第五章网壳结构
网壳结构课程课件
2、菱形（无纬向杆联方型网壳）
由左斜杆和右斜杆组成菱形网格的网壳，两斜杆的两角为30～50，其造 型优美，通常采用木材、工字钢、槽钢和钢筋混凝土等构件建造。
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3、三角形（有纬向杆联方型、施威德勒型） 为了增强无纬向联方型网壳的刚度和稳定性能，可 加设纬向杆件组成三角形网格。使得网壳在风载及 地震灾害作用下具有良好的性能。从受力性能考 虑，球面网壳的网格形状最好选用三角形网格。
• 40米以下可采用单层网壳，跨度大可采用双层网壳。
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替
• 按材料分：木网壳、钢筋混凝土网壳、钢网壳、铝合金网壳、塑 料网壳、玻璃璃钢网壳等。 主要发展趋势是轻质高强材料的大量使用。 材料的选择取决于网壳的型式、跨度与荷载、计算模型、 节点体系、材料来源与价格，以及制造与安装条件等。
塑料网壳及其它材料 塑料在国外已开始应用于网壳结构。塑料的重量轻、强度高、透 明或半透明，耐腐蚀、耐磨损，易于工厂加工制造。
网壳结构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。 建筑平面上，可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、三 角形、扇形以及各种不规划的平面； 建筑外形上，可以形成多种曲面，如球面、椭圆面、旋转抛物 面等，建筑的各种形体可通过曲面的切割和组合得到； 结构上，网壳受力合理，可以跨越较大的跨度，由于网壳曲面 的多样化，结构设计者可以通过精心的曲面设计使网壳受力均 匀；施工上，采用较小的构件在工厂预制，工业化生产，现场 安装简便快速，不需要大型设备，综合经济指标较好。
木材较早应用于球面和柱面网壳，其中有肋环形和联方型网壳 最多。层压胶合木广泛用于建造体育馆、会堂、音乐厅、谷库 等网壳。木材的最大优点是经济，易于加工制造各种形式。目 前世界上跨度最大的木网壳跨度达162m。
网架、网壳结构
斜放四角锥
星形四角锥
10.3.3 双层筒网壳
• 按几何组成规律分类
– 三角锥体系双层筒网壳
• 由三角锥单元按一定规律连接而成。
三角锥
抽空三角锥
蜂窝形三角锥
10.3.3 双层筒网壳
• 按弦杆布置方向分类
梁式筒网壳
10.3.2 单层筒网壳
• 形式与特点
– 以网格的形式及其排列方式分类
• 联方网格型筒网壳 • 弗普尔型筒网壳 • 单斜杆型筒网壳 • 双斜杆型筒网壳 • 三向网格型筒网壳
7.2.1 单层筒网壳
• 联方网格型筒网壳
– 受力明确
• 屋面荷载从两个斜向拱的方向传至基础；
– 室内呈菱形网格，美观大方 – 稳定性较差； – 每个节点连接的杆件数少，
L1/L2≤1.5 矩
星形四角锥网架
＞60m
两向正交正放网架、两向正交斜放网架、正放 四角锥网架、斜放四角锥网架
形 1.5＜L1/L2≤2
两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽 空四角锥网架、斜放四角锥网架
L1/L2＞2
两向正交正放网架、正放四角锥网架、正放抽 空四角锥网架、单向折线形网架
圆形、多边形
• 焊接技术日趋完善，高强钢材不断出现，电算技术突 飞猛进，给网壳准备了物质基础；
• 网壳结构具有其非凡的优越性，近30年来，以钢结构 为代表的网壳结构得到了很大的发展。
• 网壳结构多用于大跨度，目前已经发展成为大跨结构 中应用普遍的结构形式之一。
• 网壳结构的优点
– 1.网壳结构的构件主要承受轴力，结构内力分布比 较均匀，应力峰值较小，因而可以充分发挥材料强 度作用。
壳，跨度大时，则采用双层网壳。
• 单层网壳
网壳结构简介
网壳结构设计简介戚 豹徐州建筑职业技术学院土木工程系第五章网壳结构设计简介网架结构是一个以受弯为主体的平板，可以看作是平板的格构化形式。
而网壳结构则是壳体结构格构化的结果，以其合理的受力形态，成为较为优越的结构体系。
可以说，网壳结构不仅仅依赖材料本身的强度，而且以曲面造型来改变结构的受力，成为以薄膜内力为主要受力模式的结构形态，能够跨越更大的跨度。
不仅如此，网壳结构以其优美的造型激发了建筑师及人们的想象力，随着结构分析理论以及试验研究的不断深入，计算技术的不断提高和增强，越来越多的建筑采用了这种结构型式。
5.1 网壳结构的常用形式5.1.1 网壳结构的基本曲面及形成1．网壳的型体网壳结构的型体是指网壳的形状、曲面形式和杆件的布置。
如果型体设计合理，可以使得结构在已知条件下可能达到最大的规模，受力合理、安全储备高、美观、制造和安装简易、节省材料、经济实用等。
国际薄壳与空间结构协会（IASS）创始人、西班牙著名结构工程师托罗哈认为：“最佳结构有赖于其自身受力之型体，而非材料之潜在强度。
”也就是说，网壳结构凭借其型体的合理性，才能成为一种最为优越的结构。
因此，网壳结构的型体已经成为当今建筑师与结构工程师的重要研究课题。
在进行网壳结构设计和型体创新时，首先必须了解曲面的几何形式、物理性质及其工作特性。
通常，我们把曲面分为两大类：1）典型曲面典型曲面，也称几何学曲面。
某些曲面不管其形式如何，也不管它是如何形成的，总可以用几何学方程表示出来。
比如，用圆弧线、双曲线、抛物线、椭圆线和直线等表示出的曲面并可以用微分方程求解的，都属于典型曲面。
国内外采用这种曲面已经建造了大量形体优美、经济合理的建筑。
如果再将这些曲面进行适当的切割或组合，还可以构成更多的型体，创造出新颖的网壳结构。
2）非典型曲面非典型曲面，亦称非几何学曲面。
某些曲面不能以简单的几何学方程来表示。
非典型曲面最初是建筑师为了使空间结构的型体有所创新，达到建筑造型能自由地发挥而发展起来的，最早应用于钢筋混凝土薄壳结构。
网壳结构
网壳结构
一、简介
1.1 何为网壳结构
网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性，受力合理，覆盖跨度大，其外形为壳，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，其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。
它既有靠空间体形受力的优点，又有工厂生产构件现场安装的施工简便、快速的长处，而且他以结构受力合理，刚度大，自重轻，体形美观多变，技术经济指标好,而成为大跨结构中备受关注的一种结构形式。
1.2 网壳的形式与分类
（1）按网壳的层数来分，有单层网壳和双层网壳，其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来，因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系（包括四角锥系、三角锥系和六角推系）组成。
（一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时，可采用单层网完，跨度大时，则采用双层网壳。
）如图1
图1 单层网壳与双层网壳
（2）按网壳的用材分，主要有木网壳、钢网壳、钢筋混凝土网壳以及钢网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳等四类。
（3）按曲面的曲率半径分，有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类。
（4）按曲面的外形分，主要有球面网壳、圆柱面网壳、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）等。
（5）按网壳网格的划分来分，有以下两类。
对于圆柱面网壳主要有单向斜杆型、交叉斜杆型、联方网格型、三向型，如图2所示。
对于球面网壳主要有肋环型、Schwedler型、联方网格型、三向网格型，如图3所示。
网壳结构简介
a):刚度差，适用于中，小跨度 b):刚度好，适用于大，中跨度
C）：适合大批量生产
e)三向网格型球面网壳
d）双向子午线网格
d):菱形网格，造型美观。刚度 好。网格不均匀；刚度好，大 跨度。例中国科技馆。 e):杆件种类少，受力明确适用 于中，小跨度。例济南动物园 亚热带鸟馆。
日本名古屋网壳穹顶
二、双层球面网壳 双层球壳是由两个同心的单层球面通过腹杆连接而成。各层网格形成与单层网壳 同。
平板组合球面网壳
双曲扁网壳
双曲扁网壳
网壳结构的选型
网壳选型应对建筑使用功能、美学、空间利 用、平面形状与尺寸、荷载的类别与大小、边界 条件、屋面构造、材料、节点体系、制作与施工 方法等作综合考虑。 应考虑以下几个方面： 1、体型应与建筑造型相协调 与周围环境相协调，整体比例适当。当要求 建筑空间大，选用矢高较大的球面或柱面壳；空 间要求小，矢高较小的双曲扁网壳或扭网壳。
三、球网壳结构受力特点： 受力与圆顶相似。网壳的杆件为拉杆或压杆。 节点构造也需承受拉力和压力。球网壳的底座可 设置环梁，可增加结构的刚度。 网壳支座约束增强，内力逐渐均匀，且最大 内力也减小，稳定性提高，因此周边支座以固定 支座为宜。 为使薄膜理论适用，球网壳应沿其边缘设置 连续的支承结构。
扭网壳结构
2、双层筒壳（按几何组成规律分类）：
a)正放四角锥柱面网壳b)正放抽空四角锥柱面源自壳c)斜置正放四角锥柱面网壳
d)三角锥柱面网壳
e)抽空三角锥柱面网壳
双层柱面网壳的网格形式 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系 a)：刚度大，杆件少，最 常用 b)：适用于小跨度，轻屋 面 c)：系将a)斜置 3.三角锥体系 常用d) ， e) 两种
a)肋环型四角锥球面网壳
随性自由的单层网壳结构
随性自由的单层网壳结构褚老师建构物语网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架。
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。
网壳结构应用范围广，可以用于大、中小跨度建筑，特别适合超大跨度的建筑。
网壳按杆件的布置方式分为单层网壳和双层（甚至3层）网壳。
最为常见的双层空间网架结构网壳结构平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形甚至不规则形等，在外形上同样可以形成多种曲面。
早期网壳的曲面形式较为规则，常见的有单曲面（筒壳）和双曲面（球网壳、扭网壳、扁网壳等），随着建筑设计的发展，网壳结构也发展为更为自由的曲面。
不同形式的壳结构示意图日本山口县山口市KIRARA博览纪念公园的网壳屋面结构模型合理的曲面形式可以使结构受力更为均匀合理，结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高，节省材料。
早期，网壳的出现更多地作为一种结构性的解决方案。
作为建筑师，更多关心的是建筑的形式、空间对人的影响，某些时候甚至牺牲一定的结构合理性也是在所不惜。
多层杆件的网壳如果结构外露看起来较为繁杂，采用吊顶等方式将结构隐藏的做法对于追求真实的建筑又缺少表现力。
（其东西跨度212.24m，南北跨度143.64m，弯顶高度46.29m。
）在建筑的透明部分，双层网壳结构仍显得过于繁杂，有碍观瞻。
贝聿铭早期作品——香山饭店平板双层网架结构的采光屋面——还是显得过于繁杂不够通透贝聿铭晚期作品——北京中国银行总部平板双层网架结构的采光屋面——还是显得过于繁杂不够通透北京首都机场T3航站楼（福斯特设计）的空间网壳结构——完美的设计，结构大部分时候作为隐藏于建筑后的一种结构解决方案。
德国柏林自由大学图书馆（福斯特设计）的双层网壳结构虽然结构隐藏于建筑后，但双层屋面的解决方案也可以说是充满了创造力。
某些时候对于建筑师来说，既能够适应各种不规则形式、又能外露以表达真实结构魅力的单层网壳更为真实完美，其结构部件更简洁、纤细、轻薄，也更适宜于用于追求通透的玻璃或薄膜透光墙屋面。
网壳结构
都能给设计师以充分的创作自由。
应用范围广泛，即可用于中、小跨度的民用和工业建 于大跨度的各种建筑，特别是超大跨度的建筑。 筑，也可用
结构的形式
分类方法 单层网壳 按网壳层数： 双层网壳 球面网壳 柱面网壳 按曲面外形： 钢网壳 木网壳 按结构材料： 钢筋混凝土 网壳 组合网壳
双曲扁网壳 扭曲面网壳 单块扭网壳
上海科技馆
上海科技馆是典型的网壳结构在建筑物中轴线上有一由单层网壳和通透 玻璃组成的椭圆球体 大厅，是建筑设计中的重点。球体在整个建筑物中相对独立，与周边 环境脱离，形成一个巨型通透中庭空间。科技馆椭圆形球体结构单层网 壳的长轴67ｍ，短轴51ｍ，椭球体为沿椭圆平面长轴旋转体，削去下半 部分而成。球高42.2ｍ。 球体两侧各开有宽 9ｍ，高16ｍ的大门洞，端部有个宽9ｍ、高5ｍ的小门洞。 网壳结构适合制造中 庭空间，适合客运站 里的候车厅的设计， 而且该结构容易塑造 建筑形态。
Байду номын сангаас •
科技馆网壳结构主要依靠肋向杆件传递地震力，主要反映在肋向杆件 地震轴力系数大于环向杆件；铝网壳的地震效应较钢网壳动力效应明 显，所以在采用铝网壳时，不可因为其质量较轻而忽视地震效应；与 铰支、固支支承相比，在弹性支承条件下，钢、铝两种网壳结构体系 的地震效应均大大减小。
网壳结构
结构特点：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。
优点：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
单层网壳最大跨度
1）圆柱网壳 L≤25m(30m)
网壳结构建筑
网壳结构建筑
网壳结构的引出
– 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。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。
网壳结构建筑
网壳结构的引出
– 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。
– 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 寻求新的结构构造形式。随着铁、钢材、铝合金等轻质 高强材料出现及应用, 富有想象力的工程师开始了对穹 顶结构各种杆件形式网壳的发展。
网壳结构建筑
中国网壳结构的发展
网壳结构建筑
中国网壳结构的发展
– 我国的空间结构在上世纪50年代末较多地采用薄壳结 构、悬索结构，60年代中采用网架结构，80年代较多 地采用网壳结构，直到21世纪,这些比较传统的近代空 间结构,除薄壳结构外,均获得了长期蓬勃的发展,工程项 目遍布全国城镇各地。
– 网壳结构在我国解放初曾有所应用，当时主要是一类 联方型的网状筒壳，材料为型钢或木材跨度在30M左右， 如扬州苏北农学院体育馆、南京展览中心(551厂)、上 海长宁电影院屋盖结构等。
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
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。
网壳结构
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。 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。即使是同一种型式的 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使结构的静力性 能产生相当的变化。
球
凯威特型球面网壳
面
短程线球面网壳
网 壳
交叉桁架体系
双层球 角 肋环型四角锥球面网壳 面网壳 锥 联方型四角锥球面网壳
体 联方型三角锥球面网壳 系 平板组合式球面网壳
肋环型球面网壳
适于中小跨度
联方型球面网壳— — 无纬向杆
联方型球面网壳—— 有纬向杆
适于大中跨度
斯威德勒型球面网壳（肋环斜杆型）
适于大中跨度
L≤30m 纵边落地时，
B≤25m
D≤60m
L2≤40m
L1 / L2 1.5
f 、f 1 ~ 1 h 1 ~ 1 L1 L2 2 4 L2 20 50
L2≤50m
L1 / L2 1.5
f1 、f 2 1 ~ 1 L1 L2 4 8
h 11 ~
L2 20 50
L2≤50m
第二节 网壳结构分析
单斜杆柱面网壳
单层 弗普尔柱面网壳
柱面 交叉斜杆型柱面网壳
柱 网壳 联方网格型柱面网壳
面
三向网格型柱面网壳
网
壳
双层
交叉桁架体系 正放四角锥柱面网壳
柱面 网壳
四角锥 体系
抽空正放四角锥柱面网壳
斜置正放四角锥柱面网壳
网壳结构
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类 组合扭网壳
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类 球面与柱面组合网壳
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
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
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
1）球面网壳 施威德勒型球面网壳(Schwedler)
±
采用时程分析法和振型分解反应谱法求解，按两阶 段进行设计
§2.网壳结构设计 四、网壳结构装配应力
±
装配应力往往是在安装过程中由于制作和安装等原 因，使节点不能达到设计坐标位置，造成部分节点间 的距离大于或小于杆件的长度。在采用强迫就位使秆 件与节点连接的过程中就产生了装配应力。
±
由于网壳对装配应力极为敏感，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，装配应力就可减少到可 以不予考虑。 当需要计算装配应力时，也应采用空间杆系/梁系有 限单元法，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比拟为由温度伸长或缩短即可。
±
可以考虑调整支座类型来考虑释放温度应力
§2.网壳结构设计 三、网壳结构地震作用
±
地震发生时，由于强烈的地面运动而迫使网壳结 构产生振动，受迫振动的网壳，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，或者失去结构工作能力。因此在地 震设防区必须对网壳结构进行抗震计算。
第三章
网壳结构
网壳结构
Reticular Shell
网壳结构受力特点
± 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％ ± 网壳结构外形美观，富于变化
网壳结构
网壳结构一、简介1.1 何为网壳结构网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性，受力合理，覆盖跨度大，其外形为壳，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，其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。
它既有靠空间体形受力的优点，又有工厂生产构件现场安装的施工简便、快速的长处，而且他以结构受力合理，刚度大，自重轻，体形美观多变，技术经济指标好,而成为大跨结构中备受关注的一种结构形式。
1.2 网壳的形式与分类（1）按网壳的层数来分，有单层网壳和双层网壳，其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来，因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系（包括四角锥系、三角锥系和六角推系）组成。
（一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时，可采用单层网完，跨度大时，则采用双层网壳。
）如图1图1 单层网壳与双层网壳（2）按网壳的用材分，主要有木网壳、钢网壳、钢筋混凝土网壳以及钢网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳等四类。
（3）按曲面的曲率半径分，有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类。
（4）按曲面的外形分，主要有球面网壳、圆柱面网壳、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）等。
（5）按网壳网格的划分来分，有以下两类。
对于圆柱面网壳主要有单向斜杆型、交叉斜杆型、联方网格型、三向型，如图2所示。
对于球面网壳主要有肋环型、Schwedler型、联方网格型、三向网格型，如图3所示。
（a）（b）（c）（d）图2 圆柱面单层网壳网格（a）单向斜杆型（b）交叉斜杆型（c）联方型（d）三向网格型图3单层球面网壳网格类型二、受力特点和典型工程应用1、圆柱面网壳受力特点1.1两对边支撑对于以跨度方向为支座，拱脚常支撑于圈梁、柱顶或基础上产生推力。
对于以波长方向为支座，柱面网壳端支座若为墙，则为受拉构件，若端支座为边高度梁，则为拉弯构件，此时应设边梁。
网壳结构简介
双层网壳杆件计算长度
表3-10
连接形式
螺栓球点 焊接球结点
板节点
弦杆
l 0.9l
l
腹杆
支座腹杆
其他腹杆
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网壳类别 双层网壳 单层网壳
网壳杆件容许长细 比λ
压杆 200 150
静荷载 300 300
表
拉杆
3-11
动荷载
250
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为使薄膜理论适用，球网壳应沿其边缘设置 连续的支承结构。
第四节 扭网壳结构
双曲面网壳可采用直线杆件直接形成。施工简单。造型轻巧活泼，适应性强。 一、扭网壳
a) 正交正放类 d) 正交斜放设斜杆类
b) 正交斜放类 e) 正交斜放设斜杆类
c) 正交斜放设斜杆类
双曲面网壳的网格形式 1.正交正放类
a):单层时在方格内设斜杆 双层时组成四角锥体 2.正交斜放类 b):抗剪强度弱 c):第三方向局部设斜杆 d):全部方格内设双斜杆 e):第三方向全局设斜杆
2、四边支承或多点支承 筒网壳的受力同时有拱式受压和梁式
受压两方面。两种作用的大小同网格的构 成及网壳的跨度与波长之比有关。
工程中常用短壳。如因功能要求必须 为长网壳时，可在纵向中部增设加强肋。
第三节 球网壳结构
关键球面划分。基本要求：1）杆件规格尽可能少 2）形成结构为几何不变体。 一、单层球面网壳
二、受力特点：
本身具有较好的稳定性，但出平面刚度 较小，控制挠度成关键。
在屋脊处设加强桁架，能明显减少屋 脊附近的挠度，但随着与屋脊距离的增加， 加强桁架的影响下降。
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高斯曲率：正高斯曲率、零高斯曲率、负高斯曲率
曲面外形：旋转曲面壳、移动曲面壳、组合曲面壳
层数：单层网壳、双层网壳
一．壳体的基本曲面：
典型曲面（几何学曲面）
不论其曲面形式如何，总可以用几何学方程表达。
非典型曲面
不易用几何学方程表达的曲面。
网壳结构中常用的形式有：
二．柱面网壳 柱面网壳按其支承情况和长度分为短壳 （ L/R0.5 ） 、 中 长 壳 （ 0.5<L/R2.5 ） 、 长 壳
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
正放四角锥
抽空四角锥
斜置正放四角锥
三角锥柱面网壳
网壳结构几何尺寸选用范围
壳型
平面尺寸
矢高 f f 1 1 ~ B 3 6
纵边落地时，
双层壳厚度 h
h 1 1 ~ B 20 50
单层壳跨度
L≤30m 纵边落地时， B≤25m
圆柱面壳
B/L≤1
f 1 1 ~ B 2 5 f 1 1 ~ D 3 7
球面壳 周边落地时，
f 3 D 4
3. • • •
曲面形状 双曲型的曲面的稳定性优于单曲型的曲面 具有负高斯曲率的双曲抛物面稳定性更好 网壳规程要求：对单层的球面网壳、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；对双曲抛物面 网壳可不考虑稳定问题。
2. 初始缺陷 网壳结构的初始缺陷包括： • 结构外形的几何偏差（网壳安装完成后 的节点位置与设计理想坐标的偏差）， 是影响结构整体稳定的主要缺陷，其他 在截面设计中都有所考虑。 • 杆件的初弯曲 • 杆件对节点的初偏心 • 由于残余应力等引起的初应力 • 杆件的材料不均匀性 • 外荷载作用的偏心
2. 先对杆件单元进行分析，根据虎克定律建立单元杆件 内力与节点位移之间的关系，形成单元刚度矩阵；
3. 对结构进行整体分析，根据各节点的变形协调条件和 静力平衡条件结构上的节点荷载和节点位移之间的关 系，形成结构的总体刚度矩阵和总刚度方程； 4. 引入边界条件，修正总体刚度矩阵；
5. 求解结构的总刚度方程，得出各节点的位移值；
2）基于离散化假定的有限单元法 • 对网壳结构进行考虑非线性效应的全过 程分析 • 比较符合网壳结构本身离散构造的特点， 同时不受结构形式、结构拓扑、荷载条 件、边界条件的限制，故具有更高的精 度和更好的适用性。
4.影响网壳结构稳定性 主要因素
1. 非线性效应 • 几何非线性：屈曲后的部位由薄膜应力 状态转变为弯曲应力状态 • 材料非线性 • 对于单层网壳几何非线性的影响非常大， 对于双层网壳通常要同时考虑双重非线 性的影响 • 几何非线性的影响随着网壳跨度的增加 而明显增大，材料非线性则随跨度减小 而增大
3）条状失稳
条状失稳指沿网壳结构的某个方向出现一 条失稳带，该条上的节点出现很大的几何 变位现象。 如圆柱面沿母线 球面沿一圈环向节点和杆件
4）整体失稳
整体失稳指网壳结构的大部分发生很 大的几何变位、偏离平衡位置的失稳 现象。 由失稳前的薄膜应力状态转化为弯曲 应力状态。 整体失稳通常是从局部失稳开始的。
刚度设计需兼顾两方面：
① 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； ② 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。
3.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 S、矢跨比F/S及波跨比有关（F为柱面网壳的矢高）。 筒拱中内力分布很不均匀，当矢跨比 F/S 很小时，结 构主要呈梁的作用，跨中弯矩及轴力均很大且轴力分布
通过一定的
组合，双曲 抛物面网壳 还可以发展 出不同的造型。
双曲抛物面网壳 正 交 正 放 类 正 交 斜 放 类
拉斜杆型 双曲抛物面网壳
压斜杆型 双曲抛物面网壳
双向斜杆型 双曲抛物面网壳
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；
双曲扁壳
h 1 1 ~ D 30 60
D≤60m
L1 / L2 1.5
f1 f 2 1 1 、 ~ L1 L2 6 9
f f 1 1 、 ~ L1 L2 2 4
h 1 1 ~ L2 20 50 h 1 1 ~ L2 20 50
L2≤40m
单块扭壳
L1 / L2 1.5
L2≤50m
单斜杆柱面网壳 弗普尔柱面网壳 交叉斜杆型柱面网壳 联方网格型柱面网壳 三向网格型柱面网壳
双层 柱面 网壳
交叉桁架体系 正放四角锥柱面网壳 四角锥 抽空正放四角锥柱面网壳 体系 斜置正放四角锥柱面网壳 三角锥 三角锥柱面网壳 体系 抽空三角锥柱面网壳
1. 单层柱面网壳
（a）单斜杆型
（b）弗普尔型
（c） 联方型（d）三向网格型（e） 交叉斜杆型
适于大中跨度
三向网格型球面网壳
适于中小跨度
子午线球面网壳
短程线球面网壳
肋环型四角锥球面网壳 (局部三角锥)
肋环型桁架球面网壳
凯威特型三角锥球面网壳
凯威特桁架球面网壳
蒙 特 利 尔 世 博 会
球面网壳通过一定形式的切割，还可以切割 出各种不同的平面形状及造型。
四．双曲抛物面网壳（扭壳）
双曲抛物面网壳在几何学上的特点是其曲面的 形成方式属移动式，具有直纹性，即其曲面是 由无数根斜交的 直线组成。
双层球 面网壳
角 锥 体 系
肋环型四角锥球面网壳 联方型四角锥球面网壳 联方型三角锥球面网壳 平板组合式球面网壳
联方型球面网壳— — 无纬向杆
联方型球面网壳—— 有纬向杆
适于大中跨度
肋环型球面网壳
适于中小跨度
斯威德勒型球面网壳（肋环斜杆型）
适于大中跨度
交叉斜杆型
单斜杆型
无环杆的交叉斜杆型
凯威特型球面网壳
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
单层球 面网壳 球 面 网 壳
肋环型球面网壳 施威德勒球面网壳 联方型球面网壳 三向网格型球面网壳 凯威特型球面网壳 短程线球面网壳 交叉桁架体系
2. 失稳模态
•
网壳结构失稳后因产生大变形而形成的新 的几何形状称为失稳模态 • 影响失稳模态的因素：网壳类型、几何形 状、荷载条件、边界条件、节点刚度等 • 常见的失稳模态： 1）杆件失稳
杆件失稳是指网壳中只有单根杆件发生 屈曲而结构其余部分不受任何影响
2）点失稳
点失稳指网壳中一个节点出现很大的几何 变位、偏离平衡位置的失稳现象。 发生的情况：只有一个节点承受外荷载， 某个节点比其相邻节点承受更大的外荷载， 所有节点均匀加载，但某节点存在明显的 几何偏差。
四块组合型扭 壳
L1 / L2 1.5
f1 f 2 1 1 、 ~ L1 L2 4 8
h 1 1 ~ L2 20 50
L2≤50m
第二节 网壳结构分析
一．网壳结构的受力特性
1. 网壳结构的静力特性
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。 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。即使是同一种型式的
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。 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② 离散化方法——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，
6. 由节点位移求出杆件内力。
五．网壳结构的稳定性
1. 概述
局部失稳：结构局部刚度出现软化、消失，荷 载与位移对应关系中突然偏离平衡位置，产生 动态跳跃，局部出现很大的几何变形。 整体失稳：整个结构突然屈曲至完全不同于初 始形状的变形形式，出现偏离平衡位置的大位 移。 稳定性分析的必要性 荷载-位移全过程曲线可以将结构的强度、稳定 性以致于刚度的整个变化历程表示得清清楚楚。
二．计算方法 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流的分析、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① 连续化方法 —— 比拟为连续光面实体 薄壳 的拟壳法；
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使结构的静力性
能产生相当的变化。
2.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。
球面网壳：
• • • 小跨度：肋环型； 大跨度：三向网格型、凯威特型、短线程型
柱面壳 小跨度：联方型
•
大跨度：可形成三角型网格的类型
6. 容许扰度 普通网壳挠度≤短向跨度的1/400；悬挑网壳挠度≤悬挑 长度的1/200； 7. 网壳尺寸 跨度≤50m，1.5-3.0m；跨度50~100m，2.0-3.5m；跨度 ≥100m，2.5~4.0m。