网架与网壳的异同点全面归纳

大跨空间结构小论文《网架和网壳结构的异同点分析》姓名：学号：专业：土木工程网架与网壳结构异同点分析摘要：空间结构以轻巧的外形及合理的受力受到了广泛运用，本文对两种主要的空间结构——网架结构与网壳结构作了一些简单的比较，罗列了一些异同点，加深对网架与网壳结构的认识，希望对网架与网壳的研究、分析与设计有所帮助。关键字：网架网壳异同点为了满足社会生活和居住环境的需要，人们向建筑物提出更高要求，需要足够的跨度来达到更大的覆盖空间的目的，而像网架和网壳这种空间结构就应运而生。所谓空间结构是指建筑结构的形状具有三维空间形状，在荷载作用下具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构。本文旨在探讨网架和网壳的异同点，但是因为他们的有些特性的界线不是很明显，故只能粗中有细地进行分析。首先讨论它们的相同或类似的部分。1、网架和网壳隶属体系相同。它们同属于刚性空间结构体系，一般是由钢杆件按一定规律组成的网格状高次超静定空间杆系结构，具有很好刚度的结构体系。2、具有一些相似的优缺点。（1）结构组成灵活多样但又有高度的规律性，便于采用，并适用各种建筑方面的要求。（2）节点连接简单可靠，加工制作机械化程度高，并已全部工厂化。（3）用料经济，受力合理，能用较少的材料跨越较大的跨度，节约钢材。（4）分析计算成熟，已采用计算机辅助设计，大大缩短了设计周期。（6）适应建筑工业化、商品化的要求。（7）节点用钢量较大，加工制作费用仍较平面桁架为高。（8）是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂.3、结构形式均多种多样。网架结构按结构组成分，有双层和三层网架；按支撑条件，可分为周边支撑、点支撑、三边支撑和两边支撑、周边支撑与点支撑相结合的混合支撑等；按网格组成主要分三类：第一类是由平面桁架系组成，有两向正交正放网架、两向正交斜放网架、两向斜交斜放网架及三向网架四种形式；第二类由四角锥体单元组成，有正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架及星形四角锥网架五种形式；第三类由三角锥体单元组成，有三角锥网架、抽空三角锥网架及蜂窝形三角锥网架三种形式。按层数可分为单层、双层或但双层；按曲面形式可分为圆柱面网壳、球面网壳、椭圆抛物面网壳及双曲抛物面网壳。对于单层球壳按网格形式有六种：肋环型网格、施威德勒型网格、三向网格、凯威特型网格、联方型网格、短程线型网格；单层圆柱面网壳的网格可采用单向斜杆正交正放网格、交叉斜杆正交正放网格、联方网格、三向网格。4、杆件设计与节点构造相同。杆件截面都是根据强度和稳定性计算确定。用钢材制作的网架和网壳的节点，主要有十字板节点、焊接空心球节点及螺栓球节点三种形式。十字板节点适用于型钢杆件的网架结构，杆件与节点板的连接，采用焊接或高强螺栓连接。空心球节点及螺栓球节点适用于钢管杆件的网架和网壳结构。单层网壳的节点应能承受弯曲内力，一般情况下，节点的耗钢量占整个钢网架结构用钢量的15～20%。5、永久荷载组成相同。（1）网架、网壳自重和节点自重。（2）楼面或屋面覆盖材料自重。（3）吊顶材料自重。（4）设备管道自重。6、荷载组合相同。（1）非抗震设计组合：由可变荷载效应控制的组合。)(21100QikQinicikQQGkGSSSS式中，0--------结构重要度系数，根据结构安全等级和使用年限分别取1.1、1.0、0.9；S--------荷载效应组合的设计值；G------永久荷载分项系数，一般取1.2，当其效应对结构有利时取为1.0；1Q、Qi---------第一个可变荷载和第i个可变荷载的分项系数，一般取1.4；GkS--------永久荷载标准值的效应值；kQS1、QikS--------按第一个和第i个可变荷载标准值计算的荷载效应值。ci----------第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1.由永久荷载效应控制的组合。)(100QikQiniciGkGSSS式中，G-------永久荷载分项系数的取值一般为1.35，当对结构有利时，取1.0.当无吊车荷载和风荷载、地震作用时，需考虑半跨可变荷载和施工荷载的影响。（2）抗震设计组合EvkEvEhkEhGEGSSSS式中，G-------重力荷载代表值的分项系数，一般取1.2.，当其效应对结构有利时取为1.0；GES------重力荷载代表值效应；Eh、Ev-------分别代表水平、竖向地震作用分项系数EhkS、EvkS--------分别为水平、竖向地震作用标准值效应。7、相同的内力性质。网架结构与网壳结构均为一种空间杆系结构，具有三维受力特点，能承受各方向的作用，空间整体性比较好。网架结构杆件及铰接二层网壳的杆件均为二力杆。网架与网壳结构受温度作用产生的应力对支座约束类型比较敏感，约束数越多、越强，温度应力就越大。在竖向荷载作用下，网架的上下弦杆在跨中内力较大，支座处的弦杆内力相对小些，支座处的腹杆内力较大，跨中腹杆内力较小，网架结构可以采用简化计算公式估算内力，而网壳结构由于曲面形式多样，内力分布与曲面形状相关，没有统一的近似计算公式。8、计算假定基本相同。包括（1）节点为铰接，杆件只承受轴力；（2）按小挠度理论；（3）按弹性方法分析；（4）荷载作用在节点上。9、地震反应分析方法相同。主要有振型分解反应谱法和时程分析法。振型分解反应谱法先计算结构的自振振型，选取若干个振型分别计算各个振型的水平地震作用，将各振型水平地震作用于结构上，求其结构内力，最后将各振型的内力进行组合，得到地震作用下的结构内力和变形。时程分析法是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法，也为国际通用的动力分析方法。10、施工安装方法基本相同。主要分两类：一类是在地面拼装的整体顶升法、整体提升法和整体吊装法；另一类是高空就位的散装、分条分块就位组装和高空滑移就位组装等方法。其次主要是探讨它们有所差异的一些性质。1、定义不同。网格结构是由很多杆件通过节点，按照规律的几何图形组成的空间结构。网格结构中，双层或多层平板形网格结构称为网架结构，而曲面形网格称为网壳结构。2、网壳较网架有突出的美感。网壳具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形体都能给设计师以充分的创作自由。可以有各种平面形式和曲面形式，甚至可以通过曲面的切割和组合得到。既能表现静态美，又能通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现动态美。3、可变荷载的取值有所不同。网架的屋面，一般不上人，屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，而网壳按荷载规范一般取0.3kN/m2.。由于网架和网壳的外形不同，自然导致风荷载体型系数不同，使风荷载产生差异。4、屋面排水方式不同。由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，而网架排水主要采用以下几种方式。（1）整个网架起拱，这种做法抗震性能好。（2）网架变高度，这种做法导致上弦杆和腹杆种类增多，给网架制作带来一定困难，但提高了网架的抗震性能。（3）上弦节点上加小立柱，但需对小立柱进行抗震和稳定的验算。5、杆件的计算长度和容许长细比有所不同，计算长度的差异主要在其他腹杆的计算长度上，可查阅相关规范。对于压杆限制长细比的目的是防止过于细长易产生初弯曲，大大降低杆件承载力；对于拉杆限制长细比的母的是为了保证杆件在制作、运输、安装和使用过程中有一定刚度；对于直接承受动力荷载杆件则要求具有更大刚度，具体数值可查规范。6、不同的内力性质。单层网壳结构的杆件需做成刚接，能够传递弯矩，而网架基本为铰接。平板网架对支座无水平推力或是拉力，而网壳一般不同，网壳需要较大的边缘构件来约束它。7、抗震分析有所不同。网架：在设防烈度为8度的地区，网架结构可不进行水平抗震计算，但必须进行竖向抗震计算。在设防烈度为9度地区必须进行网架结构水平与竖向抗震计算。网壳：在设防烈度为7度的地区，网壳结构可不进行竖向抗震计算，但必须进行水平抗震计算。在设防烈度为8度、9度地区必须进行网壳结构水平与竖向抗震计算。8、网壳的稳定性问题较为突出。网架结构的稳定问题不是特别明显，有相当一部分网架的破坏由支座的破坏导致，而网壳结构的稳定需要特别关注，工程中的网壳破坏，特别是单层网壳，主要是由壳体的局部失稳开始。对于单层网壳结构在荷载作用下容易出现局部稳定问题，而且其稳定受到初始缺陷、非线性、曲面形状、网壳密度与厚度、结构与节点刚度、荷载分布边界条件等因素的影响，较为复杂。网壳的稳定性可按考虑几何非线性的有限元分析方法（荷载认一位移全过程分析）进行计算，分析中可假定材料保持为线弹性。用非线性理论分析网壳稳定性时，一般采用空间杆系非线性有限元法，关键是临界荷载的确定。单层网壳宜采用空间梁系有限元法进行计算。球面网壳的全过程分析可按满跨均布荷载进行，圆柱面网壳和椭圆抛物面网壳宜补充考虑半跨活荷载分布。进行网壳全过程分析时应考虑初始曲面形状的安装偏差影响；可采用结构的最低屈曲模态作为初始缺陷分布模态，其最大计算值可按网壳跨度的1/300取值。进行网壳结构全过程分析求得的第一个临界点处的荷载值，可作为该网壳的极限承载力。将极限承载力除以系数K后，即为按网壳稳定性确定的容许承载力（标准值）。9、影响结构非线性的因素不同。双层平板网架主要是材料非线性影响偏大；单层网壳主要是几何非线性影响偏大；双层网壳几何、材料非线性影响都比较大。几何非线性影响随跨度增大而增大，材料非线性随跨度减小而增大，材料非线性会增大几何非线性的影响。10、较网架，网壳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，所以网壳很重视装配应力的影响，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较好地就位，使之可不考虑。11、内力分析方法有所区别。网架结构和双层铰接网壳计算一般采用空间桁架位移法，假定节点为铰接、杆件只承受轴力，服从小变形及线弹性理论，且网架只承受节点荷载；而对于刚接的网壳结构，宜采用空间刚架位移法，假定梁单元为等截面双轴对称直杆、变形后梁截面仍为平面，同时服从小变形及线弹性理论。在空间桁架位移法计算过程中，网架结构与网壳结构的单刚矩阵的建立有所区别。网架结构中，单刚矩阵没有考虑杆件伸的影响，杆长取为原长，局部坐标系下直接建立单刚矩阵：1111lEAK(2)再转换到整体坐标系下的单刚矩阵。网壳结构一般考虑网壳变形对网壳内力的影响，网壳的平衡方程建立在变形后的位置上。所以，网壳结构的单元切线刚度矩矩阵建立在整体坐标系下：edegeeTKKKK0式中eTK——单元切线刚度矩阵；eK0——单元线弹性刚度矩阵；egK——单元几何刚度矩阵；edK——单元的初位移矩阵。然后，建立整体坐标下的总刚矩阵，根据外荷载、边界条件求解方程组，得到位移，再计算杆件内力。12、地震动特性有所不同。网架结构和网壳结构的频谱非常密集。网架与网壳结构的第一周期随短向跨度的增大而增大。网架结构的刚度受网架高度影响较大，相应地，网壳结构的刚度受网壳的厚度影响较大。网架结构在进行抗震计算时，若不带入下部结构，得到的对应较长周期的振型一般都是竖向振型。带入下部结构计算后，若柱子抗侧刚度较小，一般首先出现水平振型。而网壳结构的振型与矢跨比有关，矢跨比越小，第一振型越容易出现竖向振型，在工程运用中，矢跨比一般都较大，以水平振型为主。对于一般网架结构，第一振型对应的圆频率近似公式采用瑞雷法：21/21jjjjwGwGf，1f——网架基频；jG——第一振型j节点对应重力荷载代表值；jw——第一振型i节点对应位移。对于常用的双层圆柱面网壳，基频可按下式估算：LehBff/25.140848.1554.0039.0101.0381.10f——圆柱面网壳基频，Hzf——圆柱面网壳矢高，mB——圆柱面网壳波宽，mh——圆柱面网壳厚度，mL——圆柱面网壳长度，m从公式反映出，网架结构的基频直接受自重、荷载，间接受网架刚度的影响；而双层柱面壳基频计算公