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1、2011年3月26日 1/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 网壳结构定义 将杆件沿着某个曲面有规律地布置而组成 将杆件沿着某个曲面有规律地布置而组成 的空间结构体系的空间结构体系。 网壳结构特点 网壳结构特点 ? 网架结构就整体而言是一个受弯的平板 网壳结构则是主要承受膜内力的壳体 ? 一般情况下，同等条件的网壳比网架要 节约钢材约20 3.1 3.1 网壳结构概述 网壳结构概述 3.1.1 3.1.1 网壳结构特点 网壳结构特点 2011年3月26日 2/110 哈理工 建筑工程学院 ? 网壳在制作和拼装方面技术要求比网架高 (1)制造精度要求更高 (2)节点和杆件在空间交汇角
2、度必须计算准确 (3)拼装时必须精确地测量和控制节点坐标 ? 网壳结构构件可以工厂预制、安装简便、综合 经济指标好 ? 网壳结构外形美观，富于变化 第3章 网壳结构 3.1.2 3.1.2 国内外应用情况 国内外应用情况 2011年3月26日 3/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 国内应用情况： 1956年建成 天津体育馆（圆柱面网壳） 1966年建成 浙江横山钢铁厂材料（圆柱面网壳） 1993年建成 马里议会大厦（双层柱面网壳） 1988年建成 北京体育学院体育馆（四块组合型双 层扭网壳） 1994年建成 天津市（双层球面网壳） 1998年建成 长春五环体育馆（枣形网壳） 19
3、99年建成 昆明拓东体育场（变厚度双层正放 四角锥网壳） 2002年建成深圳市民中心大屋顶（变曲率网壳） 1996年建成黑龙江省速滑馆（柱面与球面网壳组合） 2011年3月26日 4/110 哈理工 建筑工程学院 国外应用情况： 1863年建成 德国 施威特勒形网壳 1973年建成 日本名古屋国际展览馆 1976年建成 美国新奥尔良超级穹顶体育馆（K12 型球面网壳） 1996年建成 名古屋体育馆（单层网壳） 1990年建成 新加坡综合体育馆 日本神户“世界纪念”体育馆 加拿大多伦多“天空穹顶”体育馆 福冈穹顶 大分穹顶 中国国家体育场 美国塔克马市体育馆 1997年建成 上海浦东游泳馆 第3
4、章 网壳结构 2011年3月26日 5/110 哈理工 建筑工程学院 3.2 3.2 网壳结构的类型和选型 网壳结构的类型和选型 3.2.1 3.2.1 网壳结构的类型 网壳结构的类型 单层网壳 （1）按层数分类（1）按层数分类 双层网壳 网壳结构可以按层数、高斯曲率和曲面外形分类。网壳结构可以按层数、高斯曲率和曲面外形分类。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 6/110 哈理工 建筑工程学院 高斯曲率 （2）按高斯曲率分类（2）按高斯曲率分类 ) 1 ( 1 1 2 1 2 1 R R k k K = = 第3章 网壳结构 2011年3月26日 7/110 哈理工 建筑工程学院 （2）
5、按高斯曲率分类（2）按高斯曲率分类 零高斯曲率 正高斯曲率 负高斯曲率 第3章 网壳结构 2011年3月26日 8/110 哈理工 建筑工程学院 （3）按曲面外形分类（3）按曲面外形分类 球面网壳 双曲扁网壳 柱面网壳 第3章 网壳结构 2011年3月26日 9/110 哈理工 建筑工程学院 矩形平面 菱形平面 （3）按曲面外形分类（3）按曲面外形分类 双曲抛物面之组合 双曲抛物面网壳 第3章 网壳结构 2011年3月26日 10/110 哈理工 建筑工程学院 （3）按曲面外形分类（3）按曲面外形分类 球面切割网壳(三角形) 球面切割网壳(六边形) 第3章 网壳结构 2011年3月26日 11
6、/110 哈理工 建筑工程学院 组合扭网壳 （3）按曲面外形分类（3）按曲面外形分类 第3章 网壳结构 2011年3月26日 12/110 哈理工 建筑工程学院 （3）按曲面外形分类（3）按曲面外形分类 球面与柱面组合网壳 第3章 网壳结构 2011年3月26日 13/110 哈理工 建筑工程学院 3.2.2 网壳的网格形式 （1）球面网壳（1）球面网壳 肋环型球面网壳 ? 整体刚度差，适用于中、小型网壳 第3章 网壳结构 2011年3月26日 14/110 哈理工 建筑工程学院 施威德勒型球面网壳(Schwedler) ? 整体刚度好，适用于大、中型网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章
7、网壳结构 2011年3月26日 15/110 哈理工 建筑工程学院 联方型球面网壳 三向网格球面网壳 ? 适用于大、中型网壳 ? 受力性能好，外形美观 适用于大、中型网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 16/110 哈理工 建筑工程学院 凯威特型球面网壳（Kiewitt） ? 网格大小匀称，内力分布均匀，适用于大、中型网壳 K8型,2分频 K6型,3分频 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 17/110 哈理工 建筑工程学院 短程线型球面网壳 ?网格大小匀称，受力性能好，适用于矢高比较大 或超半球形网壳 3.2.2 网壳的网
8、格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 18/110 哈理工 建筑工程学院 短程线型球面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 19/110 哈理工 建筑工程学院 （2）柱面网壳（2）柱面网壳 单斜杆型柱面网壳 弗普尔型柱面网壳 ? 刚度较差，适用于中、小型网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 20/110 哈理工 建筑工程学院 双斜杆型 三向网格型 ? 联方型网格刚度差 联方型 ? 三向型网格刚度最好，是一种较经济合理的形式 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 21/110 哈理工
9、建筑工程学院 （3）双曲抛物面网壳（3）双曲抛物面网壳 正交正放型 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 22/110 哈理工 建筑工程学院 ? 抗剪刚度较弱 正交斜放型 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 23/110 哈理工 建筑工程学院 （4）双层球面网壳的形式 4）双层球面网壳的形式 ? 只要将单层网壳中 每个杆件，用平面网片 来代替，即可形成双层 球面网壳，网片竖杆是 各杆共用，方向通过球 心 交叉桁架体系 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 24/110 哈理工 建筑工程学院 肋环型四角锥
10、球面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 25/110 哈理工 建筑工程学院 联方型四角锥球面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 26/110 哈理工 建筑工程学院 联方型三角锥球面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 27/110 哈理工 建筑工程学院 平板组合式球面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 28/110 哈理工 建筑工程学院 ? 只要将单层网壳中每个杆件，用平面网 片来代替，即可形成双层柱面网壳 交叉桁架体系 （5）双层柱面网壳的形式
11、（5）双层柱面网壳的形式 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 29/110 哈理工 建筑工程学院 ? 杆件类型少，节点构造简单，刚度大，是目前最常用 形式之一 正放四角锥柱面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 30/110 哈理工 建筑工程学院 ? 适用于小跨度、轻屋面，网格数应为奇数 抽空正放四角锥柱面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 31/110 哈理工 建筑工程学院 斜置正放四角锥柱面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 32/110 哈理工
12、建筑工程学院 三角锥柱面网壳 3.2.2 网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 33/110 哈理工 建筑工程学院 抽空三角锥柱面网壳 3.2.2网壳的网格形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 34/110 哈理工 建筑工程学院 3.2.3 网壳结构的选型 第3章 网壳结构 （ （ （1 1）双层网壳可采用 ）双层网壳可采用 ）双层网壳可采用）双层网壳可采用铰接节点 铰接节点 铰接节点铰接节点，单层网壳应采用 ，单层网壳应采用 ，单层网壳应采用，单层网壳应采用刚接节 刚接节 刚接节 刚接节 点 点 点点，一般来说大跨度网壳宜采用双层网壳，中小跨度网壳可 ，一般来说大跨
13、度网壳宜采用双层网壳，中小跨度网壳可 ，一般来说大跨度网壳宜采用双层网壳，中小跨度网壳可 ，一般来说大跨度网壳宜采用双层网壳，中小跨度网壳可 采用单层网壳。 采用单层网壳。 采用单层网壳。 采用单层网壳。 网壳结构的选型要考虑 网壳结构的选型要考虑 网壳结构的选型要考虑网壳结构的选型要考虑跨度大小 跨度大小 跨度大小跨度大小、 、 、刚度要求 刚度要求 刚度要求刚度要求、 、 、平面形状 平面形状 平面形状平面形状、 、 、 、 支承条件 支承条件 支承条件支承条件、 、 、制作安装 制作安装 制作安装制作安装和 和 和和技术经济指标 技术经济指标 技术经济指标技术经济指标等因素才能综合决定。
14、 等因素才能综合决定。 等因素才能综合决定。 等因素才能综合决定。 （ （ （2 2）为使网壳结构刚度选取恰当，受力比较合理，网壳 ）为使网壳结构刚度选取恰当，受力比较合理，网壳 ）为使网壳结构刚度选取恰当，受力比较合理，网壳 ）为使网壳结构刚度选取恰当，受力比较合理，网壳 的平面尺寸、矢高大小、双层网壳的厚度及单层网壳的跨 的平面尺寸、矢高大小、双层网壳的厚度及单层网壳的跨 的平面尺寸、矢高大小、双层网壳的厚度及单层网壳的跨 的平面尺寸、矢高大小、双层网壳的厚度及单层网壳的跨 度，根据国内外实践经验给出 度，根据国内外实践经验给出 度，根据国内外实践经验给出度，根据国内外实践经验给出网壳结构
15、几何尺寸选用范围 网壳结构几何尺寸选用范围 网壳结构几何尺寸选用范围网壳结构几何尺寸选用范围， ， ， ， 以供工程设计中参照应用。 以供工程设计中参照应用。 以供工程设计中参照应用。 以供工程设计中参照应用。 （ （ （3 3）网壳结构除竖向反力外，通常有较大的水平反力， ）网壳结构除竖向反力外，通常有较大的水平反力， ）网壳结构除竖向反力外，通常有较大的水平反力， ）网壳结构除竖向反力外，通常有较大的水平反力， 应在网壳 应在网壳 应在网壳应在网壳边界设置边缘构件 边界设置边缘构件 边界设置边缘构件边界设置边缘构件来承受这些反力。这些边缘构件 来承受这些反力。这些边缘构件 来承受这些反力。
16、这些边缘构件 来承受这些反力。这些边缘构件 应有足够的刚度并可作为网壳整体的组成部分进行协调分析 应有足够的刚度并可作为网壳整体的组成部分进行协调分析 应有足够的刚度并可作为网壳整体的组成部分进行协调分析 应有足够的刚度并可作为网壳整体的组成部分进行协调分析 计算。 计算。 计算。计算。 2011年3月26日 35/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 （ （ （4 4）小跨度的 ）小跨度的 ）小跨度的）小跨度的球面网壳的网格布置 球面网壳的网格布置 球面网壳的网格布置球面网壳的网格布置可采用肋环型，大跨 可采用肋环型，大跨 可采用肋环型，大跨 可采用肋环型，大跨 度的球面网壳宜采用
17、能形成三角形网格的各种网格类型。为 度的球面网壳宜采用能形成三角形网格的各种网格类型。为 度的球面网壳宜采用能形成三角形网格的各种网格类型。为 度的球面网壳宜采用能形成三角形网格的各种网格类型。为 不使球面网壳的顶部构件太密集而造成应力集中和制作安装 不使球面网壳的顶部构件太密集而造成应力集中和制作安装 不使球面网壳的顶部构件太密集而造成应力集中和制作安装 不使球面网壳的顶部构件太密集而造成应力集中和制作安装 的困难，宜采用三向网格型、扇形三向网格型及短程线型网 的困难，宜采用三向网格型、扇形三向网格型及短程线型网 的困难，宜采用三向网格型、扇形三向网格型及短程线型网 的困难，宜采用三向网格型
18、、扇形三向网格型及短程线型网 壳；也可采用中部为扇形三向网格型、外围为葵花形三向网 壳；也可采用中部为扇形三向网格型、外围为葵花形三向网 壳；也可采用中部为扇形三向网格型、外围为葵花形三向网 壳；也可采用中部为扇形三向网格型、外围为葵花形三向网 格型组合形式的网壳。 格型组合形式的网壳。 格型组合形式的网壳。 格型组合形式的网壳。 （ （ （5 5）小跨度的 ）小跨度的 ）小跨度的）小跨度的圆柱面网壳的网格布置 圆柱面网壳的网格布置 圆柱面网壳的网格布置圆柱面网壳的网格布置可采用联方网格 可采用联方网格 可采用联方网格 可采用联方网格 型，大中跨度的圆柱面网壳采用能形成三角形网格的各种网 型，
19、大中跨度的圆柱面网壳采用能形成三角形网格的各种网 型，大中跨度的圆柱面网壳采用能形成三角形网格的各种网 型，大中跨度的圆柱面网壳采用能形成三角形网格的各种网 格类型。双曲扁网壳和扭壳的网格选型可参照圆柱面网壳的 格类型。双曲扁网壳和扭壳的网格选型可参照圆柱面网壳的 格类型。双曲扁网壳和扭壳的网格选型可参照圆柱面网壳的 格类型。双曲扁网壳和扭壳的网格选型可参照圆柱面网壳的 网格选型。 网格选型。 网格选型。 网格选型。 （ （ （6 6）网壳结构的 ）网壳结构的 ）网壳结构的）网壳结构的最大位移计算值 最大位移计算值 最大位移计算值最大位移计算值不应超过短向跨度的 不应超过短向跨度的 不应超过短
20、向跨度的不应超过短向跨度的 1/400 1/400；悬挑网壳的最大位移计算值不应超过悬挑长度的 ；悬挑网壳的最大位移计算值不应超过悬挑长度的 ；悬挑网壳的最大位移计算值不应超过悬挑长度的；悬挑网壳的最大位移计算值不应超过悬挑长度的 1/150 1/150。 。 。 2011年3月26日 36/110 哈理工 建筑工程学院 （ （ （7 7）网壳主要尺寸的确定： ）网壳主要尺寸的确定： ）网壳主要尺寸的确定： ）网壳主要尺寸的确定： ? 网壳的矢高 网壳的矢高f f和厚度和厚度 圆柱面网壳 圆柱面网壳 圆柱面网壳 圆柱面网壳 两端支承的圆柱面网壳，其宽度 两端支承的圆柱面网壳，其宽度 两端支承的
21、圆柱面网壳，其宽度两端支承的圆柱面网壳，其宽度B B与跨度 与跨度 与跨度与跨度L L之比宜小于 之比宜小于 之比宜小于之比宜小于 1.0 1.0，壳体的 ，壳体的 ，壳体的，壳体的矢高矢高可取宽度的 可取宽度的 可取宽度的可取宽度的1/31/6, 1/31/6,沿纵向边缘落地支承 沿纵向边缘落地支承 沿纵向边缘落地支承 沿纵向边缘落地支承 的圆柱面网壳可取 的圆柱面网壳可取 的圆柱面网壳可取的圆柱面网壳可取1/21/5 1/21/5。 。 。 。 双层圆柱面网壳的厚度可取宽度的 双层圆柱面网壳的厚度可取宽度的 双层圆柱面网壳的厚度可取宽度的双层圆柱面网壳的厚度可取宽度的1/201/50 1/
22、201/50。 。 。 。 另外，两端支承单层圆柱面网壳的跨度不宜大于 另外，两端支承单层圆柱面网壳的跨度不宜大于 另外，两端支承单层圆柱面网壳的跨度不宜大于另外，两端支承单层圆柱面网壳的跨度不宜大于30m 30m， ， ， ， 当沿纵向边支承时，其宽度不宜大于 当沿纵向边支承时，其宽度不宜大于 当沿纵向边支承时，其宽度不宜大于当沿纵向边支承时，其宽度不宜大于25m 25m。 。 。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 37/110 哈理工 建筑工程学院 球面网壳 球面网壳 球面网壳的 球面网壳的 球面网壳的球面网壳的矢高矢高可取直径的 可取直径的 可取直径的可取直径的1/31/7, 1/
23、31/7,沿周边落地支承 沿周边落地支承 沿周边落地支承 沿周边落地支承 可放宽至 可放宽至 可放宽至可放宽至3/4 3/4。 。 。 。 双层球面网壳的厚度可取直径的 双层球面网壳的厚度可取直径的 双层球面网壳的厚度可取直径的双层球面网壳的厚度可取直径的1/301/60 1/301/60。 。 。 。 另外，单层球面网壳的直径不宜大于 另外，单层球面网壳的直径不宜大于 另外，单层球面网壳的直径不宜大于另外，单层球面网壳的直径不宜大于60m 60m。 。 。 。 椭圆抛物面网壳 椭圆抛物面网壳 椭圆抛物面网壳底边长比不宜大于 椭圆抛物面网壳底边长比不宜大于 椭圆抛物面网壳底边长比不宜大于椭圆抛
24、物面网壳底边长比不宜大于1.5 1.5，壳体的 ，壳体的 ，壳体的，壳体的矢高 矢高 可取短向跨度的 可取短向跨度的 可取短向跨度的可取短向跨度的1/41/8 1/41/8。 。 。 。 双层椭圆抛物面网壳的厚度可取跨度的 双层椭圆抛物面网壳的厚度可取跨度的 双层椭圆抛物面网壳的厚度可取跨度的双层椭圆抛物面网壳的厚度可取跨度的1/201/50 1/201/50。 。 。 。 另外，椭圆抛物面网壳的跨度不宜大于 另外，椭圆抛物面网壳的跨度不宜大于 另外，椭圆抛物面网壳的跨度不宜大于另外，椭圆抛物面网壳的跨度不宜大于40m 40m。 。 。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 38/110 哈
25、理工 建筑工程学院 当跨度小于 当跨度小于 当跨度小于当跨度小于50m 50m时， 时， 时，时，1.53.0m 1.53.0m 当跨度为 当跨度为 当跨度为当跨度为50100m 50100m时， 时， 时，时，2.53.5m 2.53.5m 当跨度为 当跨度为 当跨度为当跨度为100m 100m时， 时， 时，时，3.04.5m 3.04.5m 双层网壳弦杆间的夹角应大于 双层网壳弦杆间的夹角应大于 双层网壳弦杆间的夹角应大于双层网壳弦杆间的夹角应大于30 30 ? 网格尺寸网格尺寸 双曲抛物面网壳 双曲抛物面网壳 双曲抛物面网壳底面对角线之比不宜大于 双曲抛物面网壳底面对角线之比不宜大于
26、双曲抛物面网壳底面对角线之比不宜大于双曲抛物面网壳底面对角线之比不宜大于2 2，单块双曲抛物 ，单块双曲抛物 ，单块双曲抛物 ，单块双曲抛物 面壳体的 面壳体的 面壳体的面壳体的矢高矢高可取跨度的 可取跨度的 可取跨度的可取跨度的1/21/4 1/21/4（跨度为两个对角支承点之间 （跨度为两个对角支承点之间 （跨度为两个对角支承点之间 （跨度为两个对角支承点之间 的距离）。四块组合双曲抛物面壳体的 的距离）。四块组合双曲抛物面壳体的 的距离）。四块组合双曲抛物面壳体的的距离）。四块组合双曲抛物面壳体的矢高矢高可取短边 可取短边 可取短边可取短边1/41/8 1/41/8 。 。 。 。 双层
27、双曲抛物面网壳的厚度可取短边的 双层双曲抛物面网壳的厚度可取短边的 双层双曲抛物面网壳的厚度可取短边的双层双曲抛物面网壳的厚度可取短边的1/201/50 1/201/50。 。 。 。 另外，双曲抛物面网壳的跨度不宜大于 另外，双曲抛物面网壳的跨度不宜大于 另外，双曲抛物面网壳的跨度不宜大于另外，双曲抛物面网壳的跨度不宜大于50m 50m。 。 。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 39/110 哈理工 建筑工程学院 2 2、网壳结构、网壳结构温度作用 温度作用 3 3、网壳结构、网壳结构地震作用 地震作用 1 1、基本荷载类型 、基本荷载类型 4 4、网壳结构、网壳结构装配应力装配应力
28、 第3章 网壳结构 3.3 3.3 网壳结构分析和设计 网壳结构分析和设计 3.3.1 网壳结构的荷载、作用与效应组合 5 5、荷载效应组合、荷载效应组合 2011年3月26日 40/110 哈理工 建筑工程学院 1、基本荷载 （1 1）. ）. 网架自重（网架自重（程序自动计算）程序自动计算） 永久荷载 （2）. 屋面板/楼面板（包括连接檩条） （3 3）. ）. 吊顶材料自重 吊顶材料自重 （4 4）. ）. 悬挂设备、悬挂设备、管道等自重管道等自重 第3章 网壳结构 （1 1）. ）. 屋面或楼面活荷屋面或楼面活荷（一般不上人屋面，0.5kN/m 一般不上人屋面，0.5kN/m 2 2
29、） 可变荷载 （2 2）. ）. 雪荷载雪荷载（不与活荷同时考虑） （不与活荷同时考虑） （3 3）. ）. 风荷载 风荷载 （4 4）. ）. 积灰荷载 积灰荷载 （5 5）. ）. 吊车荷载 吊车荷载 （6 6）. ）. 温度作用 温度作用 （7 7）. ）. 地震作用地震作用 2011年3月26日 41/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 2、网壳结构温度作用 ? 网壳是超静定结构网壳是超静定结构，在均匀温度场变化作用下，在均匀温度场变化作用下，由于杆 由于杆 件不能自由热胀冷缩，杆件内会产生应力件不能自由热胀冷缩，杆件内会产生应力，这种应力称为网壳 ，这种应力称为网壳 的温
30、度应力。的温度应力。温度场变化范围是指施工安装完毕温度场变化范围是指施工安装完毕（网壳支座与 网壳支座与 下部结构连接固定牢固）下部结构连接固定牢固）时的气温与当地常年最高或最低气温 时的气温与当地常年最高或最低气温 之差之差。它的计算方法有采用空间桁架位移法的精确分析法。 。它的计算方法有采用空间桁架位移法的精确分析法。 ? 可以考虑调整支座类型来考虑释放温度应力可以考虑调整支座类型来考虑释放温度应力 2011年3月26日 42/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 3、网壳结构地震作用 ? 地震发生时，地震发生时，由于强烈的地面运动而迫使网壳结构产生 由于强烈的地面运动而迫使网壳
31、结构产生 振动振动，受迫振动的网壳，受迫振动的网壳，其惯性作用一般来说是不容忽视的其惯性作用一般来说是不容忽视的。 。 正是这个由地震引起的惯性作用使网壳结构产生很大的地震内 正是这个由地震引起的惯性作用使网壳结构产生很大的地震内 力和位移力和位移，从而有可能造成结构破坏或倒塌，或者失去结构工 ，从而有可能造成结构破坏或倒塌，或者失去结构工 作能力。作能力。因此在地震设防区必须对网壳结构进行抗震计算。 因此在地震设防区必须对网壳结构进行抗震计算。 ? 采用时程分析法和振型分解反应谱法求解采用时程分析法和振型分解反应谱法求解，按两阶 按两阶 段进行设计段进行设计 2011年3月26日 43/11
32、0 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 4、网壳结构装配应力 ? 由于网壳对装配应力极为敏感，由于网壳对装配应力极为敏感，一般都通过提高制作精度 一般都通过提高制作精度 、选择合适安装方法和控制安装精度使网壳的节点和杆件都能 选择合适安装方法和控制安装精度使网壳的节点和杆件都能 较好的就位，较好的就位，装配应力就可减少到可以不予考虑装配应力就可减少到可以不予考虑。 。 ? 装配应力往往是在安装过程中由于制作和安装等原因，装配应力往往是在安装过程中由于制作和安装等原因，使 使 节点不能达到设计坐标位置节点不能达到设计坐标位置，造成部分节点间的距离大于或小 ，造成部分节点间的距离大于或小 于杆
33、件的长度于杆件的长度。在采用强迫就位时，。在采用强迫就位时，使杆件与节点连接的过程 使杆件与节点连接的过程 中产生了装配应力中产生了装配应力。 。 ? 当需要计算装配应力时当需要计算装配应力时，也应采用空间杆系有限单元法，也应采用空间杆系有限单元法， ， 采用的基本原理与计算温度应力时相仿，采用的基本原理与计算温度应力时相仿，即把杆件长度的误差 即把杆件长度的误差 比拟为由温度伸长或缩短即可。比拟为由温度伸长或缩短即可。 2011年3月26日 44/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 5、荷载效应组合 ? 网壳结构应根据最不利的荷载效应组合进行计算。 网壳结构应根据最不利的荷载效应
34、组合进行计算。 ? 对于非抗震设计，荷载效应组合应按对于非抗震设计，荷载效应组合应按建筑结构荷载 建筑结构荷载 规范规范GB50009GB50009进行计算进行计算。在杆件及节点设计中在杆件及节点设计中，应采用 应采用 荷载效应的基本组合。在验算挠度时荷载效应的基本组合。在验算挠度时，按荷载的短期效应 ，按荷载的短期效应 组合计算组合计算。 。 ? 对于抗震设计对于抗震设计，荷载效应组合应按，荷载效应组合应按建筑抗震设计规 建筑抗震设计规 范范GB50011进行计算。 GB50011进行计算。 ? 在组合风荷载效应时在组合风荷载效应时，应计算多个风荷载方向应计算多个风荷载方向，以便 ，以便 得
35、到各构件和节点的最不利效应组合得到各构件和节点的最不利效应组合。 2011年3月26日 45/110 哈理工 建筑工程学院 3.3.2 网壳结构的内力分析 第3章 网壳结构 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 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 连续化假定连续化假定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。 2011年3月26日 46
36、/110 哈理工 建筑工程学院 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 离散化假定离散化假定杆系结构的矩阵位移法或有限 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。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 47/110 哈理工 建筑工程学院 1 1 1 1 网壳结构的静力特性 网壳结构的静力特性 网壳结构的静力特性网壳结构的静力特性 影响网壳结构静力特性的
37、因素很多，主要有： 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。 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 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 构的变形规律及内力分布规律相差甚远。即使是同 一种形式的网壳，当几何外型尤其是矢跨比不同 一种形式的网壳，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 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 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
38、使结构的静力性能产生相当大的变化。 化将有可能使结构的静力性能产生相当大的变化。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 48/110 哈理工 建筑工程学院 2 2 2 2 网壳结构的刚度特性 网壳结构的刚度特性 网壳结构的刚度特性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。 。 。
39、 第3章 网壳结构 2011年3月26日 49/110 哈理工 建筑工程学院 3 3 3 3 几何参数对网壳结构静力性能的影响 几何参数对网壳结构静力性能的影响 几何参数对网壳结构静力性能的影响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 影响网壳结构静力特性的几何参数主要有结构的跨度 影响网壳结构静力特性的几何参数主要有结构的跨度影响网壳结构静力特性的几何参数主要有结构的跨度 S S、 、 、矢跨比 矢跨比 矢跨比矢跨比F/S F/S（ （ （F F为柱面网壳的矢高为柱面网壳的矢高）。 ）。 为柱面网壳的矢高为柱面网壳的矢高）。 ）。 筒拱中内力分布很不均
40、匀筒拱中内力分布很不均匀，当矢跨比 当矢跨比 筒拱中内力分布很不均匀筒拱中内力分布很不均匀，当矢跨比当矢跨比F/S F/S很 很 很很小时小时，结 结 小时小时，结 结 构主要呈梁的作用构主要呈梁的作用，跨中弯矩及轴力均很大且轴力分布 跨中弯矩及轴力均很大且轴力分布 构主要呈梁的作用构主要呈梁的作用，跨中弯矩及轴力均很大且轴力分布 跨中弯矩及轴力均很大且轴力分布 不均不均；当矢跨比 当矢跨比 不均不均；当矢跨比当矢跨比F/S F/S很大时很大时（如接近半圆如接近半圆），），各杆轴力较 各杆轴力较 很大时很大时（如接近半圆如接近半圆），），各杆轴力较 各杆轴力较 小小，拱轴方向的弦杆 ，拱轴方向
41、的弦杆 小小，拱轴方向的弦杆 ，拱轴方向的弦杆 在跨中区域受压在跨中区域受压，在 ，在 在跨中区域受压在跨中区域受压，在 ，在 边缘区域受拉。 边缘区域受拉。 边缘区域受拉。边缘区域受拉。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 50/110 哈理工 建筑工程学院 矢跨比 矢跨比 矢跨比矢跨比F/S F/S与耗钢量 与耗钢量 与耗钢量与耗钢量W W的关系 的关系 的关系 的关系 跨度 跨度 跨度跨度S S与耗钢量 与耗钢量 与耗钢量与耗钢量W W的关系 的关系 的关系的关系 第3章 网壳结构 2011年3月26日 51/110 哈理工 建筑工程学院 4 4 4 4 柱面网壳的水平推力 柱面网壳
42、的水平推力 柱面网壳的水平推力柱面网壳的水平推力 圆柱面网壳由于 圆柱面网壳由于 圆柱面网壳由于 圆柱面网壳由于 环向力的作用而产生 环向力的作用而产生 环向力的作用而产生 环向力的作用而产生 较大的水平推力较大的水平推力。水 。水 较大的水平推力较大的水平推力。水 。水 平推力 平推力 平推力平推力N N的大小也与 的大小也与 的大小也与 的大小也与 矢跨比有关。 矢跨比有关。 矢跨比有关。矢跨比有关。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 52/110 哈理工 建筑工程学院 水平推力的处理 水平推力的处理 水平推力的处理水平推力的处理可采用： 可采用： 可采用： 可采用： 加水平拉杆；
43、加水平拉杆； 加水平拉杆； 加水平拉杆； 结构落地结构落地； ； 结构落地结构落地； ； 增加下部柱的柔度； 增加下部柱的柔度； 增加下部柱的柔度； 增加下部柱的柔度； 利用下部结构吸收推力。 利用下部结构吸收推力。 利用下部结构吸收推力。利用下部结构吸收推力。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 53/110 哈理工 建筑工程学院 3.3.3 网壳结构的稳定计算 网壳结构的典型失稳形式 网壳结构的典型失稳形式 网壳结构的典型失稳形式网壳结构的典型失稳形式 第3章 网壳结构 2011年3月26日 54/110 哈理工 建筑工程学院 网壳失稳现象的分类：即整体失稳（条状失稳(c)、整体 失稳
44、(e)）和局部失稳（包括杆件失稳(b)、点失稳（a)） ? 整体失稳是几乎整个结构都出现偏离平衡位置而 发生很大几何变位的一种失稳现象 ? 单根杆件失稳是网壳中经常发生的局部失稳现象， 点失稳则是另一种局部失稳现象。网壳的整体失稳 往往是从局部失稳开始并逐渐形成的 第3章 网壳结构 1 网壳失稳形式 网壳结构的稳定分析，基础仍然是结构稳定理论，但 由于影响因素较多，如初始缺陷的影响、多参数体系的多 重临界点问题、多种工况下的多重临界点问题等，对此的 研究尚不足。目前，基本上只能进行定性分析。 2011年3月26日 55/110 哈理工 建筑工程学院 2 影响网壳结构稳定性的因素 导致网壳结构失
45、稳的因素很多。研究表明，影响网壳结构 稳定性的主要因素包括： (1) 非线性效应 (2) 初始缺陷 (3) 曲面形状 (4) 结构刚度 (5) 节点刚度 (6) 荷载分布 (7) 边界条件 第3章 网壳结构 2011年3月26日 56/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 ? 非线性效应包括几何非线性和材料非线性。 ? 很早以前人们就开始采用线性理论分析网壳的稳定性， 但是用线性理论求得的临界荷载都得不到试验的证实，大大 高于试验所得到的临界荷载。 ? 随着非线性理论的发展，目前非线性理论在网壳稳定性 分析中得到了广泛的采用。它不但可以考虑材料非线性而且 能够考虑结构变形的影响，在不
46、断修正的新的几何位置上建 立平衡方程式，还可以考虑应变中高阶量的影响和初应力对 结构刚度的影响。另外在分析中也便于把结构的初始缺陷计 入。因此所得到临界荷载和失稳现象都比较接近试验结果。 2011年3月26日 57/110 哈理工 建筑工程学院 ? 结构的初始缺陷包括：结构外形的几何偏差、杆件 的初弯曲、杆件对节点的初偏心、由于残余应力等各种 原因引起的初应力、杆件的材料不均匀性、外荷载作用点 的偏心等等。由于网壳结构是一种缺陷敏感性结构，初始 缺陷的存在将会明显地降低网壳的稳定性。 ? 网壳结构的曲面形状直接影响其稳定性，过于平坦的 曲面容易引起失稳，双曲型的曲面优于单曲型的曲面，而 具有负
47、高斯曲率的双曲抛物面稳定性更好。 ? 网壳结构的刚度与结构形状、结构拓扑、网格密度、 杆件的截面特性和材料特性等多种因素有关。结构刚度大 的网壳对防止失稳是有利的。 第3章 网壳结构 2011年3月26日 58/110 哈理工 建筑工程学院 第3章 网壳结构 ? 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。结构分析中，在节点实际 性质不明确的情况下可采用铰接假定。我国网壳规程规定， 单层网壳应采用刚接节点，双层网壳可采用铰接节点。 ? 网壳结构的通常自重较轻，作用于结构的恒荷载相对 较小，因此雪荷载、风荷载等非对称荷载显得尤为重要。 但这类荷载的强度及分布又难
48、以精确定义。非对称荷载是 导致网壳结构失稳的因素之一。 ? 网壳结构的边界支承条件也是影响其稳定性的重要因 素，研究表明边界条件不仅影响稳定承载力，也会影响失 稳模态。边界条件包括支承的数量、支承的约束方向、及 支承的约束刚度。 2011年3月26日 59/110 哈理工 建筑工程学院 3 临界荷载及设计准则 用非线性理论分析网壳稳定性时，关键是临界荷载的确定。 确定临界荷载最常用的方法就是取结构刚度矩阵K的行列式之 值等于零作为确定临界荷载的准则 0 det = K ? 这是一个常用而且可靠的条件，刚度矩阵K则应包含所 有的非线性因素,使det|K|=0时对应的荷载即为临界荷载 Pcr 第3
49、章 网壳结构 2011年3月26日 60/110 哈理工 建筑工程学院 ? 网壳是一种缺陷敏感性结构，初始缺陷将明显地降低网 壳的临界荷载。许多试验和理论分析也证实结构外形的几何 偏差会降低临界荷载3040。由于初始缺陷除了结构外 形的几何偏差以外，还有其他多种类型，这些类型初始缺陷 的影响虽不如几何偏差显著，但也或多或少地会降低临界荷 载，因此建议临界荷载的设计值 cr D cr P P ) 4 . 0 3 . 0 ( = 第3章 网壳结构 2011年3月26日 61/110 哈理工 建筑工程学院 ? 网壳的失稳有许多不确定的因素，失稳又会造成灾难性 的破坏，而且发生突然，因此在设计网壳时，应做到使网壳 最大受力杆件达到其承载能力时荷载Pmax要小于网壳的临 界荷载设计值，即 D cr P P max ? 网壳结构的稳定性是一个十分复杂的问题，网壳结构的 稳定性控制结构设计，详