和稳定性甚至比强度更为重要。此外，在既定荷载下结构力流的分析、导向和控制也与结构外形设计及刚度的分配密切相关。分析的基础仍然是基于经典弹性理论。即：方法 连续化方法比拟为连续光面实体薄壳 的拟壳法；,拟壳法将格构式的球面、柱面或双曲抛物面网壳比拟为连续的光面实体球壳、柱壳或双曲抛物面薄壳。拟壳法按弹性薄壳理论分析求得壳体的内力和位移，再根据应力值折算为球面或柱面网壳的杆件内力，此法须经过连续化再离散化的过程。方法 离散化方法矩阵位移法或有限单元法。矩阵位移法或有限单元法是将网格结构离散为各个单元，分别求得各单元刚度矩阵及结构的总刚度矩阵，根据边界条件修正总刚度矩阵后求解基本方程，以得到各单元节点的位移进而得到杆件的内力。,有限单元法计算模型 双层网壳结构空间杆系模型；单层网壳结构空间梁系模型。内力与位移一般按现弹性阶段计算，稳定性考虑结构的几何非线性。空间杆系模型,空间梁系模型,将网架结构的杆件离散为梁单元，以节点位移为基本未知量；先对杆件单元进行分析，根据虎克定律建立单元杆件内力与节点位移之间的关系，形成单元刚度矩阵；对结构进行整体分析，根据各节点的变形协调条件和静力平衡条件结构上的节点荷载和节点位移之间的关系，形成结构的总体刚度矩阵和总刚度方程；引入边界条件，修正总体刚度矩阵；求解结构的总刚度方程，得出各节点的位移值；由节点位移求出杆件内力。,网壳结构的稳定性,概述局部失稳：结构局部刚度出现软化、消失，荷载与位移对应关系中突然偏离平衡位置，产生动态跳跃，局部出现很大的几何变形。整体失稳：整个结构突然屈曲至完全不同于初始形状的变形形式，出现偏离平衡位置的大位移。稳定性分析的必要性荷载-位移全过程曲线可以将结构的强度、稳定性以致于刚度的整个变化历程表示得清清楚楚。,失稳模态网壳结构失稳后因产生大变形而形成的新的几何形状称为失稳模态影响失稳模态的因素：网壳类型、几何形状、荷载条件、边界条件、节点刚度等常见的失稳模态：1）杆件失稳,杆件失稳是指网壳中只有单根杆件发生屈曲而结构其余部分不受任何影响,2）点失稳,点失稳指网壳中一个节点出现很大的几何变位、偏离平衡位置的失稳现象。发生的情况：只有一个节点承受外荷载，某个节点比其相邻节点承受更大的外荷载，所有节点均匀加载，但某节点存在明显的几何偏差。,3）条状失稳,条状失稳指沿网壳结构的某个方向出现一条失稳带，该条上的节点出现很大的几何变位现象。如圆柱面沿母线球面沿一圈环向节点和杆件,4）整体失稳,整体失稳指网壳结构的大部分发生很大的几何变位、偏离平衡位置的失稳现象。由失稳前的薄膜应力状态转化为弯曲应力状态。整体失稳通常是从局部失稳开始的。,计算模型1）基于连续化假定的等代薄壳模型（拟壳法）存在的局限性：（1）拟壳法的关键在于结构的等代，即网壳等代刚度的确定，但只有一些特定形式、特定拓扑的网壳才能确定其合理的等代刚度，对于无斜杆的肋环型网壳因两个方向网格不均匀，将整个网壳等代成统一的等效刚度不能反映结构的实际情况（2）等厚度的等代薄壳难以反映实际网壳在不同位置采用不同杆件的实际情况。（3）不能考虑网壳结构中单杆失稳或点失稳的情况（4）薄壳结构的稳定承载力多在均匀荷载条件下求得，并不适用于承受非对称荷载与局部荷载的情况。,2）基于离散化假定的有限单元法对网壳结构进行考虑非线性效应的全过程分析比较符合网壳结构本身离散构造的特点，同时不受结构形式、结构拓扑、荷载条件、边界条件的限制，故具有更高的精度和更好的适用性。,影响网壳结构稳定性 主要因素,非线性效应几何非线性：屈曲后的部位由薄膜应力状态转变为弯曲应力状态材料非线性对于单层网壳几何非线性的影响非常大，对于双层网壳通常要同时考虑双重非线性的影响几何非线性的影响随着网壳跨度的增加而明显增大，材料非线性则随跨度减小而增大,初始缺陷网壳结构的初始缺陷包括：结构外形的几何偏差（网壳安装完成后的节点位置与设计理想坐标的偏差），是影响结构整体稳定的主要缺陷，其他在截面设计中都有所考虑。杆件的初弯曲杆件对节点的初偏心由于残余应力等引起的初应力杆件的材料不均匀性外荷载作用的偏心,曲面形状双曲型的曲面的稳定性优于单曲型的曲面具有负高斯曲率的双曲抛物面稳定性更好网壳规程要求：对单层的球面网壳、圆柱面网壳和椭圆抛物面网壳以及厚度较小的双层网壳进行稳定性验算；对双曲抛物面网壳可不考虑稳定问题。,厚度较小的双层网壳是指厚度小于以下范围：球面网壳的厚度为跨度的1/301/60，圆柱面网壳的厚度为宽度的1/201/50，椭圆抛物面网壳的厚度为短向跨度的1/201/50。,结构刚度刚度与结构形状、结构拓扑、网格密度、杆件的截面特性等多种因素有关结构的刚度越大防失稳的能力越强节点刚度节点刚度对网壳的结构性能影响很大，节点的嵌固作用对维持网壳的稳定性十分重要。节点的简化：铰接节点假定偏于安全网壳规程规定：单层网壳应采用刚接节点，双层网壳可采用铰接节点,荷载分布雪荷载、风荷载等非对称荷载是导致结构失稳的重要因素之一边界条件边界条件包括支承的数量（周边支承、点支承）支承约束的方向（竖向、法向、切向）支承的约束刚度（刚性和半刚性）。边界条件不仅影响稳定承载力也会影响失稳模态,网壳结构的稳定设计,网壳规程提供的实用计算公式单层球面网壳的稳定承载力标准值：,球壳的曲率半径,球壳的等效刚度,规范对计算公式适用范围进行了限制，如球面网壳的跨度应小于45m。,球壳 K0.21,特征根分析法线性分析方法确定临界荷载：通过求解线性特征根问题得到结构的屈曲模态及相应的临界荷载通过安全系数来保证结构的稳定承载，安全系数的取值试验依据不足但求得的临界荷载可作为确定设计荷载的基础，而屈曲模态往往作为初始缺陷的分布形式引入下一步的非线性全过程分析。,几何非线性全过程分析通过跟踪网壳结构的非线性荷载位移全过程响应，完整地了解结构在整个加载过程中的强度、稳定性以及刚度的变化历程，从而合理确定其稳定承载能力。（1）初始缺陷规程规定：初始几何缺陷按最低阶屈曲模态分布；按网壳跨度的1/300作为理论计算的缺陷幅值。（2）非对称荷载荷载的不对称分布对球面网壳的稳定承载力并无不利影响；对四边支承的柱面网壳当其长宽比不大于1.2时，活载的半跨分布对稳定承载力有一定影响；对于椭圆抛物面网壳和两端支承的柱面网壳，影响较大，应在计算中考虑。,（3）安全系数通过网壳结构的几何非线性全过程分析、并按上述方法考虑了初始缺陷、不利荷载分布等影响而求得的第一个临界点的荷载值，可作为该网壳的极限承载力；将极限承载力除以安全系数，即为按网壳稳定性确定的容许承载力。考虑以下因素确定的安全系数可取5：荷载等外部作用和结构抗力的不确定性可能带来的不利影响计算中未考虑材料的弹塑性可能带来的不利影响结构工作条件中的其他不利因素,网壳在温度、地震作用下的内力计算,荷载效应组合,第三节 网壳结构的杆件设计和节点构造,网壳结构的杆件设计截面形式、计算长度及容许长细比（1）材料：Q235、Q345钢，高频焊管或无缝钢管（2）计算长度：双层网壳与网架结构同，单层按下表采用,（3）容许长细比,杆件截面设计计算双层网壳：轴心受拉或受压单层网壳：拉弯或压弯,（1）拉弯和压弯杆件的强度要求,（2）稳定性要求,网壳结构的节点设计,1.当网壳结构内力分析采用空间杆单元时，对于焊接空心球的设计，作用在空心球上杆件的最大压力或拉力不得大于,2.当网壳结构内力分析采用空间梁单元时，对于焊接空心球的设计，作用在空心球上杆件的最大压力或拉力不得大于,考虑空心球受弯作用的影响系数，可取0.8,加肋承载力提高系数，受压空心球加肋采用1.4，受拉1.1,2.支座节点,1）固定铰支座适用于仅要求传递轴向力和剪力的单层或双层网壳,大跨度或点支承网壳,小跨度网壳,较大跨度、落地网壳,2）弹性铰支座可用于需在水平方向产生一定弹性变位且能转动的网壳支座节点,3）刚性支座可用于能传递轴向力又要求传递弯矩和剪力的网壳支座节点,4）滚轴支座可用于能产生一定水平位移的网壳支座节点,节点设计应保证安全可靠、连接简单、并符合计算假定,第四节 网壳结构施工和验收,概述常规施工方法：高空散装法、分条分块安装法、高空滑移法、整体吊装法、整体提升法和整体顶升法对施工方法的要求：网格结构的组装尽可能地靠近地面，以提高工作效率和安全性；缩短时间和降低成本；方便质量检查。,3.6.2 网壳结构的新型施工方法,悬臂安装法（1）施工过程,（2）特点1）脚手架用量很少，施工成本较低；2）施工工艺简单，但高空操作危险性较大；3）可能有较大的安装次应力产生；4）适用于节点形式为螺栓球节点的网壳结构。（3）应注意的问题1）施工前应验算构件的施工内力；2）第一圈构件的安装特别重要；3）应采取足够的施工安全保护措施。,漳州后电石厂圆形煤场网壳工程施工过程第一圈安装采用首先在地面进行分块预拼装第二圈开始采用小拼单元吊装,顶盖部分为一圆形平板网架采用高空散装法,建成后的煤场网壳,逆作法（外扩法）,由里向外、由上向下的施工过程,逆作法施工照片,（1）施工方法特点1）质量检查方便，安装次应力可降低到最小程度；2）屋面材料、电气设备等可同时进行安装；3）工作效率高，施工速度快；4）高空作业少，施工安全；5）施工成本低；6）需要起重量大的吊装机具；7）可用于曲面形式的空间网壳结构。,（2）应注意的问题1）施工方案的确定一定要进行施工内力分 析；2）吊点的位置应根据施工顺序分阶段计算的结果进行合理布置，计算内容不仅包括吊装机具的验算，而且包括在施工过程中构件内力的变化值以及构件的最终内力值。,Pantadome体系及施工技术（1）施工原理,去掉一部分环向杆，使穹顶产生一个竖向自由度,（2）pantadome 体系的特点1）在地面附近施工，省去了大量的脚手架；2）施工精度易于保证；3）质量检测方便；4）施工作业安全性高；5）屋面构造在低空完成，建筑功能要求易于保证；6）室内吊顶、设备管道及灯光等大部分可在地面安装7）施工期可不设缆绳等临时支撑结构，能自行抵抗水平荷载；8）施工速度快；,（3）pantadome 体系施工时应注意的问题1）构件的制作精度指标和施工时的安装精度指标的要求很高；2）对于预升施工时结构构件在施工过程中的内力、变形、反力等变化，均应进行周密的分析计算，对壳体结构在施工过程中的结构稳定问题要倍加重视。,神户市世界纪念堂施工过程,河南省鸭河口电厂煤棚,柱面网壳结构“折叠展开式”整体提升施工技术,柱面网壳“机构结构”整体提升施工方法的基本思想：是将网壳去掉部分杆件，使一个静定结构变成一个可以运动的机构，这样就可以将柱面网壳在地面折叠起来，最大限度的降低安装高度；然后将折叠的网壳提升到设计高度；最后补缺未安装的构件，机构又变成静定的结构。,实际施工图,施工过程,液压提升设备,施工过程：地面安装提升就位构件补缺,3.6.3 网壳结构的验收,网壳结构的制作、拼装和安装的每道工序均应进行检查。安装完成后必须进行交工检查验收。焊接球、螺栓球、杆件、高强度螺栓、柱状毂体、端杆嵌入件等均应有出厂合格证和检验纪录；交工验收时，应检查网壳的若干控制支承点间的距离偏差和高度偏差。控制支承点间的距离偏差容许值应为该两点间距离的1/2000，且不大于30mm。当跨度小于或等于60m时不得超过设计标高20mm，当跨度大于60m时不得超过设计标高 30mm。安装完成后，应测量网壳若干控制点的竖向位移，所测得的竖向位移值应不大于相应荷载作用下设计值的1.15倍。,