3.7网壳结构-(1)

3.7网壳网壳结构的应用及特点网壳结构形式一般计算原则结构内力分析网壳杆件的设计网壳节点构造1）网壳的应用网壳结构是一种曲面网格结构，兼有杆系结构构造简单和薄壳结构受力合理的特点，因而具有跨越能力大，刚度好、材料省、杆件单一、制作安装方便等特点，是大跨空间结构中一种举足轻重的结构形式，也是近半个世纪以来发展最快、应用最广的空间结构之一。网壳结构的发展是和人类生活、生产的需要、科学技术水平以及物质条件密切相连的。3.7.1网壳的应用及特点日本名古屋体育馆(NagoyaDome)单层网壳工程，圆形平面，建筑直径229.6米，结构直径187.2米，1996年建成，目前世界跨度最大的单层网壳结构。5日本福冈穹顶(FukuokaDome)球面网壳工程。该工程于1993年建成，直径为222米，是目前世界上最大的球面网壳结构。球形屋盖由三片扇形网壳组成，根据需要进行旋转开启，可以全开、半开和全闭合状态。整个过程大约需要20分钟的时间。国家大剧院肋环型空腹双层网壳212.2m143.64m46.285m上海市科技馆上海市马戏城夜景天津市体育馆（我国跨度突破100m的首例球面网壳结构）9镇江电厂三期工程干煤棚落地式双层正放四角锥焊接球节点网壳，上弦网格4.0m×4.0m，跨度106米，长度148米，共38轴，壳体铰点至拱顶高度39.791米，三心圆剖面，共152个压力平板支座，对边支撑。烟台火车站：焊接球节点双层拱形网壳，马鞍形双曲面，东西跨度114m，南北长度160.5m，投影面积15000㎡。厚度3.5-5.0米，东西两侧16个固定铰支座，用钢量1000吨。2）网壳结构的特点网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力合理，可以跨越较大的跨度。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。应用范围广泛，既可用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，特别是超大跨度的建筑。可以用细小的构件组成很大的空间，而且杆件单一，构件可以在工厂预制实现工业化生产，安装简便快速，适应采用各种条件下的施工工艺，不需大型设备，综合经济指标较好。计算方便。目前我国已有许多计算机设计软件，为网壳结构的计算、设计和应用创造了有利条件。由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，不需像网架结构那样采用小立柱找坡。3)制约因素：杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响较大，这给网壳结构设计带来了困难。网壳结构可以构成大空间，但当矢高很大时，曲面外形增加了屋面面积和不必要的建筑空间，有些空间是不能用的，并增加建筑材料和能源消耗，屋面构造也比较复杂，某些形体的网壳若建筑上不加妥善处理，则会影响其音响效果。随着科学技术的进步，只要精心设计，精心施工，网壳结构存在的缺点和问题是不难解决的。4）网壳的发展1.利用网壳结构的优点实现独特造型2.网壳结构的跨度越来越大3.可移动或可开启的网壳结构4.新型空间网壳结构减震体系5.新型屋面材料的发展3.7.2结构的形式分类方法：按网壳层数：单层网壳双层网壳按曲面外形：球面网壳柱面网壳双曲扁网壳扭曲面网壳单块扭网壳按结构材料：钢网壳木网壳钢筋混凝土网壳组合网壳双层柱面网壳单层柱面网壳单块扭网壳双曲抛物面网壳球面和柱面组合网壳(黑龙江速滑馆)球面网壳球面网壳包括：肋环型球面网壳、施威德勒（Schwedler）型球面网壳、联方型球面网壳、凯威特（Keiwitt）型球面网壳、短程线球面网壳等。肋环形四角锥网壳肋环型球面网壳联方型球面网壳径向肋杆和周向环杆组成；顶点复杂；适于中小跨度。菱形网格施威德勒型球面网壳在肋环形网壳网格中加斜杆组成；有单斜杆式、交叉斜杆式；刚度大，适于大、中跨度。凯威特型n个径向肋将球面分等为n个扇形，每个扇形内由环杆和斜杆组成较均匀的三角形网格；结构刚度大，适于大、中跨度。短程线型由球内接正20面体在进一步分割而成；结构刚度大，适于大、中跨度。3.7.3网壳结构一般设计原则1）网壳结构在各种作用下的内力、位移及整体稳定计算除工作荷载外，还应根据具体情况考虑包括地震、温度变化、支座沉降及施工荷载等效应。2）计算荷载：永久荷载网壳自重和节点自重屋面和吊顶自重设备管道等自重可变荷载屋面活荷载雪荷载风荷载两者取大值3）网壳结构几何尺寸a）双层网壳宜采用空间杆系有限元法进行计算b）单层网壳宜采用空间梁系有限元法进行计算c）对单、双层网壳在进行方案选择和初步设计时可采用拟壳分析法进行估算。5）稳定性分析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—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。4）强度、刚度分析网壳结构的内力和位移可按弹性阶段进行计算。网壳结构根据网壳类型、节点构造，设计阶段可分别选用不同的方法进行内力、位移计算：6）抗震分析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。对网壳结构进行地震效应计算时可采用振型分解反应谱法，按此法分析宜取前20阶振型进行网壳地震效应计算；对于体形复杂或重大的大跨度网壳结构，应采用时程分析法进行补充计算。在抗震分析时，宜考虑支承结构对网壳结构的影响。当网壳结构在单排的独立柱、框架柱或承重墙上时，可把支承结构简化为弹性支座。对于网壳的支承结构应按有关标准进行抗震计算。3.7.4结构内力分析1）网壳的受力性能与一般结构相比，具有许多特点，因而它的计算也有许多特殊性。网壳是高次超静定结构，在对其所有杆件的截面进行初步设计后才能进入计算，结构计算又将对初步设计的截面进行修改，截面修改又将引起结构内力变化，需要重新计算；网壳的受力，特别是它的整体稳定性对结构的几何形态的变动特别敏感，因此计算和设计之间存在紧密的内在联系，往往需要经历设计—计算—再设计直至满足为止的过程。网壳设计中优或劣的评定准则，除用料经济指标外，还必须考虑其它多种因素。如网壳是否对某种因素敏感，达到极限承载力的安全储备的大小，网壳的延性指标，网壳是否便于施工安装等等。以上这些必须通过计算才能确定。网壳杆件之间的连接，从计算图式的角度，可分为铰接连接和刚接连接两大类。在一般情况下，双层网壳多采用铰接连接，单层网壳应采用刚接连接。对于铰接连接网壳：采用空间铰支杆单元有限元法对于刚接连接网壳，宜采用空间梁-柱有限单元法。1.确定网壳的计算单元。2.对计算单元的节点和杆件进行编号。3.建立各杆的单元切线刚度矩阵。4.建立网壳总刚矩阵2）网壳结构的抗震设计对网壳这种复杂空间结构，当地震发生时由于强烈的地面运动而迫使结构产生振动，引起地震内力和位移，就有可能造成结构破坏和倒塌，因此在地震设防区必须对网壳结构进行抗震设计。网壳的抗震分析宜分两阶段进行。第一阶段为多遇地震作用下的分析。网壳在多遇地震作用时应处于弹性阶段，因此应作弹性时程分析，根据求得的内力，按荷载组合的规定进行杆件和节点设计。第二阶段为罕遇地震作用下的分析。网壳在罕遇地震作用下处于弹塑性阶段，因此应做弹塑性时程分析，用以校核网壳的位移以及是否会发生倒塌。对网壳抗震分析时，当采用振型分解反应谱法计算网壳结构地震效应时，宜取前20阶振型进行网壳地震效应计算；对于体型复杂或重要的大跨度网壳结构，应采用时程分析法进行补充验算。影响的主要因素：1.非线性效应3.曲面形状5.节点刚度7.边界条件2.初始缺陷4.结构刚度6.荷载分布3）稳定性计算网壳结构的稳定性是网壳分析设计中的一个关键问题，单层网壳和厚度较小的双层网壳都存在失稳的可能性。随着网壳结构的发展，跨度不断增大，稳定问题显得更为突出。a)网壳规程提供的实用计算公式分析方法：（单层球面网壳）b)特征根分析方法c)几何非线性全过程分析d)双重非线性全过程分析当单层球面网壳跨度小于45m，单层柱面网壳宽度小于18m,单层椭圆抛物面网壳跨度小于30m，或对网壳稳定性进行初步估算时，其容许承载标准值可按《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003)第4.3.5条规定计算。网壳结构的稳定设计对单层的球面网壳、圆柱面网壳和椭圆抛物面网壳（即双曲扁壳）以及厚度较小的双层网壳均应进行稳定性计算。（球面网壳的厚度为跨度（平面直径）的1/30～1/60。圆柱面网壳的厚度为宽度的1/20～1/50。椭圆抛物面网壳的厚度为短向跨度的1/20～1/50。）3.7.5网壳杆件的设计1.网壳杆件的材料和截面形式与网架一样，圆管、由两个等肢角钢组成的T型、两个不等肢角钢组成的T型、单角钢、H型钢，方管和矩形管等。网壳杆件的计算长度和容许长细比可按下表取用。表1双层网壳杆件的计算长度表2单层网壳杆件的计算长度表3网壳杆件的容许长细比2.杆件设计网壳内力分析以后，可根据杆件所受的最不利内力进行杆件截面设计。当网壳节点的力学模型为铰接且荷载都作用于节点时，杆件轴心受力，此时杆件设计同网架。当网壳节点的力学模型为刚接时，网壳杆件除受轴力外，还受弯矩作用。此时应按拉弯或压弯杆件设计。网壳一般不宜直接在杆件上加载，荷载应直接作用在节点上，否则将使结构受力状态变得复杂，对网壳的稳定性十分不利。3.7.6网壳结构的节点构造与设计当网壳的杆件采用圆管时，铰接节点一般采用螺栓球节点，刚接节点一般采用焊接空心球节点。当相交杆件不多时，刚接节点也可采用直接汇交节点。当杆件采用角钢组成的截面时，一般采用钢板节点。1）内部节点网壳结构的节点主要有焊接空心球节点、螺栓球节点和嵌入式节点等，其中用得最广泛的是前两种。网壳结构螺栓球节点设计和网架结构完全相同。焊接空心球当直径为120~900mm时，其受压和受拉承载力设计值可统一按以下公式计算：——空心球的外径（mm）——与空心球相连的圆管杆件的外径（mm）；——空心球壁厚（mm）；——钢材抗拉强度设计值（N/mm2）；——加肋承载力提高系数，受压空心球加肋采用1.4，受拉空心球加肋采用1.1。式中：对于单层网壳结构，空心球承受压弯或拉弯的承载力设计值可按下式计算：式中：——考虑空心球受压弯或拉弯作用的影响系数，可取0.8。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；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）支座节点网壳结构的支座节点设计应保证传力可靠、连接简单，并应符合计算假定。通常支座节点的形式有固定铰支座、弹性支座、刚性支座以及可以沿指定方向产生线位移的滚轴铰支座等。a)固定铰支座适用于仅要求传递轴向力与剪力的单层或双层网壳的支座节点。包括球铰支座弧形铰支座双向弧形铰支座双向板式橡胶支座适用于大跨度或点支承网壳适用于较大跨度、落地的网壳结构适用于较小跨度的网壳结构（a）球铰支座（b）弧形铰支座（c）双向弧形铰支座（d）双向板式橡胶支座b)弹性支座可用于节点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。b)刚性支座可用于既能传递轴向力又要求传递弯矩和剪力的网壳支座节点。d)滚轴支座可用于能产生一定水平线位移的网壳支座节点。网壳支座节点的节点板、支承垫板和锚栓的设计计算和构造等可以参考网架结构的支座节点。弹性支座刚性支座滚轴支座（a）平板弧形铰支座（b）橡胶垫板滑动支座