初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响_张峰
第30卷 第6期哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报Vol.30NO.6 1997年12月Journal of Harbin Univers ity of Architectu re and Engineering Dec.1997
初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响①
张 峰 沈世钊 魏 昕
(哈尔滨建筑大学) (哈尔滨铁路直属房产段)
摘 要 通过结构非线性分析程序SNAP,利用“一致缺陷模态法”对单层柱面网
壳结构进行了全面和系统的初始缺陷分析。选取了不同几何尺寸的单层柱壳,不同的荷载
分布形式,考虑不同大小的初始几何缺陷,最后着重讨论了初始缺陷对单层柱面网壳稳定
性的影响,对单层柱面网壳结构的设计有一定的指导意义。
关键词 初始缺陷;极限荷载;屈曲模态;形状畸变
分类号 TU356
0 概述
对于实际的单层柱面网壳结构来讲,初始缺陷是必然存在的。初始缺陷包括:结构外形的几何偏差(安装偏差),杆件初偏心或初弯曲,存在于结构杆件中的材料缺陷和初应力,外荷载作用点的初偏心,结构支座的偏差等。与杆件有关的初始缺陷在有关规范关于杆件设计的规定中已做了适当考虑,本文拟重点探讨网壳外形的初始偏差对网壳结构稳定性能的影响。对某些网壳类型,例如球面网壳,这种影响十分显著,是网壳稳定性验算中需要考虑的一个重要因素[1]。
初始几何缺陷对柱面网壳稳定性能的影响如何?迄今还缺乏定量方面的概念。本文试图运用大规模参数分析的方法对这一问题作一较为深入系统的探讨。
关于网壳稳定性分析的理论和方法问题,近几年来已获得较好解决。本文利用文献[2、3]提供的理论方法和相应程序对一系列具有不同几何参数、荷载参数和构造参数的柱面网壳进行荷载-位移全过程分析,得出了它们的极限承载力。在此过程中系统地考虑了不同大小的初始缺陷对网壳稳定性能的影响。网壳的初始几何缺陷是随机分布的;本文采用“一致缺陷模态法”来分析初始缺陷的影响。该法假定网壳的初始缺陷按结构最低阶屈曲模态分布;文献[3]业已说明,这样的分布是一种统计意义上的最不利分布,因此对每个具有随机分布缺陷的网壳只需进行一次缺陷分析。
1 计算模型及初始缺陷分析方案
本文以工程中最为常用的三向网格形式作为研究对象,网壳跨度为15m,沿跨度方向按等弧长原则分8格;网壳沿长度方向逐步增加网格数以变化长跨比,每一格的长度
①收稿日期:1997-07-1
张 峰 男 硕士/哈尔滨建筑大学建筑工程学院(150008)
为3m 。见图1
。
图1 计算模型简图
本文考虑工程中经常遇到的一种边界条件,即四边铰支。网壳两端设刚性横隔,限制网壳端截面各点的平面内位移,但不限制纵向水平位移;纵边各点限制竖向位移和横向水平位移,也不限制纵向位移。
本文假定初始几何缺陷按最低阶屈曲模态作最不利分布;缺陷最大值r 在基本分析中取2cm 或3cm ,即网壳跨度B 的1/750或1/500;另外还针对两种长度的网壳系统地分析了不同大小缺陷对其稳定性能的影响。
网壳的长度共有6种,分别为15m 、21m 、27m 、33m 、39m 、45m 。即长跨比为1.0、1.4、1.8、2.2、2.6、3.0。
矢宽比的变化将直接影响单层柱面网壳的稳定承载力,考虑到工程中常用的取值,我们规定了4种情况:f /b =1/2,1/3,1/4,1/5。
杆件采用实际规格圆钢管;为了使本文的结果尽量符合实际,所有杆件均按计算选用,每个网壳一般选用两种规格的杆件:斜杆一般选较大截面,而纵杆和端杆采用较小截面。由于对较长的网壳需采用较大杆件截面,同时为了在分析中进行比较,本文共选用二套杆件截面。规格1: 89×4, 140×6;规格2: 102×4, 146×4。
荷载形式主要有两种:满跨均布和半跨均布。恒载满跨均布大小为g ,活载半跨均布大小为p ,p /g =0,1/4,1/2,1.0。
综合起来,初始缺陷分析方案如表1所示。
表1 参数分析方案
长宽长(l /b )
截面矢宽比 荷载形式 初始缺陷(cm ) 1.011/2,1/3,1/4,1/5p /g =0,1/4,1/2,1.0r =0,21.411/2,1/3,1/4,1/5p /g =0,1/4,1/2,1.0r =0,2,4,61.811/2,1/3,1/4,1/5p /g =0,1/4,1/2,1.0r =0,32.211/2,1/3,1/4,1/5p /g =0,1/4,1/2,1.0r =0,3
21/2,1/3,1/4,1/5p /g =0,1/4,1/2,1.0r =0,1.5,3,6,9,12,152.6
11/3,1/4,1/5p /g =0,1/4,1/2,1.0r =0,32
1/3,1/4,1/5
p /g =0,1/4,1/2,1.0
r =0,3
2 按初始缺陷组合的全过程曲线
对每例结构进行全过程分析之后,为每个节点都可画出一条荷载-位移曲线。我们为
37
第6期 张 峰等:初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响
每例结构只取迭代结束时位移最大的那个节点的荷载-位移曲线来作为曲型代表。限于篇幅,我们以l /b =1.4和2.2的网壳为例,将所绘得的全过程曲线示于图2和图3中。可以看到,这些全过程曲线都很有规律性
。
38哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报 第30卷
图2 全过程曲线(l/b=1.4) 3 初始缺陷对单层柱壳稳定性的影响
3.1 初始缺陷对极限荷载的影响39
第6期 张 峰等:初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响
本文取全过程曲线上第一个临界点处的荷载作为结构的极限荷载。从全过程曲线中可以看出,初始缺陷的存在降低了结构的极限荷载,但幅度较小;当初始几何缺陷为2cm (波宽的1/750)或3cm (波宽的1/500)时,在绝大多数情况下降低率不超过10%,且随着l /b 的增加而减小,如表2所示
。
图3 全过程曲线(l /b =2.2)
表2 极限荷载降低率
l /b
r (cm )
f /b 0p /
g (%)
0.25 0.51.0l /b
r (cm )
f /b 0p /
g (%)
0.25 0.51.01.0
2
1/2
1/31/41/511.658.037.698.626.696.366.367.827.185.365.426.536.934.984.65.371.8
3
1/21/31/41/51/213.163.943.834.431.55.642.584.014.344.027.636793694.154.08.663.853.51--1.42
1/2
1/31/41/5
5.68
3.94
4.384.81
4.61
4.234.254.48
5.94
3.53
4.14.64
8.3
3.233.68
4.53
2.2
2.63
3
1/3
1/41/31/41/5
3.89
2.962.3810.14-
3.553.02-3.370.32
3.98
3.05-2.572.1
4.24
--0.143.2
为了进一步研究缺陷影响的规律,我们还专门选择l /b =1.4和2.2两种长度的网
40哈 尔 滨 建 筑 大 学 学 报 第30卷
壳,分别考虑了一系列不同大小的初始缺陷,对网壳进行系统分析。从图2和图3
即可看图4 网壳极限荷载随r 变化规律(l /b =2.2)
到具有不同初始缺陷时其全过程曲线逐步演变的情况。可以明显看到,即使所考虑的初始缺陷范围已达15cm (波宽的1/100),各全过程曲线的变化仍然是相当有规律且相对缓慢的,其极限荷载随初始缺陷r 变化的情况如图4和图5所示,从定量上看,极限荷载降低率不超过20%,从这些曲线除看到极限荷载随r 增加而平缓下降的总趋势外,也发现某
些曲线在达到一定r 值后极限荷载反而上扬的现象。另外,非对称荷载的存在也没有改
变初始缺陷对单层柱壳稳定性能的影响,综合来看,单层柱面网壳是缺陷非敏感性结构
。
图5 网壳极限荷载随r 变化规律(l /b =1.4)
15×21m —p /g =0 …p /g =0.5---p /g =0.25 -·-p /g =1.0
3.2 初始缺陷对屈曲模态的影响
前面已经提到当初始缺陷达到一定值后极限荷载反而上扬,尤其当矢宽比较小时,这种现象发生得比较早。经对各算例的屈曲模态进行分析,发现当初始缺陷达到一定大小后,结构的屈曲模态发生了改变,由原来的极限屈曲变为高一阶的分枝屈曲;如图6给出
41
第6期 张 峰等:初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响
一个异常点的屈曲模态。我们认为这是一种“形状畸变”现象,即初始缺陷达到一定值后,图6 异常点屈曲模态
l /b =2.2;f /b =1/5;p /g =0;r =3,2号截面
结构形状的改变已足以使其稳定性能发生变化。从图3中的全过程曲线族来看,这些曲线实际上一直保持渐变趋势,只是当r 达到一定大小后,曲线形状的确发生性质上的改变,曲线的第一个极值点逐渐消失,而径直向高一阶分枝点过渡;然而,此时尽管荷载呈继续上升趋势,但位移很大,已无实际意义。
4 结语
单层柱面网壳是缺陷非敏感性结构,初始
几何缺陷的存在对网壳极限荷载降低较小。在本文所探讨的参数变化范围内,可以足够
安全地认为对于有初始缺陷的实际网壳的稳定承载力为理想壳全过程分析结果的80%。
参 考 文 献
1沈世钊,陈昕,林有军.单层球面网壳稳定性验算公式.第八届空间结构会议论文集,开封,19972陈昕,沈世钊.网壳结构非线性分析.土木工程学报,1990(3)
3陈昕.沈世钊.单层穹顶网壳的荷载-位移全过程分析及缺陷分析.建筑结构学报,1992,(3)4沈世钊,陈昕,张峰.单层柱面网壳稳定性验算公式.第八届空间结构会议论文集,开封,19975张峰.单层柱面网壳非线性稳定性分析:[硕士论文].哈尔滨:哈尔滨建筑大学图书馆,1997
The Effect of Initial Imperfections to the Stability
of Single -Layer Lattice Vaults
Zhang Feng Shen Shizhao Wei Xin
Abstract Based on non -linear com plete -process analysis prog ram SNAP and by intro -ducing “Consistant Mode Imperfections Method ”,a comprehensive parametric analysis of sin -g le -layer lattice vaults w ith initial imperfections is carried out .Considering various parameters of single -layer lattice vaults ,such as geometric dimension ,load distributio n and initial imper -fections ,emphasis is put on the studies of the effect of initial imperfectio ns to the lattice v aults ′stability behavior ,and some useful intructions are obtained to serve for the design of
single -layer vaults .
Key words initial imperfections ;limit load ;buckling mode ;form defo rmation
108m×90m柱面网壳整体提升施工方法
108m×90m柱面网壳整体提升施工方法 胡 宁 罗尧治 董石麟 (浙江大学土木工程学系,浙江杭州 310027) 摘 要:本文介绍河南省鸭河口电厂干煤棚柱面网壳的施工方法———“折叠展开式”整体提升施工技术.文中详细阐述了这项施工技术的基本思想、关键技术、施工过程和效益分析.这项新技术在国内尚属首次采用,应用于亚洲最大跨柱面网壳的施工中并取得了圆满的成功,证明了这项新技术的正确性和实用性. 关键词:工程结构;柱面网壳;整体提升;可动铰;折叠展开 中图分类号:T U745.2;T U758.15 文献标识码:A 文章编号:1001-7119(2003)04-0323-04 I ntegral Lift Construction Procedures for the108m×90m Cylindrical Latticed Shell HU Ning LUO Yao2zhi DONG Shi2lin (Department of Civil Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,China) Abstract:A new integral lift construction technique is firstly proposed for the cylindrical latticed shell,Y ahekou power plant coal storage in Henan.The basic conceptions,key techniques and construction procedures are described in detail.And the economic ef2 ficiency is als o evaluated comparativly.This new erection technique is firstly used in China,and dem onstrates success fully in the course of the largest span cylindrical shell in Asia.It is proved to be effective and applicable. K ey w ords:engineering structure;cylindrical latticed shell;integral lift;m ovable hinge;deployable 1 概 述 河南省鸭河口电厂干煤棚设计跨度108m,长度90m,矢高38.766m,采用正放四角锥三心圆柱面双层网壳的结构形式,是目前亚洲跨度最大的圆柱面网壳结构.结构跨度大,矢高高,施工难度较大. 目前国内一般采用的网架和网壳安装方法主要有:高空散装法,分条或分块安装法,高空滑移法,整体提升或顶升法.其中,整体提升或整体顶升施工方法在近年有越来越多的应用.东方航空公司双机位机库屋盖[1]、北京西客站钢门楼[2]、首都306m跨飞机库屋盖[3]等一批大型工程应用整体提升、顶升技术都取得了成功.但是,在运用这种整体提升或顶升方法中,网壳结构从地面上升到设计标高是一个整体向上平动的过程,网壳内部各点之间并没有相对位移.因此,这两种施工方法适用于平板网架或者比较扁平的网壳,而对于曲率较大、矢高较大的网壳,并不能很好解决高空作业的问题. 在国际上,日本的川口卫教授提出一种“攀达穹顶”的整体顶升施工方法[4],适用于双曲率网壳,已在世界上7个工程中得到成功应用. 根据本结构跨度大、矢高高的特点,采用一种全新的“折叠展开式”整体提升施工方法,与传统的整体提升方法有本质区别. 第19卷第4期2003年7月 科技通报 BU LLETI N OF SCIE NCE AND TECH NO LOGY V ol.19 N o.4 Jul.2003 收稿日期:2002-06-25 作者简介:胡 宁,男,1976年生,浙江杭州人,博士研究生;罗尧治,男,浙江慈溪人,教授;董石麟,男,浙江杭州人,院士,博导.
大跨空间结构案例分析
通过这一个学期建筑结构选型将建筑结构分类如下:●平面结构 梁柱结构(框架结构 桁架结构 单层钢架结构 拱式结构 ●空间结构 薄壁空间结构 网架结构 网壳结构网格结构 悬索结构 薄膜结构 ●高层建筑结构 ●平面结构 平面屋盖结构空间跨度相比较小,节点、支座形式较简单。 2008年奥运会摔跤比赛馆总建筑面积约23950平方米,比赛馆平面是一个82.4*94米平面,屋面是反对称的折面,采用巨型门式钢钢架结构,将建筑塑造为富有韵律感的
造型,如图所示。三维整体模型工程屋盖由12榀空间门式钢钢架组成,跨度82.4米,中心距8,0米,钢刚架为四肢组合的格构式结构。构件间的连接节点均为相贯节点,钢架柱(钢管连接于看台部分的钢筋混凝土柱,屋盖结构外形简洁、流畅,节点形式简单,刚度大,几何特性好。 单榀空间门式钢刚架单榀空间门式钢刚架(有连系杆单榀空间门式钢刚架(有连系杆
刚架柱支座 ●空间结构 ●网格结构 ?网架结构 一:2008奥运会国家体育馆 国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,建筑面积80 476m2 ,固定座席118 万座,活动座2 000座,用于举办2008 年奥运会的体操、手球比赛,赛后用于举办体育比赛和文艺演出。虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆两部分,但屋盖结构在两个区域连成整体,即采用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热身馆两个区域,形成一个连续跨结构。空间网架结构在南北方向的网格尺寸为815m,东西方向的网格有两种尺寸,其中中间(轴a和○K之间的网格尺寸为1210m,其他轴的网格尺寸为815m。按照建筑造型要求,网架结构厚度在11518~31973m之间。不包括悬挑结构在内,比赛馆的平面尺寸为114m ×144m,跨度较大,为减小结构用钢量,增加结构刚度,充分发挥结构的空间受力性能,在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的钢索,钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连,形成双向张弦空间网格结构。其中最长桅杆的长度为91237m,钢索形状根据桅杆高度通过圆弧拟合确定。在
双层网壳结构的静力分析与设计
双层网壳结构的静力分析与设计 摘要：本文简述了双层网壳的静力设计过程，并通过对杆件内力的分析和变形能力的探讨得出如下结论：双层网壳这种结构型式具有有较强的承载能力，良好的稳定性和优越的协调变形性能，是各种大跨度建筑值得采用的一种屋盖型式。 关键词：双层网壳，柱壳，大跨度空间结构。 设计概况：某展览馆主展厅屋面为弧线形，跨度27m，结合使用要求，拟采用双层网壳的屋盖结构型式。该结构不仅具有有较高的承载能力，且当在屋顶安装照明、空调等各种设备及管道时，它还能有效地利用空间，方便吊顶构造，经济合理。 一、柱壳结构的型式与分析 1 柱壳结构型式 本设计所用柱壳采用正放四角锥体系，柱壳跨度27m，矢高4.5m，纵向长度42m。杆件长度控制在3m～3.5m之间。 2 柱壳结构分析 结构分析的核心问题是计算模型的确定。本设计中柱壳结构的计算模型为空 图1 柱壳上弦支座图 图1中，a点为二向支承（约束x，z方向位移），d点为二向支承（约束y，z方向位移），c点为三向支承（约束x，y，z方向位移），其余带×号的各点均设置单向支承（只约束z方向的位移）。 柱壳结构为大型复杂结构，因此采用有限元分析软件SAP2000对其进行结构分析，并结合我国钢结构设计规范对各杆件进行截面设计和验算。 二、静力设计 1、荷载计算 1）恒载标准值计算
2 /375 m KN 2/5m KN 2 /m KN 屋面构件及网壳自重恒载： 0.752/m KN 灯具： 0.052/m KN 2）活载标准值计算 屋面活载：0.52/m KN ； 雪荷载：375.05.075.00=?=?=s s r k μ2/m KN ； 风荷载： C 类地貌，风压高度变化系数查表得74.0=z μ，风振系数 0.1=z β 2所示： 因此，有：21/0789.0m KN w -=，22/237.0m KN w -= ，23/148.0m KN w -= 2○ 1。 ○ 2 ○ 3 6/127/5.4/==l f 15 4)2.06/1(1.02.0-=-?-=s μl f /s μ 0.10.8 -0.20 0.50.6 +
单层球面网壳设计实例(已加密)
硕士研究生课程考试试卷 硕士研究生课程考试试卷 考试科目：大跨与空间钢结构 考生姓名：许爱国考生学号：20101602009 考生姓名：杨 丹考生学号：20101602024 考生姓名：张 长考生学号：20101602084 考生姓名：田真珍考生学号：20101602015 学院：土木工程学院专业：土木工程（结构工程方向）考生成绩：90 任课老师(签名) 崔佳 考试日期：2011 年9月5日
目 录 录 1设计资料 (1) 1.1 设计题目 (1) 1.2 设计参数 (1) 2 设计分析软件 (2) 2.1 分析软件简介 (2) 2.2 软件分析步骤 (2) 3 网壳结构设计计算 (3) 3.1 设计基本要求 (3) 3.2 计算分析方法 (3) 3.3 结构模型建立 (4) 3.4 节点与单元属性设置 (5) 3.5 材料参数设置 (6) 3.6 施加约束和荷载 (7) 3.7 软件初步分析设计 (11) 3.8 结构动力分析 (14) 3.9 竖向和水平地震作用抗震验算 (19) 3.10 结构风振系数计算 (21) 3.11 支座节点及檩条设计说明 (21) 4 网壳结构计算结果信息 (22) 4.1 网壳结构各杆件内力 (22) 4.2 网壳结构挠度验算 (23) 4.3 杆件与球节点配置及材料表 (25) 4.4 图纸生成说明 (25) 5 设计结果分析 (26) 5.1 单层球面网壳设计结果概述 (26) 5.2单层球面网壳整体稳定性分析简述 (27) 5.3 网壳结构设计中的几个问题 (29) 参考文献 (30) 附录 (31)
1 设计资料 1.1 设计题目 设计一单层球面网壳，网壳直径为20m，矢高7m，周边支承在钢筋混凝土柱及圈梁上，钢筋混凝土柱沿周边每20°一个均匀布置，柱截面尺寸为400mm×700mm，柱顶及圈梁顶标高为15.2m，圈梁截面尺寸为400mm×600mm。网壳上搭设檩条，屋面板采用压型钢板。 1.2 设计参数 1.2.1 静荷载 网壳自重：网壳结构的自重包括钢管杆件和焊接空心球节点（或螺栓球节点）的重量，可由计算机分析软件程序自动生成。 附加恒载：檩条、压型钢板和灯具重量取2 kN m。 0.65/ 1.2.2 活荷载 本工程屋面为不上人屋面，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）(2006年版)第4.3.1条规定，屋面均布活荷载标准值取为2 kN m。屋面均布活荷载不应 0.5/ 与雪荷载同时考虑，取二者的较大值，此处不考虑雪荷载。基本风压取2 0.4/ kN m，本工程不考虑积灰荷载和吊车荷载。 1.2.3 温度作用 此处的温度作用仅指分析软件用到的温度差，即结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值，此处取为-25℃~25℃。 1.2.4 地震作用 本工程所在场地的抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.4.2条规定，本工程单层球面网壳结构需要进行竖向和水平抗震验算。 1.2.5 结构材料 网壳结构杆件对钢材材质的要求与普通钢结构相同，本工程采用Q235B钢。网壳杆件截面形式有圆钢管、方钢管、角钢及H型钢等，由于圆钢管相对回转半径大和截面特性无方向性，对受压和受扭有利，一般情况下，圆钢管截面比其他型钢截面可节约20%的用钢量，当有条件时应优先采用薄壁圆管形截面，圆钢管可采用高频电焊钢管（即有缝管）或无缝钢管，其中高频电焊钢管较无缝钢管造价低且壁薄，设计时应优先使用，故本工程采用高频电焊圆钢管。网壳结构下部的钢筋混凝土柱及圈梁的混凝土强度等级采用C30。
浅论单层网壳钢结构采光顶设计
浅论单层网壳钢结构采光顶设计 摘要：介绍了遵义医学院附属医院新蒲医院-门急诊住院综合楼项目。该工程为 门急诊住院综合楼中庭屋顶钢结构部分的单层网壳设计。文中介绍了工程的结构 分析和设计方法。在设计中建立中庭采光顶结构有限元计算模型。在综合考虑工 程重要性的同时，根据结构的几何力学特点，节点的刚度等多种因素的基础上， 对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用等工况组合，对结构 在使用阶段的内力和变形进行分析。在大量计算和分析的基础上，对结构几何体 系和构件进行了设计。并对结构的整体稳定进行了分析。 关键词：网壳的选型设计；节点设计；整体稳定 绪论 本工程为医院门急诊住院综合楼中庭钢结构部分，属于大型公共建筑。钢结构屋盖平面 呈防锤形，结构纵向最长为82.50m，横向最大跨度27.50m，立面呈椭圆形，最高点高度 21.9m。最低点高度15.55 m。整个屋顶建筑面积近1850m2。屋顶中间部分采用夹层中空全 钢化玻璃，两侧部分为铝板。整个结构落在主体混凝土结构上。 深化后采光顶轴侧图 论文正文 一、结构选型 综合考虑建筑的外观效果、经济性、结构安全等因素，屋面结构决定采用经济性、安全 性都较好的网壳结构。本工程钢结构屋面跨度不大，约28m。因此，形式上采用单层网壳结构。下端固定在混凝土平台上，交联过程稳定，重复性好。 结构视图 二、网格划分 在建筑方案的基础上对网壳的曲面形式、几何尺寸重新划分，根据网壳的受力特点，同 时考虑了施工因素等因素，来确定网格类型的选择、网格大小的划分，其目的是使网壳受力 合理，能充分发挥结构材料的力学性能，也考虑了整体造型美观。 除上述原则外，在遵循最优的结构形式，还应考虑加工制作、半成品运输、吊装安装等 条件，与之覆盖的材料协调和匹配，以取得最好的技术和经济效果。综上考虑，在方案设计时，通过分析和比较，最终网格采用了三向网格型，三向网格形是在水平面内形成大小相等 的三角形网格，然后投影到曲面上形成的。由于这种网格结构组成规律性强，结构外形美观，受力好，适用于该工程。
钢结构单层网壳设计本科学位论文
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 钢结构单层网壳设计 ――某椭球面网壳设计 学生梁江浩(专业：土木工程学院建筑工程专业) 指导教师郭小农(单位：土木工程学院建筑工程系) 【摘要】单层钢结构网壳外形美观，结构新颖，是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。网壳结构有如下特点： (1)网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。 (2)由于它可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。 (3)网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。同时，又便于工厂制造和现场安装，在构造和施工方法上具有与平板网架结构相同的优越性。 本设计是以工程实例为背景，完成一个的单层钢网壳设计。网壳型式是椭球型网壳，底面为30m*20m的椭圆，矢高为10m。结构是肋环形网壳，网壳的地点在天津。本设计的实施过程如下： (1)进行钢结构网壳空间建模：完成结构选型和网格划分,首先用3D3S生成一个尺寸相同的肋环形网壳，然后手动删改生成网壳的区格构件，使得每根构件的长度大致处于1.5m-2.2m，这样结构的网格更加合理，方便玻璃的制作与安装，结构本身也更加美观； (2)进行结构内力分析：完成荷载输入、杆件截面选择。内力计算使用3D3S软件，但是其中荷载的导算是人工完成，由于荷载规范中网壳的风载体型系数较为复杂，软件并不能很好的导算。因此借助于ANSYS中的编程功能，读入3D3S生成的模型数据，在依据规范的公式，计算出导算好的节点荷载，并写出适用于3D3S和ANSYS 的荷载文件； (3)构件设计：计算长度根据网壳结构技术规程得出，杆件采用热扎无缝钢管114*4.0和95*4.0，电算后再任选一根构件，利用3D3S得到的杆件内力，进行手动验算； (5)节点设计：本网壳中节点采用焊接球节点，采用两种焊接球：200*8的不带肋空心球节点和300*12的带肋空心球节点，电算选择球类型，然后根据网壳结构技术规程的计算方法任选一个球节点手算。 (6)结构整体稳定性分析，首先进行线性屈曲分析，得到屈曲模态，以此选定初始缺陷然后进行几何非线性整体稳定性分析，并且进行同时考虑材料非线性的整体稳定性分析； (7)施工图绘制，大概共绘制10张A2图，其中手绘2张； (8)计算书整理。 【关键词】单层网壳；整体稳定；大跨空间结构。
大跨度柱面网壳结构设计要点
大跨度柱面网壳结构设计要点 袁耀明 (唐钢国际工程技术股份有限公司，河北唐山063000) [摘要]钢铁企业的露天原料厂很多不符合当今我国的环保要求，所以需要新型的符合环保要求的原 料厂来替代。由于生产工艺限制，封闭结构必须满足空间大跨的要求，大跨度柱面网壳以其优异的空间大跨 的结构性能，本文将重点阐述该结构形式的优势及设计要点Q [关键词]大跨度；网壳；空间结构 文章编号:2095 -4085 (2019)03 - 0032 - 01謂年上计 1概述 大跨度柱面网壳结构该结构形式具有三维受力特 点，该结构为超静定结构，如果出现某杆位置失效，大跨度柱面网壳结构可以通过内力的调节，重新达到 稳定，安全度较高。交汇于节点处的杆件相互支撑，增强了结构的稳定性，也具有一定的抗震能力。该结 构还有节约材料，安装方便，空间刚度大，适于工业 化生产等优点。该结构形式是近半个世纪以来应用最 广的一空间结构。 2设计方法 大跨度柱面网壳结构，无论采用哪种节点，荷载 都在节点上，构件内力仅为轴向拉力和压力，由节点 刚度引起的杆件弯矩很小。按照空间杆系结构进行计 算，杆件之间的连接假定为铰接，忽略节点刚度的影 响和次应力引起的杆件内力变化。受荷后网格结构位 移很小，属于小挠度范畴，不必考虑因挠度所引起的 结构几何非线性；另外结构设计时钢材处于弹性阶 段，不必考虑材料的非线性，这样大大缩短了结构计 算时间。 传统计算方法分为两类，一类是连续化假定，一 类是离散化假定。连续化假定已很少采用；离散化假 定也就是通常所说的有限单元法，这种方法首先将结 构离备为各个M元，茬卓元基础上建立卓元节点另和 节点位移之间的基本方程，以及相应的单元刚度矩 阵，然后利用节点平衡条件和位移协调条件建立整体 结构节点荷载和节点位移关系的基本方程，及其相应 的总体刚度矩阵，通过引入边界约束条件求解出节点 位移，再由节点位移计算出杆件内力。 复杂的网架结构杆件数量多，计算量大，需要辅 助设计软件进行计算，目前国内空间结构辅助设计软 件有 3D3S，SFCAD，MST及 SAP2000，其中 3D3S在 建模与模型编辑，荷载添加，构件分析验算，后处 理，节点设计等方面均有独特优势，作为主要的辅助 设计软件，用SAP2000进行校核验算。 3案例分析 以某封闭料场进行案例分析，案例概况：三心圆 柱面网壳由三心圆拟合而成，中部以半径为63m的圆弧进行12等分，每等分3.51m，两边以半径为 31m的圆弧进行11等分，每等分3.485m，大小圆 在相交点相切，为减小水平推力，两小圆弧与基础顶 面正交，网壳厚度为3m，最终模型净跨77m，外包 尺寸83m，矢高为32. 75m。 网壳计算参数：沿网壳面均匀分布的檩条及屋面 板等恒荷载：〇?25kN/m2;活荷载0?5kN/m2;基本 雪压0?4kN/m2;基本风压0?6kN/m2;网壳自重模 型自动计算。 ?32? 3D3S开发平台为CAD，建模操作相对灵活，可 以利用CAD命令进行操作，利用线段来拟合三心圆 网壳，然后对几何线段赋予结构属性，如截面尺寸，材料属性等，通过杆件导荷，将面荷载转化成节点荷 载施加到结构模型，最后按照实际支座位置设置边界 约束条件，这样就形成了最终的结构模型，通过设置 求解参数，如抗震设防烈度，地震分组，场地类别，阻尼比等参数，对结构模型进行求解。最终利用 SAP2000复核3d3s计算结果，通过对比发现结果完 全一^致。 4设计及施工中中应注意的问题 大跨度柱面网壳结构对荷载比较敏感，荷载取值 必须做到尽可能的精准，以恒荷载为例，以往结构设 计中认为恒荷载对结构不利，可适当取大值，以保证 结构安全，但是柱面网壳并非如此，很有可能由于恒 载取值过大，导致在风荷载控制的组合工况下本应拉 压发生转变的杆件没有发生拉压转变，意味着计算过 程中始终处于受拉状态的杆件在实际工作过程中处于 受压状态，这是不安全的。 大跨度柱面网壳结构的抗风设计参数取值主要参 考高层或高耸结构设计规范，由于设计依据少，难以 选取风振系数，这种取值方法还不够完善，风振系数 的选取主要靠经验。 网壳结构的支座通常采用铰接形式。考虑到支座 不可能存在理想的不动铰支座，也就是说支座在两个 水平方向上是一种弹性支承。既然是弹性支撑，就涉 及到了弹性支撑的线刚度问题。由于影响这一支承刚 度很难精准进行计算，那么如何来解决这个支座刚度 为问题的关键。目前关于这个问题的解决方案就是对 支座支承刚度进行包络设计，通过支承刚度自足够小 到足够大这一包络设计过程，以充分保证结构的安全 可靠。 5结语 该结构形式设过程中计算已经比较成熟，但应注 意施工工况的验算，跟踪计算每一施工步骤的受力状 态变化，避免采用不同的施工方法和施工顺序引发的 工程事故。 参考文献： [1]罗尧治，沈雁彬.干煤棚网壳结构使用现状与缺陷分 析[J].工业建筑，2005,（01). [2]邢克勇，刘辰.华能海口电厂干煤棚网壳结构设计 [J].建筑结构，2006,（05). [3]聂国隽，浅若军.干煤棚柱面网壳结构设计[J].结 构工程师，2001，（02). [4]黄鹤，顾明，叶孟洋.干煤棚柱面网壳结构风荷载试 验研究[J].建筑结构，2011，（03).
单层网壳体育中心钢结构施工组织设计-第六章-第五节+第六节 高强螺栓施工、压型钢板施工
第五节高强度螺栓的施工 一高强螺栓施工概述 本工程钢结构高强度螺栓的安装主要分布于展望桥核心筒钢结构，主要采用10.9级的高强度螺栓，高强度螺栓制孔采用数控钻孔。高强度螺栓与构件连接处接触面采用喷砂处理，处理后其抗滑移系数μ值要达到0.50。 二安装准备 (一)高强度螺栓保管要求 (二)高强度螺栓的性能检测 1检测标准及准备
2检测方法 名称类别试件试验方法注意事项 高强度螺栓性能检查 高 强 度 螺 栓 紧 固 轴 力 试 验 现场安装用螺栓随机 抽取 （1）连接副预拉力采用 经计量检定、校准合格 的轴力计进行测试。 （2）采用轴力计方法复 验连接副预拉力时，应 将螺栓直接插入轴力 计。 （3）紧固螺栓分初拧、 终柠两次进行，初拧应 采用手动扭矩板手或专 用定扭电动板手;初拧 值应为预拉力标准值 50%左右。终拧应采用专 用电动板手，至尾部梅 花头拧掉，读出预拉力 值。 （1）扭剪型高强度螺栓应在施工 现场待安装的螺栓批中随机抽 取，每批应抽取8套连接副进行 复验。 （2）试验用的电测轴力计、油压 轴力计、电阻应变仪、扭矩板手 等计量器具，应在试验前进行标 定，其误差不得超过2%。 （3）每套连接副只应做一次试 验，不得重复使用。 （4）在紧固中垫圈发生转动时， 应更换连接副，重新试验。 （5）复验螺栓连接副的预拉力平 均值和标准偏差应符合上页表的 规定。 高 强 度 螺 栓 连 接 摩 擦 面 的 抗 滑 移 系 数 试 验 二栓拼接拉力试 件 （1）先将冲钉打入试件 孔定位，然后逐个装换 成同批经预拉力复验的 扭剪型高强度栓。 （2）紧固高强度螺栓应 分初柠、终拧。初拧应 达到螺栓预拉力标准值 的50%左右。 （3）试件应在其侧面画 出观察滑移的直线。 （4）将组装好的试件置 于拉力试验机上，试件 的轴线与试验机夹具中 心严格对中。 （5）加荷，应先加10% 的抗滑移设计荷载值， 停1min后，再平稳加荷， 加荷速度为3-5kN/s。直 拉至滑移破坏，测得滑 移荷载。 （6）由紧固轴力平均值 和测得的滑移荷载计算 抗滑移系数。 （1）制造厂和安装单位应分别以 钢结构制造批为单位进行抗滑移 系数检验。制造批可按分部（子 分部）工程划分规定的工程量每 2000t为一批，不足2000t的可视 为一批。 （2）选用两种及两种以上表面处 理工艺时，每种处理工艺应单独 检验。每批三组试件。 （3）试件钢板的厚度t1、t2应 根据钢结构工程中有代表性的板 材厚度来确定;宽度b可参照上页 表规定取值；L1应根据试验机夹 具的要求确定。 （4）试件板面应平整，无油污， 孔和板的边缘无飞边、毛刺。 （5）抗滑移系数检验用的试件应 由制造厂加工，试件与所代表的 钢结构构件应为同一材质、同批 制作、采用同一摩擦面处理工艺 和具有相同的表面状态，并应用 同批同一性能等级的高强度螺栓 连接副，在同一环境条件下存放。
大跨度空间结构_网壳结构的历史与发展_符立勇
大跨度空间结构———网壳结构 的历史与发展 符立勇,杨从娟 (石家庄铁道学院力学与工程科学系,河北石家庄050043) [摘 要] 现代空间结构要求有最大的自由空间及最小的内支撑干扰。回顾空间结构的发展历史,网壳结构是能够很好满足上述要求的结构体系之一。本文较全面、系统地评述了国内外网壳结构发展历史和应用现状,并介绍了一些有代表性的工程实例。最后讨论了网壳结构进入21世纪的发展趋势,探讨了网壳结构的应用前景。 [关键词] 空间结构;网壳结构;历史;发展 [中图分类号]TU33 [文献标识码]B [文章编号]1007-9467(2002)05-0003-03 一、引言 随着人类物质文明和精神文明的发展与提高,人们需要更大的覆盖空间来满足社会活动和生产劳动的需要,而且要求有最大的自由空间及最小内支撑相互干扰的结构,如大型集会场所、体育馆、飞机库、会展中心、游泳池、餐厅、候车厅、工业厂房等。而一般的平面结构,如梁、刚架、桁架、拱、组合结构等,由于结构形式的限制,从技术经济方面讲已很难跨越更大的空间,来满足飞速发展的社会需求。人们通过实践发现,具有三维空间形状并且有三维受力特性、呈空间工作状态的空间结构,正好能满足大跨度建筑结构的要求。这是因为空间结构不仅仅依赖材料性能,而且更加充分利用自已合理的形体及不同材料特性,来适应不同建筑造型和功能的需要,从而可跨越更大空间。尤其近年来计算机技术的飞速发展,使空间结构在形体研究的计算方法上有了新的突破,使形体与受力完美组合成为可能。因此,空间结构对于现代建筑已产生重大影响,它不但被公认为社会文明的象征,而且由于采用了大量新材料、新技术和新工艺,空间结构还成为衡量一个国家建筑科学技术水平的标志之一。 二、网壳结构的历史 1.网壳结构的雏形———穹顶结构 在人类社会的发展历程中,大跨度空间结构常常是建筑人员追求的梦想和目标。其中,网壳结构的发展经历了一个漫长的历史演变过程。网壳结构的发展是和人类社会的生活、生产劳动密切相关的,并且与当时的科技水平及物质条件紧密相连。 古代的人类通过详细观察,发现自然界中存在大量受力特性良好、形式简洁美观的天然空间结构,如蛋壳、蜂窝、鸟类的头颅、肥皂泡、山洞等。利用仿生原理,人类得以更好地理解和发展空间结构。古代的人类为了有一个好的生存空间,常常以树枝为骨架、以稻草为蒙皮来建造穹顶结构,后来又以皮革或布匹代替稻草,即现在常见的帐篷。经过长期的工程实践,人类认识到穹顶能以最小的表面封闭最大的空间,而且所耗用的材料也比较经济。 穹顶的发展与建筑材料的发展是密切相关的。古代,穹顶用石料建造,后来逐渐被砖石结构取代。例如,古罗马人就利用石料或砖建造了大量圆形或圆柱形穹顶,用来作为宗教活动的场所。这些穹顶的跨度都不大,一般为30～40m左右,穹顶的厚度与跨度之比为1/10左右,因此早期的穹顶自重很大。其中,建于公元120～124年的罗马万神庙是早期穹顶的典型代表,该穹顶基面为44m的圆。中世纪,木材成为穹顶结构的主要覆盖材料;到19世纪,铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元,使覆盖大跨度建筑物成为可能。近代,钢筋混凝土结构理论的出现及应用使穹顶的厚度大大降低,薄壳穹顶受到人们的极大关注,从而开辟了结构工程新领域。1922年在德国耶拿建造了土木工程史上第一座钢筋混凝土薄壳结构———耶拿天文馆,其净跨为25m,顶厚为60.3m m,厚跨比大约为1/400。薄壳穹顶以其结构自重较小,受力性能良好,可以覆盖大跨度空间和造型优美等优点,得到广泛应用和发展。现代,优质钢材的使用更是影响各种形式大跨穹顶网壳发展的一个重要因素。 2.网壳结构的诞生 钢筋混凝土薄壳结构尽管有诸多优点,但经过若干年工程实践,工程技术人员逐渐发现这种结构的缺点:钢筋混凝土薄壳施工时需要架设大量模板,工作量很大,施工速度较慢,工程造价高。因而人们对之逐渐丧失兴趣,开始寻求 3 钢结构设计专题 工程建设与设计 2002年第5期
单层柱面网壳的稳定性_上_
第4卷 第2期空 间 结 构1998年5月 单层柱面网壳的稳定性(上) 沈世钊 陈 昕 张 峰 范 卓 (哈尔滨建筑大学 哈尔滨150001) 摘 要 本文有计划地对380例实际尺寸的单层柱面网壳进行了荷载-位移全过程分析,求得了它们的极限承载力。系统地考察了四边支承柱面网壳的矢宽比(矢高与波宽之比)和长 宽比(长度与波宽之比)这两个主要几何参数对网壳稳定性能的影响;还系统考察了网壳初始 几何缺陷和荷载不对称分布对其稳定性能的影响。通过这种大规模参数分析方法,较好地掌握 了单层柱面网壳稳定性能的规律,在此基础上提出了供设计使用的实用公式。 关键词 单层柱面网壳 稳定性 极限承载力 一、概 述 稳定性问题是单层网壳设计中的关键课题,是近几年国内外研究热点之一。应该说,这一课题的理论和分析方法问题已经获得较好解决,目前已有可能针对具有大量杆件和节点且具有随机缺陷的实际网壳结构进行较精确的稳定性分析。 但是,网壳稳定性分析的理论和方法不易为一般设计部门所掌握,要正确运用所提供的程序也需要较高的理论素养和熟练的计算技术。使网壳的稳定设计达到更实用化的程度,尚需作进一步工作,从上述理论成果出发,搭起必要的桥梁,过渡到便于广大设计人员应用的实用方法。 为了正确解决这一任务,一种可靠和有效的研究方法就是采用大规模参数分析的方法,也就是结合不同类型的网壳结构形式,在基本参数(包括几何参数,构造参数,荷载参数……)的常用变化范围内,运用上述理论分析方法,进行大规模的实际结构计算,然后对所得计算结果进行系统分析和归纳,考察网壳稳定性的变化规律,最后从理论高度进行概括,提出关于网壳稳定设计的实用方法。 作者曾在文献[3]中运用这种方法对单层球面网壳的稳定性进行了讨论。本文则试图对单层柱面网壳进行较系统的参数分析研究,仍然运用文献[1、2]提供的理论方法对共计380例实际尺寸的网壳进行了荷载-位移全过程分析,求得了它们的稳定极限承载力,在对所得结果进行分析、统计和归纳的基础上,提出了关于常用柱面网壳稳定性的实用验算公式。 圆柱面网壳的网格形式归纳起来其实只有两种类型:一类是矩形网格加斜杆,另一类是三 文稿收到日期:1997.10.10。
基于节点构形度的单层柱面网壳稳定优化设计
第37卷第9期 振动与冲击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.37 No.9 2018基于节点构形度的单层柱面网壳稳定优化设计 陆明飞，叶继红 (东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210018) 摘要：稳定是单层柱面网壳结构分析与设计中的关键因素。从节点构形度的视角，考虑外在因素中与稳定问题 直接相关的核心部分，定义了能全面反映结构静力稳定特性的节点构形度相对变化梯度（0(_U，其最小值()与 稳定承载力直接相关。能定量地衡量结构丧失稳定的趋势，揭示网壳结构失稳机理。在此基础上，进一步提出了单 层柱面网壳稳定优化设计方法。稳定优化模型以最大化为优化目标，离散的杆件截面为优化变量，考虑规范规定 的各项设计约束条件，在给定用钢量的前提下，提高结构稳定承载力。两个实际工程算例验证了单层柱面网壳稳定优化 设计方法的有效性。 关键词：单层柱面网壳;节点构形度;稳定;稳定优化;优化设计 中图分类号：TU393.3 文献标志码：A DOI ： 10. 13465/j. cnki. jvs. 2018.09.012 Stability optim izationdesignfor single-layer cylindrical domes based on joint well-formedness LU Mingfei, YE Jihong (Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of China Ministry of E Southeast University，Nanjing 210018，China) Abstract:St abi li ty i s a key factor in design and analysis of single-layer cylindrical domes. From the perspective of joint well-formedness，the relative gradient of joint well-formedness (g r a_r)was defined here t o f u l l y r e flect the s t a t i c s t a b i l i t y of structures a nd consider the core part directly related t o s t a b i l i t y of external factors，i t s minimum value (g r a_ U b) was directly related t o s t a b i l i t y loads. I t was shown that g r a_r can quantitatively measure lose s t a b i l i t y and reveal domes ’unstable mechanism. On t h i s basis，the s t a b i l i t y optimization design metliod for single-layer cylindrical domes was proposed. Using the st a b i l i t y optimization model，the maximization of g objective，and discrete rods’cross-sections as variables，various design constraint conditions specified in the code were considered，the force-bearing a b i l i t y for the structure s t a b i l i t y was improved under the premise of a given steel-consuming amount. Two practical engineering examples verified the effectiveness of the proposed s t a b i l i t y opti for single-layer cylindrical domes. Key words:single-layer cylindrical domes;joint well-formedness;stability;s t a b i l i t y optimization;optimal design 整体失稳是壳体结构特有的一种失效模式，因此，稳定是网壳结构分析中的一个重要因素。1979年，Riks[1]提出了弧长法，成功解决了在迭代过程中，因刚度矩阵奇异而导致的不收敛问题。经弧长法非线性跟踪，可以准确求得代表网壳结构稳定的临界荷载J r。30多年来，学者们对网壳结构稳定性问题做了深入研究，在计算方法、缺陷、后屈曲性能等方面取得了丰硕成果[2—7]。曹正罡等[8]考虑弹塑性，研究了单层柱面网 基金项目：国家杰出青年科学基金项目（51125031) 收稿日期：2016 -12-09修改稿收到日期：2017 -02-15 第一作者陆明飞男，博士生,1991年生 通信作者叶继红女，博士，教授，博士生导师,1967年生壳弹塑性稳定性能。M a等[9]研究了半刚性节点对单层柱面网壳稳定性的影响。然而，对于网壳结构的静力失稳机理，系统性的研究尚未见报导。 不同于其它杆系结构，稳定性已经超越了强度、刚度问题，成为单层柱面网壳结构设计中的控制性因素。也就是说，单层柱面网壳在经满应力优化设计后，一般难以满足稳定性要求。沈世钊等在20世纪90年代末期，对许多大型复杂单层柱面网壳进行了大规模参数化分析，所得到的部分结论已编入相关设计规程。K a o 等[10]利用线性特征值屈曲荷载，以广义长细比为基础，提出了杆件截面分配法的网壳结构稳定设计方法。其不足在于，以放大系数及经验拟合公式考虑非线性。
单层球面网壳结构的稳定性分析
单层球面网壳结构的稳定性分析 摘要：网壳结构是近年来在建筑工程中广泛应用的一种空间结构形式，它受力合理,造型美观, 用料经济,施工简便。其结构形势多样,跨度较大,重量轻，因而网壳结构的稳定性问题是结构设计和施工安装中的十分重要。本文主要在国内外研究成果的基础上，介绍单层球面网壳结构的发展状况以及其非线性 稳定性分析方法，并得出相关结论。 关键词：单层球面网壳结构、非线性、稳定性 Abstract:In recent years latticed shell is a widespread spatial structure in the architectural engineering because of the reasonable stress, the beautiful modeling and convenient installation. Its structure diversifies , span is big and the weight is light. So the stability calculation problem on the latticed shell structure becomes important in the structure design and construction installment. Based on the recent research within and without , this paper mainly introduce the development and the nonlinear stability analysis methods of single-layer spherical lattice shells and draws some conclusions. Key words: single-layer spherical lattice shell、nonlinear、stability 1 网壳结构的发展概况 网壳结构是一种由杆件构成的曲面网格结构，可以看作是曲面状的网架结构，兼有杆系结构和薄壳 结构的固有特性。该结构形式受力合理、造型美观多样、跨度大、材料耗量低，现场安装简便，是非常 有发展前景的一类空间结构[1-2]。 网壳结构按照曲面外形可以分为:球面网壳、柱面网壳、双曲扁网壳、圆锥面网壳、单块扭网壳、扭曲面网壳、双曲抛物面网壳以及切割或组合形成面网壳等[3]。 国外最早网壳可追溯到1863年在德国建造的一个由凯威特设计的30m直径的钢穹顶，是作为储气罐的顶盖之用。由此命名的这种施威德勒形式的网状穹顶，至今仍作为球面网壳的一种主要形式。近二、 三十年来，国外尤其在美国、日本等国网壳结构发展迅速。我国网壳结构作为空间结构受力体系设计并 广泛应用，始于上世纪80年代末，近年来正蓬勃发展，国外很多网壳结构在建筑形体、结构跨度、加工精度、安装方法、网壳的开启技术等方面有独到之处，都值得我们学习和借鉴[4]。 近年来国内外不少的标志性建筑都采用了球面网壳这种空间结构。日本于1996年建成的名古屋体育馆（见图1）是世界上跨度最大的单层球面网壳。该体育馆整个圆形建筑直径为229.6m,支承在看台框架柱顶的屋盖直径则有187.2m。另外1993年建成的日本福冈体育馆（见图2）也为球面网壳，直径为222m,是目前世界上最大的可开合式球面网壳结构。 我国于1994年修建的天津市新体育中心体育馆的双层网状球壳结构（如图3），平面为圆形，直径108m，外悬挑部15.4m，厚度3.0m，整个球壳平面直径为135.0m，矢高13.5m，用钢指标为55kg/m2，
网壳结构
网壳结构具体案例分析——国家大剧院 姓名：宋建宇班级：2011级5班学号201101020530 摘要：网壳结构即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构。其外形为壳，其形成网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。它是以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体坐标进行布置的空间构架，兼具杆系结构和壳体结构的性质，属于杆系类空间结构。与平面网架不同，它的承载力特点为沿确定的曲面薄膜传力，作用力主要通过壳面内两个方向的拉力或压力以及剪力传递。网壳结构兼有薄壳结构和平板网架结构的优点，是一种很有竞争力的大跨度空间结构。关键字：壳体结构、优缺点、未来展望 正文： 国家大剧院外部为钢结构壳体呈半椭球形，平面投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，比人民大会堂略低3.32米，基础最深部分达到-32.5米，有10层楼那么高。国家大剧院壳体由18000多块钛金属板拼接而成，面积超过30000平方米，18000多块钛金属板中，只有4块形状完全一样。钛金属板经过特殊氧化处理，其表面金属光泽极具质感，且15年不变颜色。中部为渐开式玻璃幕墙，由1200多块超白玻璃巧妙拼接而成。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达3.55万平方米，各种通道和入口都设在水面下。 国家大剧院是空间双层网壳结构，这一结构更完整，更纯粹。”大剧院的壳体钢结构总重6750吨，网壳面积3.5万平方米，没有一根立柱支撑，全靠148榀弧型钢梁承重。虽然这一壳体的高、重、大为中华第一，但它同时也是大跨度空间结构中单位用钢量最少的，每平方米不到200公斤，仅为卢浮宫钢结构每平方米用钢的三分之一。如此“轻便”的穹顶大大减少了承重钢梁的压力，建筑物的安全系数将会很高。另外，考虑到风、雪、地震等自然因素，壳体钢结构还体现了柔性设计理念。钢梁接触地面的一端允许相应滑动，整个结构的最大变形度大约为20厘米。 国家大剧院主体建筑钢结构椭球体壳体(以下简称:壳体)为一超大空间壳体，东西长约212m，南北约144m，高约46m。整个钢壳体由顶环梁、梁架构成骨架;梁架之间由连杆、斜撑连接。顶环梁通长采用ф1117.6-25.4THK钢管，中间矩形框采用矩形箱型梁。整个顶环梁长约60m，宽约38m。顶环梁半圆区内搁栅呈放射状分布;矩形框内南北向搁栅采用60m钢板梁，东西向采用ф194钢管，搁栅呈网格状分布。整个顶环梁总重约7O0t。 梁架分为A类(短轴梁架)、B(长轴梁架);A类梁架采用60mm厚钢板制作，B 类梁架采用上下翼缘不等的焊接H型钢。A类梁架共46榀，B类梁架共102榀。斜撑及连杆均采用钢管;短轴梁架之间连杆节点采用铸钢节点连接，长轴梁架连杆采用钢套筒连接。 国家大剧院的结构特点如下: (l)该壳体为一超大型空间结构，结构体量大。整个结构待壳体完全形成后，方为稳定的空间结构，所以保证施工阶段的结构稳定至关重要; (2)该壳体为非正椭圆球体，且壳体内外两球面的椭圆方程并不一样，因而施工中平面、空间定位测量的难度颇大; (3)壳体的主要结构体—梁架(尤其是短轴梁架，侧向厚度仅为60mm)平面外刚度极差，因而构件的起扳、搬运、起吊难度颇大;