空间网壳结构数值计算
网壳结构
图24 短程线球面网壳
7．两向格子型球面网壳
这种网壳一般采用子午线大圆划分法构成四 边形的球面网格，即用正交的子午线族组成网格， 如图25所示。子午线间的夹角一般都相等，可求 得全等网格，如不等则组成不等网格。
图25 二向格子型球面网壳网格划分
(二)双层球面网壳 主要有交叉桁架系和角锥体系两大类。
2．网壳的厚度
双层柱面网壳的厚度可取跨度的 1/50~1/20；双层球面网壳的厚度一般 可取跨度的1/60~1/30。研究表明，当 双层网壳的厚度在正常范围内时，结构不 会出现整体失稳现象，杆件的应力用得比 较充分，这也是双层网壳比单层网壳经济 的主要原因之一。
3．容许挠度
容许挠度的控制主要是为消除使用过程中 挠度过大对人们视觉和心理上造成的不舒适感， 属正常使用极限状态的内容。
(2)面心划分法
首先将多面体的基本三角形的边以N次等分， 并在划分点上以各边的垂直线相连接，从而构 成了正三角形和直角三角形的网格(图23)。再 将基本三角形各点投影到外接球球面上，连接 这些新的点，即求得短程线型球面网格。
面心法的特点是划分线垂直于基本三角形的边， 划分次数仅限于偶数。由于基本三角形的三条 中线交于面心，故称为面心法。
主要内容
3.1 网壳结构的形式 3.2 网壳结构的设计 3.3 网壳结构的温度应力和装配应力 3.4 网壳结构的抗震计算 3.5 网壳结构的稳定性 3.6 单双层网壳及弦支穹顶
3.1 网壳结构形式
一、网壳的分类
通常有按层数划分、按高斯曲率 划分和按曲面外形划分等三种分类 方法。
1．按层数划分
网壳结构主要有单层网壳、双层网壳和三层 网壳三种。 (如图1所示)
格加斜杆，形成单向斜杆型柱面网壳.
空间网格结构技术
1 总则1.0.2 本标准是以原《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91与原《网壳结构技术规程》JGJ 61-2003为主，综合考虑二本规程共同点与各自特点，将网架、网壳与立体桁架、张弦结构统称空间网格结构。
空间网格结构包括以主要承受弯曲内力的平板型网架、主要承受薄膜力的单层与双层网壳，同时也包括现在常用的立体管桁架。
当平板型网架上弦构件或双层网壳上弦构件采用钢筋混凝土板时，构成了组合网架或组合网壳。
当空间网格结构采用预应力索组合时形成预应力空间网格结构，本标准中有关章节均可适用于这些类型空间网格结构的设计与施工。
3 基本规定3.1 结构选型3.1.2 本条中按网格组成形式，如交叉桁架体系、四角锥体系与三角锥体系，列出了国内常用的13种网架形式。
布置网架时应避免结构体系几何可变。
3.1.4 单层网壳的杆件布置方式变化多样，本条给出一些最常用的形式供设计人员选用，设计人员也可以参照现有的布置方式进行变换。
3.1.6 立体桁架通常是由二根上弦、一根下弦或一根上弦、二根下弦组成的单向桁架式结构体系，早期都是采用直线形式，近几年曲线形式的立体桁架以其建筑形式丰富在航站楼、会展中心中广泛应用，且一般都采用钢管相贯节点形式。
钢管相贯节点的计算、构造要求等应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定。
3.1.7 本条使设计人员可对不同的建筑选用最适宜的空间网格结构。
应注意网架与网壳在受力特性与支承条件方面有较大差异。
网架结构整体以承受弯曲内力为主，支承条件应提供竖向约束，水平约束可以放松；而网壳则以承受薄膜内力为主，支承条件一般都希望有水平约束，能可靠承受网壳结构的水平推力或水平切向力。
3.1.8 网架、双层网壳、立体桁架在计算时节点可采用铰接模型，并在网架与双层网壳的设计与制作中可采用接近铰接的螺栓球节点。
而单层网壳虽与双层网壳形式相似，但计算分析与节点构造截然不同，单层网壳是刚接或部分刚接体系，计算时杆件必须采用受弯梁单元，考虑6个自由度，且设计与构造上必须达到传递弯矩要求。
基于3D3S大通县某煤棚网架结构设计验算
随着社会的不断发展变革，人们对于建筑设计施工的追求要求更加完美，希望施工方便快捷，建筑结构美观、空间大、节能环保可持续等。
为此，空间网格结构应运而生，空间网格结构几乎满足了人们对大跨度、施工快捷方便、效率高等一系列要求。
网架结构实际工程应用越来越广泛，例如会堂、影剧院、展览馆、车站、码头、候机大厅等公共建筑[1-2]。
相关学者[3-6]对于网架结构的研究已然成为热点。
对于网架结构的设计计算，普遍采用的方法为有限元数值计算法，如ANSYS 、MST 、3D3S 等[7-10]。
通过对建筑物空间网架结构进行有限元建模，对所构建的网架结构有限元模型支承性能进行分析[11-13]，验算结构受力的合理性，优化结构杆件截面，选择最优用钢量。
1工程概况拟建煤棚场地位于青海省西宁市大通县朔北乡下吉哇村原705厂内，交通便利，汽车可直达场地。
拟建场地地貌单元属山前斜坡地带，场地开阔，地形起伏变化大，地势北高南低、西高东低。
孔口地面高程2501.90m~2521.87m ，相对高差为19.97m 。
建筑高度13.8m ，建筑平面尺寸89.3m ×53m ，总建筑面积4543.9m 2。
总平面布置如图1所示。
根据《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB 55002-2021）及《建筑抗震设计规范》（GB 50011－2010），拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g ，设计地震分组属第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，设计特征周期值为0.45s ，水平地震影响系数最大值0.08。
根据场地踏勘、场地勘探及周边建筑经验，场地地基土主要由第四系：①1层杂填土（Q4ml ）、①2层素填土（Q4ml ）、②层黄土状土（Q4dl+pl ）、③层卵石（Q4dl+pl ）、④层饱和黄土（Q4dl+pl ）、⑤层淤泥质土（Q4dl+pl ）、⑥层卵石（Q4al+pl ）、⑦层粉土（饱和）（Q4al+pl ）、⑧第三系层强风化砂砾岩和⑨层中风化砂砾岩组成，其岩性特征描述如表1所示。
双层网壳结构抗火性能数值分析
图 １ 屋 顶 结构 模 型
１ １ 火 灾 场 景 设 计 ．
结 构 附 近 空 气 温 度 场 、 制 程 序 计 算 屋 顶 结 构 构 件 的 温 编
升 以及 利 用 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮＳ Ｙｓ分 析 屋 顶 结 构 的 抗
参 考 文 献
［］Ｉ Ｃ ２ ０ ，ｎｅｎ ｔ ｎ ｌ ｕｌｉｇＣ ｄ ［ ］ １ Ｂ ０ ９ Ｉｔｒ ａｉ ａ Ｂ ｉ ｎ ｏ ｅＳ ． ｏ ｄ ［ ］Ｎａｉｎ ｌ ｕｌｉｇＣ ｄ ｆ ａ ａａ ２ ｏ ［ ］ ２ ｔ ａ Ｂ ｉ ｎ ｏ ｅｏ ｎ ｄ － ｏ ６ ｓ ． ｏ ｄ Ｃ ［］Ｔｈ ｕｌｉｇＲｅｕａｉｎ ０ ０ （０ ６ｅｉｏ ，ｍｅ ｄ ｄ２０ ） Ａｐ ３ ｅＢ ｉ ｎ ｇ ｌｔ ｓ２ ０ ２０ ｄｔ ｎ ａ ｎ ｅ ０ ７ ， ｄ ｏ ｉ ｐｏ ｅ ｏ ｕ ｎ Ｆｒ ａｅｙ ［ ］ ｔｅＵｎｔｄＫｉｇ ｏ ｒｖｄＤ ｃ ｍｅ ｔ Ｂ（ ｉ ｓｆｔ）ｓ ．ｈ ｉ ｎ ｄ ｍ． ｅ ｅ ［ ］ＭＢ ０ ２ Ｍｕｔｒａ ｏｄ ｕ ｇ Ｓ ． ＧＥ Ｂ ｕ Ｇ ｒ ｎ ． ４ Ｏ ２ ０ ， ｓｅｂ ｕ ｒｎ ｎ ［ ］ ＡＲ ａ ， ｅｍａ ｙ
×０ ５ｍ 的 网格 。 ．
体 育 场 馆 功 能 复 杂 、 员 密 集 ， 重 视 赛 后 再 利 用 问 人 且 题 。与 普 通 建 筑 相 比 ， 空 间 建 筑 火 灾 危 险 性 主 要 表 现 大 为 ： 通 的火 灾 探 测 手 段 不 易 及 时 发 现 火 灾 ； 急 情 况 普 紧 下 ， 员 疏 散 难 度 较 大 ； 火 分 隔 困 难 ； 筑 结 构 尤 其 钢 人 防 建
网壳的计算
网壳规程规定：单层网壳应采用刚节点，双层网 壳应采用铰节点。
（6）荷载分布：
大跨网壳结构自重较轻，恒载相对较小，雪荷载等 非对称荷载是导致网壳结构失稳的主要因素之一。
（7）边界条件：
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。
影响网壳结构稳定性的主要因素包括：
（1）非线性效应：壳体结构主要通过薄膜内力承载外 荷载，网壳失稳前处于薄膜应力和薄膜变位状态，失 稳后失稳部位的网壳由原来的弹性变形转变为极大的 几何变位，由薄膜应力转变为弯曲应力状态。
几何非线性影响十分显著，同时材料非线性应力也 会影响网壳结构的稳定性。
两种非线性效应的影响程度：与结构形式和结构跨 度有关。
网壳结构的初始缺陷主要指节点的几何位置偏差。
（3）曲面形状：
平坦的曲面容易引起失稳。
双曲线型的曲面优于单曲，负高斯曲率的双面抛物 面稳定性更好。
网壳规程要求：对单层球面网壳，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； 对双曲面网壳可不考虑稳定问题。
（4）结构刚度：
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。
缺陷敏感性： 假设两个结构有相同的临界荷载和初始缺陷，缺陷敏 感性结构，临界荷载降得多。
粗线——理想结构；
细线——有缺陷结构。
缺陷敏感性结构， 临界荷载降得多。
缺陷不敏感结构， 临界荷载降得少。
二 计算方法：
(1) 连续化理论(“拟壳法”)： 通过刚度等代将网壳转化为连续壳体结构，用弹性
薄壳理论求壳体的位移和内力解析解，再折算出网壳杆 件的内力。
3.7网壳结构 (1)
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。
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
3.7.1 网壳的应用及特点 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。
3.7.6
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：
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.网壳结构(下)
12
方法二：拟壳法 将格构式的球面、柱面网壳比拟为连续的实
体球面、柱面薄壳。 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。
13
方法三：有限元法 将网格结构离散为各个单元，分别求得各单
10
§3.3.2 分析方法
网壳节点通常采用刚性连接，能传递轴力和弯 矩，因而是比网架阶数更多的高次超静定结构。
网壳结构的分析方法有： （1）平面拱计算法 （2）拟壳法 （3）有限元法
11
方法一：平面拱计算法 对于有拉杆或落地的柱壳，可在纵向切出单元
宽度，按双铰拱或无铰拱计算； 对于肋环形球壳，在轴对称荷载作用下，可按
缺陷 值
L=60m，f/L=1/8，r=0 ~ L/100
1.2
1.0
弹性
0.8
弹塑性
0.6
0.4
0.2
0.0 0 L/2000L/1000 L/600 L/500 L/300 L/200 L/150 L/120 L/100
缺陷 值
L=60m，f/L=1/5，r=0 ~ L/100
1. 缺陷值达到L/300时,单层球面网壳的临界荷载趋于稳定； 2. 材料非线性对单层球面网壳的临界荷载有显著影响，根据大量
N
' E
)
f
N、M——作用在杆上的轴力和最大弯矩
A——压弯构件的截面面积
——截面塑性发展系数，可取1.15
4
拱形屋面的风载体型系数
5
风振系数的计算
风振计算的条件：
• 高层、高耸、大跨度屋盖结构：T1>0.25s • 一般建筑物：高度大于30m且高宽比大于 1.5 • 厂房：跨度大于36m 风振计算的方法：
网壳的计算
屈曲后的响应跟踪法，各国学者相继提出一些有 价值的方法，如人工弹簧法、位移增量法、弧长法、 能量平衡法、功增量法、最小残余位移法等。
三 计算要点
1 网壳的受力性能的特点： 1）计算和设计关系紧密
提高制作精度、选择合适的安装方法、控制安装精 度等，一般装配应力是可减少到可以忽略。
装配应力采用空间杆系有限单元法，基本原理与温 度应力相似，把杆件长度的误差比拟为由温度引起的伸 长或缩短。
五 网壳的稳定计算
1 网壳的失稳现象 （1）整体失稳：几乎整个结构都偏离平衡位置，发
生较大的几何变位。 （2）局部失稳：只有局部结构出现偏离平衡位置发
需经历设计——计算——再设计——再计算的反复 过程。
2）网壳设计中优劣的评定准则 a) 经济指标 b)结构敏感性及达到极限承载力的安全储备 c)网壳的延性指标 d)是否便于施工安装等。
3）网壳的几何非线性现象比较明显。
杆件间的连接，有铰接和刚接。
一般： 双层网壳采用铰接； 单层网壳采用刚接。 铰接网壳采用空间铰支杆单元有限单元法；刚接网
非线性分析包含两个方面：一是几何非线性；二是 物理非线性。
结构的后屈曲性能与初始缺陷敏感性密切相关，对初始缺陷 敏感的结构，稳定承载力由屈曲后性能所决定。
网壳结构非线性效应的全过程分析，采用自动增量迭代法， 考虑荷载水平确定，临界点判别及后屈曲路径的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ踪。
在增量迭代过程中需要选择独立的参数作为控制 系数，荷载是最广为选取的控制系数，在屈曲前十分 有效。
第二节 网壳 (Latticed Shells) 设计的要点
一 概述
空间网格结构非线性稳定分析网壳设计
单层双曲抛物面网壳: l 60mm; 单层椭圆抛物面网壳: l 50mm。 同时, 应注意网格形式, 三角形网格面内刚度大, 四边形网格面内刚度小。
Mar.2016
第13页/共223页
210-12
荷载条件 非对称荷载, 单层网壳易失稳, 宜用双层网壳。
按荷载规范确定: wk = z r s z wo wk — 风荷载标准值 (kN/m2) z — 风振系数 r — 重现期系数——老规范采用, 新规范已取消 s — 风荷载体型系数 z — 风压高度变化系数 wo — 基本风压 (kN/m2)
风荷载分项系数: G = 1.4 通常大型结构应进行风洞试验; 较柔结构应注意风振。
Mar.2016
p/pcr
w
线性屈曲 非线性屈曲
完整球壳分支屈曲临界点 球冠壳分支屈曲临界点
第29页/共223页
210-28
p/pcr
线性屈曲 非线性屈曲
完整球壳分支屈曲临界点 球冠壳分支屈曲临界点 球冠壳极值点
Mar.2016
第30页/共223页
w
210-29
>7后, 球壳的初屈曲路径愈来愈接近线性。随着 的 增加, 球壳在屈曲前阶段的变形在边界附近一个较窄的范围 (象脚模式), 表现出较强的不均匀性(或不对称性), 然而将不 再改变平衡路径的性状及分支点的位置。
Mar.2016
第10页/共223页
210-9
(3) 支座沉降与强迫就位
支座沉降: 常为土建施工误差所致, 超静定引起自应力
强迫就位: 制作和安装误差所致 (构件尺寸、支座位置) 超静定引起自应力
Mar.2016
第五章网壳结构
二向正交型 双曲抛物面网壳
五．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。
1. 双层网壳可采用铰接节点，单层网壳采用刚接节点；
2. 双层网壳适合大中跨度的结构，中小跨度可采用单层 网壳；
3. 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；
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： ① 加水平拉杆； ② 结构落地； ③ 增加下部柱的刚度； ④ 利用下部结构吸收推力。
二．计算方法 网壳结构的分析不仅仅是强度的分析，通
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
三．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：
大英博物馆
肋环型球面网壳
施威德勒球面网壳
单层球 联方型球面网壳
面网壳 三向网格型球面网壳
（c） 联方型（d）三向网格型（e） 交叉斜杆型
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
2. 双层柱面网壳
第五章 网壳结构
一．网壳结构的形式与选型 二．网壳结构分析 三．网壳结构的杆件设计和节点构造 四．网壳结构的施工和验收
大跨度空间网格结构常用安装方法及
㊃施工技术㊃钢结构(中英文),37(10),43-49(2022)DOI :10.13206/j.gjgS 21100901ISSN 2096-6865CN 10-1609/TF大跨度空间网格结构常用安装方法及新思路∗张在晨㊀贾新卷㊀胡晨晞㊀莫海钊(中国建筑第四工程局有限公司,广州㊀510665)摘㊀要:近年来,大跨度空间网格结构在航站楼㊁会展中心㊁体育馆等城市大型公建项目中得到了广泛的应用㊂伴随着新型结构形式的不断涌现,现场安装也面临着巨大挑战㊂通过对近年来空间网格结构典型案例梳理及几种常用安装方法的优㊁劣势分析,发现现有安装方法在实际应用中均存在一定的局限性㊂因此,亟需对更高效的安装技术展开深入研究㊂以国际FIFA 标准建设的广州10万座足球场项目,是国内罕见的球场与商业结合㊁场心下设地下室的体育文化综合体项目㊂项目设计灵感来源于 并蒂莲 ,取其 含苞待放又紧紧相拥 的优美形态,造型别致㊂钢罩棚最高点标高为88.600m ,最大悬挑长度约91m ,自上而下布置3层菱形花瓣状体块,每层花瓣造型由12个单元构成,单根杆件长度可达40~64m ,形成巨型带肋空间折板网格结构㊂在分析现有的高空原位安装㊁累积滑移安装等方法后,发现存在临时措施量大㊁交叉作业多㊁质量控制难等问题㊂借鉴桥梁竖转安装思路,提出空间网格结构的负角度竖转安装方法㊂其核心步骤为:低位拼装 竖转到位 嵌补合龙 同步分级卸载㊂而后,对竖转界面及单元划分㊁竖转系统设计㊁转铰构造等关键节点进行分析㊂基于此,利用MIDAS /Gen 大型结构有限元分析软件,对竖转过程关键施工阶段的变形及受力进行施工模拟验算,并与设计施工阶段的结果进行对比,以此验证竖转安装方法的可操作性㊂分析结果表明:卸载后的钢罩棚整体变形模拟值与设计值基本吻合;竖转法安装技术在安全㊁质量㊁临时措施量及进度控制等方面相较于常规的安装方法均具有一定优势,在大跨度空间网格结构的安装中具有广泛的应用前景和实用价值㊂关键词:空间网格结构;钢结构安装;竖向转体;数值分析∗中建四局科技研发项目(CSCEC4B-2021-KTA-15)㊂第一作者:张在晨,男,1989年出生,硕士,工程师,一级建造师㊂Email:408163251@ 收稿日期:2021-10-090㊀引㊀言国内大跨空间钢结构历经70余年的发展已初具规模[1]㊂空间钢结构可由板壳㊁梁㊁杆㊁索膜等单元组成㊂具体则可分为薄壳结构㊁网架结构㊁网壳结构㊁悬索结构和膜结构等五大类㊂一般地,平板型网架结构和曲面型网壳结构可并称为空间网格结构[2]㊂由于空间网格结构具有建筑表现力出色㊁受力特点明确㊁加工安装便捷高效等特点,目前已广泛应用于城市各类公共建筑中,如机场航站楼㊁会展中心及体育场馆等[3-7]㊂近年来我国的典型空间网格结构项目汇总见表1㊂但随着新型结构形式的不断涌现,前述的空间网格结构的定义已难以涵盖所有的结构形式㊂与此同时,也给钢结构的现场安装带来了巨大的挑战㊂鉴于此,本文先对近年来我国空间网格结构的常见安装方法及其应用的优劣势进行梳理和总结㊂在此基础上,以目前在建的广州10万座足球场项目为依托,对巨型带肋折板形空间网格结构的设计方案提出了竖向转体法的安装新思路,并对其具体的实现路径进行剖析㊂研究工作可为后续空间网格结构的安装㊁实施提供一些新视角㊂1㊀大跨度空间网格结构的常用安装方法目前,钢结构的主要安装方法有:原位安装㊁吊装㊁滑移㊁提升等㊂各安装方法的优劣势分析见表2㊂由于结构形式复杂,而既有的㊁成熟的安装方法张在晨,等/钢结构(中英文),37(10),43-49,2022㊀㊀表1㊀典型空间网格结构项目汇总Table 1㊀Summary of typical spatial grid structure projects编号类别项目名称屋盖尺寸/m结构形式安装方法建成年份1航站楼北京首都机场T 3B958ˑ775双曲面抽空三角锥混合节点网架吊装+原位安装2007天津滨海国际机场T 2700ˑ402双层双曲面焊接球网架吊装+提升2013深圳宝安国际机场T 31128ˑ640自由曲面斜交斜放双层网壳原位安装2013郑州新郑国际机场T 2319ˑ263正交斜放四角锥空间网架累积提升2015重庆江北国际机场T 3A 279ˑ393(窄)㊁401ˑ456(宽)正交正放四角锥空间网架累积滑移2017北京大兴国际机场568ˑ455(核心区)不规则自由曲面空间网格提升+原位安装20192体育场馆深圳大运会体育馆285ˑ270单层折面空间网格累积滑移2010郑州奥体中心体育馆311.6ˑ291.5环向悬臂索承网格累积滑移2019杭州奥体中心亚运三馆600ˑ360斜交斜放空间网壳吊装+提升2020表2㊀安装方法优劣分析Table 2㊀Analysis on the strengths and weaknesses of the installation methods方法优势劣势高空原位安装法1)无需大型起重设备2)适用范围广,安装㊁卸载控制便利1)现场及高空作业量大,需搭设大量支架2)安装质量控制难3)与土建施工组织协调难度大分条(块)安装法1)高空作业量㊁拼装胎架量少2)可充分利用起重设备吊装过程需要单元保持一定角度,一般用于分割后结构刚度和受力状态改变较小的钢结构屋盖高空滑移法1)可与其他土建工程平行作业,节约总工期2)端部拼装支架可为其他作业提供空间3)设备简单,无需大型起重设备4)适用狭小场地或需跨越其他结构1)滑移安装精度受预先搭设轨道影响大,轨道平整度要求高,容易卡轨2)在高空搭设平台,效率较低且拼装工期长3)高空操作人员安全难以保证整体吊装法地面组拼易于保证焊接质量和几何尺寸准确性1)需要大型起重设备2)对地基承载力要求较高,会影响土建施工作业整体提升法可将各分项工程在最有利的高度施工,节省费用;所用设备小1)限于垂直吊装,不便于水平移动2)对地基承载力要求较高,会影响土建施工作业在应用过程中也存在一定的局限性,大多项目需要考虑分区施工,并分别采取针对性的一种或多种施工方法㊂这给现场安全㊁质量㊁进度控制及施工组织带来了极大的难度㊂鉴于此,亟需制定针对大跨度空间网格结构的新型安装方法,以满足不断变化的工程实际的需求㊂2㊀工程概况广州10万座足球场项目占地面积为15.09万m 2,总建筑面积为53.43万m 2,是国内第一个球场与商业结合㊁场心下设地下室的体育文化综合体项目㊂建成后将是世界上规模最大㊁配套最全㊁座位数最多的顶级专业足球场(图1)㊂图1㊀足球场场内透视Fig.1㊀Perspective view of the football field其中,巨型带肋空间折板网格结构的设计方案如下:钢罩棚平面约呈椭圆形,尺寸约为325m ˑ287m,最大悬挑长度约为91m(图2)㊂混凝土看台最高点53.64m,钢罩棚最高点88.6m㊂图2㊀钢罩棚结构尺寸㊀mFig.2㊀Structural dimension of the steel awning钢罩棚自下而上由3层花瓣状体块构成,每层花瓣含12片菱形单元,共计36片花瓣㊂结构构件沿每层花瓣轮廓线布置,单根杆件长度为40~64m㊂其主要节点形式见图3㊂大跨度空间网格结构常用安装方法及新思路图3㊀钢罩棚结构主要节点形式Fig.3㊀Main joints of the steel awning钢罩棚整体设计为落地壳体,上拉力环处通过设置摇摆柱与顶层混凝土看台铰接(图4)㊂同时,对水平向构件设置肋杆以增强壳体竖向刚度,并在中部开口处设置内压环桁架保证力流连续,设置外压环桁架解决折板环向受力不均的问题㊂3㊀竖转法安装新思路3.1㊀新思路提出的原因由于巨型带肋空间折板网格结构形式复杂,目㊀㊀图4㊀看台剖面Fig.4㊀Profile of the grandstand前往往采用传统的高空原位安装㊁累计滑移安装等方法㊂这些方法存在支撑胎架量大㊁高空作业多㊁焊接质量控制难等一系列问题㊂鉴于此,将桥梁竖转法的施工思路[8-9]应用于空间钢结构领域㊂经过详细论证,可将钢罩棚竖转法拆解为:低位拼装㊁竖转到位㊁嵌补合拢㊁同步卸载等4个核心施工步骤㊂其关键在于界面及单元划分㊁竖转(转动)系统设计㊁转铰构造㊁转体过程的稳定控制㊂其安装方法的对比如表3所示㊂具体来说,竖转法的优势主要有:1)安全性好㊂卧拼施工将高空作业改为中低空作业,可有效规避高处坠落等安全风险㊂2)焊接质量可控㊂传统安装方法施工周期长,㊀㊀表3㊀屋盖罩棚安装方法对比Table3㊀Comparisons of the installation methods施工方法适宜性实施难易安装工效难点优势劣势提升+高空原位安装良优良高空作业精度控制要求高方案成熟,质量㊁安全㊁进度基本可控累积滑移安装良良中滑移措施量大可减少操作平台措施用量㊁节约场地处理和管理费用1)胎架量大㊁搭设时间长2)高空作业多㊁安装效率低3)穿插工序多㊁施工组织难度大4)提升和原位安装工序搭接要求高竖转法安装优良优尚无应用经验节约措施量㊁效率高㊁利于工期控制;高空吊装㊁焊接作业少,强对流天气影响小1)敏感因素多,组拼精度控制要求高2)房建领域未有竖转安装先例,实施难度大且日间温度高㊁昼夜温差大,强降雨等极端天气对焊接质量影响大㊂中低空作业大大减少了构件分段分节数量,对于焊接质量控制更为有利㊂3)临时措施量减少㊂低空卧拼大幅降低了支撑胎架的高度,相较于原位安装至少可节约1500t 胎架量㊂4)进度快㊂当中低区看台施工完成后,立面罩棚提前插入施工,履带吊及塔吊配合作业可大大减少钢构件分段数㊂另外,竖转单元之间后期嵌补杆件数量少,相较于原位安装至少可节约2个月工期㊂3.2㊀钢罩棚界面及单元划分钢罩棚界面划分的目的是确定需要竖转的杆件界面位置㊂具体可按图5方式划分:以上拉力环为界,将钢罩棚分为屋盖罩棚(不含上拉力环)和立面罩棚;以外压力环为界,将屋盖罩棚细分为内罩棚(含外压力环)和外罩棚㊂其中,立面罩棚采用高空原位安装,屋盖罩棚采用竖转法安装㊂钢罩棚单元划分的目的是在界面划分的基础上,确定一次性竖转的主体㊂当主体确定后,可明确竖转系统空间布置方式㊂按图5b钢罩棚可划分为8个竖转单元,共有3种不同类型单元(A~C)㊂施工中对称单元同步竖转,效率高㊁补杆少㊂3.3㊀竖转系统设计3.3.1㊀空间布置在借鉴桥梁竖转法的基础上,确定竖转安装主要流程见图6(由于东西侧对称,图中仅显示一半): 1)穿插施工准备㊂混凝土看台施工至一定高度后,立面罩棚㊁卧拼胎架提前插入施工(图6a)㊂张在晨,等/钢结构(中英文),37(10),43-49,2022a 界面划分;b 单元划分㊂图5㊀钢罩棚界面及单元划分Fig.5㊀Interface and unit division of the steel awning 2)竖转单元卧拼㊂在卧拼胎架上自下而上分段逐步拼装竖转单元㊂而后,布置抗滑移限位装置及转铰㊂转铰应在同一个标高且同心共轴(图6b)㊂3)动力设备安装㊂在竖转单元内压力环上设置提拉点㊁安装监控仪器,在提升架上安装提升设备并进行初步调试㊂而后,用斜拉索㊁对拉钢绞线等将其连接完备(图6c)㊂4)单元试竖转㊂待所有前述工序完成后,在无风(微风)且天气良好时,检查竖转体系是否完整㊁良好,方可解除限位装置㊂通过提升架上的动力设备将竖转单元试转100mm后静置1d(图6d)㊂5)单元竖转到位㊂按照拟定的提升速度将竖转单元竖转到设计标高(对称的竖转单元同步操作)㊂待竖转至设计标高后,安装限位装置,封装转铰使其与立面罩棚形成整体受力体系(图6e)㊂6)连接杆件嵌补㊂嵌补安装8个竖转单元之间的剩余杆件,使钢罩棚形成整体㊂7)罩棚分级卸载㊂逐步同级释放动力设备提供的荷载(钢罩棚卸载)㊂而后,拆除临时支撑胎架,完成钢罩棚施工(图6f)㊂为节约卧拼状态下临时胎架用量㊁降低其高度,a 穿插施工准备;b 竖转单元卧拼;c 动力设备安装;d 单元试竖转;e 单元竖转到位;f 罩棚分级卸载㊂图6㊀竖转安装流程Fig.6㊀Flow charts of vertical rotationsystem图7㊀竖转系统空间细部布置Fig.7㊀3D detailed layout of vertical rotation system其竖转角度宜尽可能取大值㊂结合钢构件竖转过程中的碰撞检查及结构设计线型,提升架设置在场心,单元的竖转角度控制在50ʎ左右(水平面以下的负角度约为35ʎ)㊂竖转过程中布置于提升架顶部的动力设备允许一定量的滑移㊂此外,为消除竖转过程中水平力的影响,提升架间布置对拉钢绞线,竖转系统空间细部布置见图7㊂3.3.2㊀设备配置根据数值模型得到竖转过程中提升架拉索轴力计算值,并以此配置合适的动力设备,具体见表4所列㊂根据以上计算结果可知,2个提拉点按最大轴力12752.4kN配置设备及钢绞线㊂图8中的动力设备竖转能力已满足GB51162 2016‘重型结构和大跨度空间网格结构常用安装方法及新思路㊀㊀表4㊀竖转过程中提升架拉索轴力计算值Table 4㊀Cable axial force of lifting frameduring vertical rotation单元最大值/kN 最小值/kN 动力设备储备系数A 10264.59980.32台LSD 5000-400 1.95B 12752.412519.03台LSD 3500-300 1.65C9905.49658.32台LSD 5000-4002.02图8㊀动力设备Fig.8㊀Power equipment设备整体提升技术规范“中1.25倍的富余度要求㊂3.4㊀转铰构造由于钢罩棚单元构件重㊁转铰受力大,故施工时先将立面罩棚构成环向受力整体后,再将竖转转铰布置于上拉力环杆件节点区㊂转铰构造遵循安全稳定㊁转动灵活㊁便于安装等原则㊂根据现有设计图纸,有两类转铰节点:一类为A㊁C 单元的左㊁右转铰(11杆相连)㊁另一类为B 单元的左㊁右转铰(7杆相连)㊂以A㊁C 单元端部的转铰节点为例,其具体构造见图9㊂图9㊀转铰细部构造Fig.9㊀Detail structure design of vertical hinge实际施工过程中,应力控制的关键点在于耳板与内部加劲板结合部位的处理及焊接工艺上的困难,故仍需结合节点深化图纸进行细化㊂此外,竖转过程中稳定性控制要求高,需制定专项的控制措施,包括但不限于:1)卧拼阶段胎架抗滑移措施㊂在钢构件底部焊接钢制卡码,钢结构定位完成以后将卡码焊接在结构上,与胎架鞍座相抵(图10);防倾覆措施:a.卧拼胎架由低看台区向高看台区进行径向㊁环向布设,卧拼胎架与土建主体结构采用钢板埋件进行刚性焊接连接,同时相邻胎架通过设置水平或者斜向连接支撑连成整体;b.竖转分段卧拼施工过程中,拼装平台下弦平面须满铺安全网,拼装施工须合理张拉布设安全绳,采用木制跳板或者钢跳板搭设临时双向施工通道㊂图10㊀胎架抗滑移措施示意Fig.10㊀Schematic diagram of anti sliding measures formoulding bed2)竖转阶段稳定性措施㊂在竖转过程中,为保证结构吊装安全,应尽量保证各个提升点的液压提升设备配置系数基本一致,且应确保竖转结构的空中稳定,以便竖转单元能正确就位,也即要求各个提升点在竖转过程中能够保持一定的同步性㊂4㊀竖转施工阶段模拟4.1㊀数值计算模型概况采用MIDAS 结构有限元软件建立竖转法施工阶段分析模型㊂计算模型由7522个节点和8314个单元组成,截面尺寸选取与设计方案保持一致㊂计算模型中主结构构件均采用梁单元模拟㊂对于摇摆柱,采用释放梁端约束形式表征其受力特点㊂边界支座设置分为两部分:一是钢罩棚通过摇摆柱支承于混凝土看台顶,二是钢罩棚立面铰接支承于正负零混凝土核心筒端柱顶㊂在对应位置处杆件底端均施加三向位移约束㊂由于为施工阶段模拟,仅施加自重荷载,同时考张在晨,等/钢结构(中英文),37(10),43-49,2022虑加劲板㊁焊缝㊁吊耳㊁临时连接板等导致的重量增幅系数1.2㊂变形限值为L /125,其中L 为最大悬挑长度,钢结构应力限值为305~375MPa(厚度不同,限值不同)㊂其主结构有限元模型如图11所示㊂图11㊀主结构有限元计算模型Fig.11㊀FEM model of the primary structure模拟的主要施工阶段如下:施工阶段1:立面罩棚原位安装,整体成环(图12)㊂a 总位移,mm;b 最大组合应力,MPa㊂图12㊀施工阶段1模拟Fig.12㊀Simulation of construction stage 1施工阶段2:使用竖转装置将钢罩棚8个单元对称竖转到位(图13)㊂施工阶段3:高空散装8个单元之间的剩余杆件,钢罩棚结构合拢(图14)㊂施工阶段4:钢罩棚同步分级卸载(图15)㊂4.2㊀结果分析由于目前尚未完成钢结构现场施工,计算得到的主体结构最大变形为396.50mm,在施工阶段4时的悬挑端部位置处;最大压应力为116.27MPa,在施工阶段3时的内压力环处;最大拉应力为149.85MPa,在施工阶段4时的上㊁下拉力环处㊂对a 总位移,mm;b 最大组合应力,MPa㊂图13㊀施工阶段2模拟Fig.13㊀Simulation of construction stage2a 总位移,mm;b 最大组合应力,MPa㊂图14㊀施工阶段3模拟Fig.14㊀Simulation of construction stage 3应有限元计算的变形及应力均在限值范围内,也验证了安装方法的适用性㊂5㊀结㊀论针对巨型带肋空间折板形网格结构安装存在的实际问题,提出了负角度竖向转体的新型安装方法㊂这一方法在安全㊁质量㊁临时措施量及进度等方面较之于常规安装方法均具有一定的优势㊂但由于尚未有成功的先例,且项目自身的施工风险较大,其施工组织设计仍需结合调整的设计图纸作进一步深化㊂此外,在实施过程中,应注意做好相关的监测工作,大跨度空间网格结构常用安装方法及新思路a 总位移,mm;b 最大组合应力,MPa㊂图15㊀施工阶段4模拟Fig.15㊀Simulation of construction stage4以确保竖转法的正常实施㊂参考文献[1]㊀蓝天.中国空间结构七十年成就与展望[J].建筑结构,2019,49(19):5-10.[2]㊀董石麟,赵阳.论空间结构的形式和分类[J].土木工程学报,2004,37(1):7-12.[3]㊀张晋勋,李建华,段先军,等.北京大兴国际机场航站楼核心区超大平面复杂空间曲面钢网格结构屋盖综合施工技术[J].施工技术,2019,48(8):66-68,81.[4]㊀徐士杰,王正云,朱云飞,等.重庆江北T3A航站楼复杂钢桁架施工期结构同步滑移控制研究[J].工业建筑,2016,46(增刊):206-210.[5]㊀郭彦林,窦超,王永海,等.深圳大运会体育中心体育场整体模型承载力试验研究[J].建筑结构学报,2010,31(4):1-9. [6]㊀赵宪忠,闫伸,陈以一,等.沈阳文化艺术中心单层折板空间网格结构整体模型试验研究[J].建筑结构学报,2017,38(1):42-51. [7]㊀王磊,厉春龙,成博.万州三峡文化艺术中心大剧院大跨度复杂空间网格钢结构设计[J].建筑结构,2017,47(增刊1):684-691. [8]㊀甄玉杰,王志贤.大跨超宽转体桥总体设计与施工[J].施工技术,2020,49(17):35-38.[9]㊀任为东.大瑞铁路澜沧江特大桥施工关键技术研究[J].铁道标准设计,2021,65(4):82-88.Common Installation Methods and New Ideas of Long-Span Spatial Grid StructuresZaichen Zhang㊀Xinjuan Jia㊀Chenxi Hu㊀Haizhao Mo(China Construction Fourth Engineering Division Corp.,Ltd.,Guangzhou510665,China)Abstract:Spatial grid structure is widely used in large-scale public construction projects in recent years,such as terminal buildings,convention and exhibition centers and gymnasiums,etc.With the growing emergence of new structural form,on-site installation is also facing great challenges.Through combing the typical cases of spatial grid structure in recent years and analyzing the advantages and disadvantages of several common installation methods,it is found that the existing installation methods have certain limitations in practical application.So it is urgent to carry out in-depth research on the new installation technology.Guangzhou football field is built in accordance with international FIFA standards with100000seats.It is a rare sports and cultural complex project in China that combines stadium and business and has a basement under the center of the field.The project design inspiration comes from twin lotus flowers on one stalk ,take its bud and tightly embrace beautiful form,unique shape.The highest point elevation of the steel canopy structure is88.6m,and the maximum cantilever length is about91m.Three layers of diamond petal shaped blocks are arranged from top to bottom and the petal shape of each layer is composed of12units.The length of a single member is40~64m,forming a giant ribbed space folded plate grid structure.After the preliminary analysis of the existing methods of high-altitude in-situ installation and cumulative sliding installation,it was found that there were many problems,such as large amount of measures,many cross operations and difficult quality control.Referring to the idea of bridge vertical rotation installation,a negative angle vertical installation method of spatial grid structure was proposed.The core steps were as follows:low position assembly-vertical turning in place-nesting and closing-synchronous and graded unloading.Then the key points such as vertical rotation interface and unit division,vertical rotation system design and hinge structure were analyzed.From this,MIDAS/Gen software was used to carry out construction simulation calculation of deformation and force in key working conditions of vertical rotation process,and compared with the results of design conditions,so as to verify the operability of vertical rotation installation method.The results showed that the simulated deformation values of steel canopy after unloading were basically consistent with the design pared with conventional installation methods,vertical rotating installation technology had certain advantages in safety, quality,quaitity of temporary measures and schedule control,and had a wide application prospect and practical value in the installation of large-span spatial grid structures.Key words:space grid structure;steel structure installation;vertical rotation method;numerical analysis。
网壳结构优化模型及约束条件
请问，下面哪一个版本是比较合适的呢？版本一1.目标函数：目标函数是要尽量减小的数值，它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值，例如重最轻，应力偏差最小，变形最小等。
以空间网壳的总质量为目标函数。
目标函数可以写为：（3-7）其中，l 为杆件长度。
2.约束条件：(1) 强度约束条件（3-2）(2) 刚度约束条件（3-3）其中，[ λ ]为容许长细比。
对于压杆，[ λ ]为 180；对于拉杆，[ λ ]为 250。
(3) 稳定约束条件对于压杆，应有（3-4）其中，ϕ为轴心受压构件的稳定系数。
(4) 挠度约束条件（3-5）其中，[δ]为容许挠度。
(5) 杆件截面面积尺寸约束条件（3-6）按照 JGJ7-91 的规定，钢管不宜采用小于φ 48m m × 3mm的规格。
因此，本文的数学模型可表示为：（3-8）版本二1.目标函数：将总用钢量最低作为优化的目标函数,表达式如下:式中,W为网壳结构的总用钢量(t)，ρg、ρj、ρ分别为杆件、节点和屋面材料的质量密度(t/m3)，li(m)、Ai(m2)、Vi(m3)分别为杆件的长度与截面积及节点的体积，L、B′和δ为网壳的纵向长度及横向跨度方向的弧长和屋面厚度,ms、ns分别为网壳结构的杆件、节点总数。
2.约束条件：约束条件取各个杆件在各种荷载工况组合下的最大应力不会超过容许应力强度以及A ≥Amin,Amin为网壳杆件截面最小尺寸。
(1)容许长细比条件式中l0i、ii分别为第i根杆件的计算长度和回转半径(mm)。
(2)拉杆强度条件式中Ni、Ai分别为第i根杆件的内力和截面面积，[f]为材料的容许应力。
(3)压杆稳定条件式中φ为轴心受压杆件稳定系数。
(4)杆件构造要求式中di为杆件的直径（mm）；δi为杆件的壁厚（mm）。
版本三1.目标函数：以设计变量杆件截面积Ai(i=1,2,…,m)，节点体积Vj(j=1,2,…,n)。
网壳结构基本理论—04
单层：二向可侧移、一向可侧移、无侧移 或刚接支座、弹性支座
的铰接支座
8.2 网壳结构分析的计算方法及其分类
离散化方法：有限单元法（步骤） 连续化方法：拟壳法（通过刚度等代比拟为光面实体壳， 按弹性薄壳理论得到解析解）。初步设计时可用，可 以利用球面壳或柱面壳的已知解答。 静力荷载效应：有限单元法 动力荷载效应： 地震——振型分解反应谱法、时称分析法
9.2 网壳结构的地震反应分析 9.2.1 网壳的振动方程 （1）基本假定
A、节点完全刚接或铰接 B、质量集中于各节点，只考虑线位移加速度引起的惯 性力，不考虑角位移加速度引起的惯性力 C、质点上的阻尼力与地面的相对速度成正比，不考虑 角速度引起的阻尼力 D、支承网壳的基础按地面的地震波运动 （2）振动方程
风荷载——频域分析法、时称分析法 稳定分析：几何非线性的有限单元法（全过程分析）。 小跨度、规则网壳，标准公式。
8.3 网壳结构分析的有限单元法——空间 刚架位移法
总思路： 8.3.1 基本假定 （1）梁单元为等截面双轴对称直杆
（2）不考虑剪切变形的影响（通常杆件细长） （3）结构符合小变形假定 （4）材料为各向同性的小应变线弹性材料 （5）荷载仅作用在节点上 8.3.2 空间梁单元的坐标系定义及坐标变换矩阵 1、梁单元的坐标系定义 局部坐标系、整体坐标系
K8型：水平地震下的动响应较竖向下的强烈 水平地震设计宜与下部结构一起分析。 9.3.2 双层柱面壳 纵向分布中间最大，边缘及1/3处较小。横向跨中内力最 大。 正方四角锥，沿两纵边固定铰支在上弦节点：
球壳、柱壳动内力分布规律：
（1）水平地震响应大于竖向地震，矢跨比越大越明显 （2）矢跨比增大，网壳动静内力比增大，水平地震内 力影响更为明显 （3）场地土变软，地震响应增大 （4）两纵边支承的柱壳，横向杆件地震内力大于纵向 杆件和腹杆。周边铰支单层球壳，环杆、斜杆地震内 力较大，径向杆件内力小；中心处内力小，边缘大。
网壳结构计算四原则
网壳结构计算四原则
1网壳结构主要包括应对使用阶段的外荷载（包括竖向和水平向）进行内力、位移计算，对单层网壳通常要进行稳定性计算，并据此实施杆件截面设计。
此外，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装载重，应根据详细情况进行内力、位移计算。
2网壳结构的各种荷载取值与组合按现行荷载规范及抗震设计规范确定。
网壳结构中内力和位移计算时认为材料是线弹性的，不重新考虑弹塑性及塑性的影响；网壳结构的稳定性计算由于位移较大要考虑结构几何非线性的影响。
3风荷载往往对网壳的内力和变位有很大影响，当在现行《建筑结构中荷载规范》GB50009拜托不到风荷载体形系数时，应进行模型风洞试验以确定风荷载体型系数。
4双层网壳的计算模型可假定为空间铰接杆系结构，忽略节点刚度的影响，不计次应力；单层网壳的计算模型可假定为空间刚接梁系结构，每根杆件要可承受轴力，弯矩（包括扭矩）和剪力。
作用在网壳上以的局部荷载在分析时先按静力等效原则换算成节点荷载做整体计算，然后考虑局部弯曲内力的影响。
计算长度系数数值计算方法研究
1 概述单层网壳在壳体平面内、外的屈曲模态不同，因此其杆件在壳体曲面内、外的计算长度不同。
关于该部分内容，《空间网格结构技术规程》已给出杆件的计算长度的取值依据并在条文说明中做出解释。
但是目前空间钢结构体型越来越复杂，完全按照规范取值可能导致不安全。
2 数值方法的提出对于刚性节点的网壳，当处于最不利状态的压杆失稳时，其他杆件也随同弯曲，从而对失稳杆件起到约束作用。
与失稳杆件直接相连的杆件约束作用大，相距较远的杆件约束作用小，相连杆件约束作用的大小取决于它的线刚度和受力状态。
同时，荷载的分布模式对杆件屈曲也有非常大的影响。
所以，合理确定荷载分布模式和周围杆件对目标杆件的约束程度是较为精确的数值计算的前提。
基于弹性理论的计算杆件的计算长度稀疏的数值方法主要有以下两种：1， 基于整体模型中对目标杆件施加单位力的求解方法，以下简称为整体模型单位力法（）； 2， 基于目标杆件单体模型的弹簧约束刚度系数法，以下简称为目标杆件弹簧系数法（）；2.1整体模型单位力法（）的求解步骤1， 在整体模型中，沿构件两端施加一对轴向单位压力；2， 在此工况下，对整体模型进行弹性屈曲分析，可以得到杆件局部屈曲时的临界荷载系数和静力分析时对应的杆件轴向压力，两者的乘积即为杆件局部凹陷失稳的临界荷载值cr P ； 3， 根据欧拉临界荷载的计算公式()22L EI P cr μπ=便可以反算出杆件的计算长度系数μ。
2.2目标杆件弹簧系数法（）的求解步骤利用该方法求解计算长度系数的步骤如下：1， 在整体模型中删除目标杆件，在删除的目标杆件两端节点上分别施加Fx1、Fy1、Fz1、Mx1、My1、Mz1、Fx2、Fy2、Fz2、Mx2、My2、Mz2共12组力，每组力作为一种单独工况； 2， 计算分析得到每组力下相对应方向下的位移，通过...∆=K F 矩阵运算，从而可得到目标杆件的约束弹簧钢度系数； 3， 建立单个目标杆件模型，保证杆件的局部坐标系和整体坐标系的对应关系，将上述所得的弹簧系数作为边界条件施加在目标杆件上； 4， 沿目标杆件两端施加一对轴向单位压力；5， 在此工况下，对整体模型进行弹性屈曲分析，可以得到杆件局部屈曲时的临界荷载系数和静力分析时对应的杆件轴向压力，两者的乘积即为杆件局部凹陷失稳的临界荷载值cr P ； 6， 根据欧拉临界荷载的计算公式()22L EI P cr μπ=便可以反算出杆件的计算长度系数μ。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录1、引言................................................................................................................................ - 2 -1.1、工程概况............................................................................................................. - 2 -1.2、分析方法及内容................................................................................................. - 2 -2、数值计算方法................................................................................................................ - 2 -2.1、空间杆系有限单元法......................................................................................... - 3 -2.1.1空间杆系有限单元法的基本原则............................................................. - 3 -2.1.2、空间杆系有限单元法的基本过程.......................................................... - 3 -2.2、平面问题有限单元法......................................................................................... - 3 -2.2.1、连续体的离散化...................................................................................... - 4 -2.2.2、单元分析.................................................................................................. - 4 -2.2.3、整体分析.................................................................................................. - 4 -2.3、计算程序简介..................................................................................................... - 5 -3、计算模型及计算参数.................................................................................................... - 5 -3.1、计算模型............................................................................................................. - 5 -3.2、计算单元的选取................................................................................................. - 7 -3.3、计算参数选取..................................................................................................... - 7 -3.3.1、杆件计算参数选取.................................................................................. - 7 -3.3.2、荷载参数的选取...................................................................................... - 7 -3.3.3、荷载组合效应........................................................................................ - 11 -4、大跨空间结构的校核.................................................................................................. - 13 -4.1、各种荷载作用下的效应................................................................................... - 13 -4.2、强度校核........................................................................................................... - 16 -4.３、变形校核......................................................................................................... - 17 -5、焊接空心球的受力分析.............................................................................................. - 17 -6、总结.............................................................................................................................. - 20 -1、引言大跨度结构近年来得到日益广泛的应用，被用作各种公共建筑的屋盖、雨棚等，其结构形式多为空间桁架杆件体系或空间梁系组成的网架或网壳，结构材料一般为钢材。
各类空间结构之所以得到迅速的发展和应用，是由于其具有如下优点：结构组织灵活，建筑造型美观，规律性和节奏感强；结构受力合理，抗震性能优异，设计计算简便，精确计算有现成的空间桁架位移法程序，施工图绘制简单；加工制作机械化程度高，有利于工业化、定型化及商品化。
1.1、工程概况本工程位于北京市某大学的校园内部，作为学校的体育馆，除了要满足基本的建筑功能及建筑审美要求外，还应当在结构科学实用的原则下，优选经济合理的建筑体型。
本工程采用的是凯威特型的空间网壳结构，网壳的球面半径50.0m，跨度约60m，矢跨比1：6。
该网壳是单层球面网壳，网壳结构的所有杆件均采用Ф83.0*4.0的Q235钢管，杆件之间采用空间节点空心球连接。
1.2、分析方法及内容本报告主要对该结构进行两个方面的分析。
第一，分析凯威特型空间网壳结构在自重、活荷载、风荷载、雪荷载、以及地震作用下的效应，并通过荷载的效应组合校核该空间结构的强度及变形是否满足规程要求。
第二，焊接空心球在杆件轴力的作用下的受力分析，该问题属于三维实体结构的弹性力学的空间问题，空间弹性力学问题一般情况下很难得到解析解，有限单元法是解决这类问题的有效手段。
2、数值计算方法对于空间网壳结构，无论其结点采用螺栓球结点，还是采用具有一定刚度的焊接球节点，只要荷载作用在节点上，构件内力则主要以轴力为主，而考虑节点刚度所引起的构件弯矩通常很小。
因此，网壳通常可以采用空间杆系有限单元法求节点位移和杆件内力。
焊接空心球的属于弹性力学的空间问题，有三个位移分量、6个应力分量，但其分析方法与平面问题或轴对称问题完全类同。
即经过结构离散为单元、找单刚、组总刚、引入边界条件、求解以及结果分析等环节。
2.1、空间杆系有限单元法空间杆系有限单元法也称空间桁架位移法，空间杆系有限单元法是计算精度最高的一种方法，适用于各种类型、各种平面形状、不同边界条件的网架，静力荷载、地震作用、温度应力等工况均可计算。
网架的节点为空间铰接节点，杆件只承受轴力；结构材料为完全弹性，在荷载作用下网架变形很小，符合小变形理论。
2.1.1空间杆系有限单元法的基本原则第1条空间桁架位移法是以网架节点的三个线位移为未知量、所有杆件为承受轴向力的铰接杆系有限元法，并利用电子计算机进行内力和位移计算。
第2条当网架结构和外荷载有N个对称面时，可利用对称条件只需分析1/2N网架。
在计算时，对称面内各杆件的截面面积应取原截面面积的一半，N 个对称面交线上的中心竖杆，其截面面积应取原截面面积的1/2N；对称面内节点荷载亦应按相同原则取值。
第3条在对称荷载作用下，对称面内网架节点的反对称位移应取为零。
在计算时应在相应方向予以约束；与对称面相交的杆件，作为结构分析的处理方法可将该交点作为一个节点并在三个方向予以约束；交叉腹杆或人字腹杆的交点位于对称面时，亦应作为一个节点并在两个水平方向予以约束。
在反对称荷载作用下，对称面内网架节点的对称位移应取为零。
第4条网架杆件截面可先根据经验或参照已建工程或由简化计算方法估算确定，计算后应按内力重新设计调整截面，并进行重分析，重分析次数宜取3～4次。
2.1.2、空间杆系有限单元法的基本过程结构分析师有限元方法最初的也是最重要的应用领域。
用有限单元法解决结构问题的基本过程可以概括为如下的一些环节：◆结构离散化为有限个单元的组合体◆进行单元分析，得到其节点力和节点位移之间的关系（单元刚度方程）◆进行结构分析，得到结构的节点力和节点位移之间的关系（结构刚度方程）◆引入约束条件，排除系统的刚体平移和转动。
◆求解线性代数方程组，得到节点位移。