网壳与悬索结构

上海世博会阳光谷。高40米，下小上大的悬挑
式单层网壳结构，上口最大直径为90米。
国家羽毛球馆（北京工业大 学体育馆）
球壳形，长约150m，宽约120m， 主体结构采用弦支穹顶结构，上 弦为单层网壳，下弦环向为拉索， 径向为钢拉杆；外挑部分采用悬 挑变截面H型钢梁。
中国航海博物馆中央帆体
双向交叉桁架构成空间网格壳体，两瓣壳体 旋转对称，在高度约 41 米铰点相倚靠， 总高度 57.8m 、跨度 66.0m
4 双层网壳的网格形式
正放四角锥柱面网壳
正放抽空四角锥柱面网壳
斜置正放四角锥柱面网壳
双层网壳的网格形式： 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系 3.三角锥体系
三角锥柱面网壳 抽空三角锥柱面网壳
3.5 网壳的设计及计算
1.网壳的一般计算原则
网壳结构在直接和间接作用下的内力、位移及整体稳定 计算除工作荷载之外，还应根据具体情况包括地震、温 度变化、支座沉降及施工安装荷载等效应。 网壳的永久荷载有：（1）网壳自重；（2）屋面材料的 重力；（3）吊顶材料的重力;（4)设备管道的重力。 网壳结构的可变荷载有：（1）屋面活荷载；（2）雪荷 载 ；（3）风荷载。
特点： ⑴ 采用相同的格子和尺寸较小的单元，可以跨越 较大的跨度。 ⑵ 各杆件没有鲜明的主次关系，受力均匀；网壳 结构的轻型化是它的重要特征。 ⑶ 构件标准化、规格化，制造工厂化。 ⑷ 建筑造型美观。 ⑸ 受力合理，综合效益好。
跨度650m的网壳蓝图
200m、500m、1000m网壳蓝图
重庆奥林匹克体育 中心体育场跨度直 线距离 312 米，网 壳纵向宽度 78 米， 最大悬挑梁长度 68 米，主拱高度 70.3 米，网壳为双层， 上下弦杆高度为 4.5 米，单块网壳 为 17400 平方米， 两块网壳由 3672 只焊接球、 16500 根钢管杆件组成。
4.网壳杆件及节点设计 网壳杆件的计算长度和容许长细比可按下表采用。
单层网壳杆件计算长度
壳体平面内
壳体平面外
0.9L
L
双层网壳杆件计算长度
腹杆
连接形式
螺栓球点
弦杆 l
支座腹杆 l
其他腹杆 l
焊接球结点
板节点
0.9l
l
0.9l
l
0.9l
0.9l
网壳杆件容许长细比
拉杆 网壳类别 压杆 200 150 静荷载 300 300 动荷载 250 250

不符合上述条件时，网壳应考虑温度应力的影响。设计 中考虑的温度应力情况一般有两种：（1）整个网壳有 温度变化；（2）双层网壳上下层有温度差△t。

网壳应按最不利的荷载效应组合进行设计。对于非抗震 设计荷载效应组合应按现行国家标准《建筑结构荷载规 范》（GB 50009 —2001）进行计算。 对抗震设计，荷载效应组合应按国家标准《建筑抗震设 计规范》( GB 50011— 2001）进行计算。
2 单层柱面网壳的网格形式
单向斜杆 交叉斜杆 联方形 三向网格
3 单层球面网壳的网格形式
（1 ）肋环形单层球面网壳
（2） 施威德勒型(肋环斜杆)
（3） 三向网格
（4） 联方形
单层壳的特点(跨度不宜超过40米) 刚度差 节点必须刚接，以传递剪力弯矩 动力性能分析（地震和风振） 稳定问题非常重要
高斯曲率:T=K1×K2=1/R1×1/R2； 零高斯曲率网壳，即k1=0，k2不等于0，——单曲网壳； 若k2=0成为平板网架； 正高斯曲率，即Kl×k2>0； 负高斯曲率网壳，是指两个主曲率k1×k2<0； 等厚度壳和变厚度壳； 薄壳、中厚壳和厚壳：当壳体的厚度远小于它的最小 曲率半径时，成为薄壳；反之称为厚壳或中厚度壳。 在网壳结构工程中一般为等厚度的薄壳。 典型曲面与非典型曲面。曲面分为两大类，一是可由 几何学方程表达的几何曲面，亦称为典型曲面，如球 面、圆柱面、抛物曲面等；另一类是不易用几何学方 程来表达的非几何学曲面亦称非典型曲面。
工程名称
车辐式双层索系 北京工人体育馆 成都城北体育馆 广汉市文体馆 双曲抛物面索网 天津大学健身房 浙江人民体育馆 新疆化肥厂俱乐部 平行双层空间索系 吉林滑冰馆 平行双层平面索系（索桁架） 无锡市体育馆 单层平行索系 淄博市体育馆 淄博市毛纺厂俱乐部 东营钻井公司体育馆 新汶矿务局体育馆
平面及尺寸
安徽体育馆 索-梁（桁）体系
除了直接服务于设计的理论分析和试验研究工作外，一 些更为基础性的理论研究近几年也在逐步开展。相对集中于 三个研究领域：（1）张拉结构初始形状的确定；（2）悬索 结构的地震反应分析；（3）悬索结构的风振反应分析。
谢 谢



网壳结构具有很强的非线性性能，抗震分析宜采用时程 分析法。
双层网壳符合下列条件之一者可不考虑温度应力的影响： （1）支座节点的构造允许网壳侧移且其侧移值等于或 大于公式的计算值；（2）周边支承于独立柱，且网壳 在验算方向跨度小于40m；（3）支承网壳的柱在单位水 平力作用于柱顶时，柱顶位移大于或等于式公式的计算 值。
幅射式布置形式(适用于圆形，椭圆形平面)
下凹双曲率碟形屋面 不便于排水，最大的 碟形屋面：美国阿拉 美达比赛馆，跨径 128m(1967)
伞形屋面 最大的伞形屋面： 前苏联伊利姆斯克 汽车库，跨径206m
受拉内环采用钢制，受压外环采用钢筋混凝土制作。可比平行布置做到 较大跨度。 网状布置形式(适用于圆形，矩形等各种平面) 设计要点 单层悬索体系垂跨比经验取值： 1/201/10 两向索正交布置 屋面板规格统一 加强形状稳定性的措施： 边缘构件弯矩大 采用重屋面 于幅射式布置 采用预应力钢筋混凝土悬挂薄壳 采用横向加劲构件
双层网壳
单层网壳
3.5 悬索结构
1 特点 轴向拉伸抵抗外荷作用，充分利用钢材强度 施工方便，费用低 便于建筑造型
2 单层悬索结构 平行布置形式(跨度可达80m，德国多特蒙特一展览厅， 1956)
水平梁 承受悬索拉力 水平梁和框架一起 承受悬索拉力
悬索直接 锚挂于框架
斜拉索将 悬索拉力 拉向地锚
鞍形索网布置形式
a)
4 一些典型建筑
单层悬索
德国乌柏特市游泳馆
德国多特蒙特展览大厅
前苏联克达斯若牙尔斯克车库
日本古川市民会馆
双层悬索
瑞典斯德哥尔摩约翰尼绍夫滑冰场Hale Waihona Puke Baidu
芬兰赫尔辛基冰上运动场
德国法兰克福机动车检修场
罗马尼亚布加勒斯特文体宫
鞍形索网
前南斯拉夫莱士科瓦克纺织博览馆
加拿大卡尔加里滑冰馆
我国悬索结构工程一览表
3.2 网壳结构的起源和发展
Victoria regia 王莲
3.3 网壳曲面的形式
1 壳体的概念
被两个几何曲面所限的物体称为壳体； 这两个曲面之间的距离称为壳体的厚度； 等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的中曲面； 过曲面上m点法线可作无数个法截面，得到无数个 法截线，这组法截线分别对应一组曲率，这些曲率 有两个极值，称为m点两个主曲率k1、K2，对应的主 曲率半径为R1 R2，这一对主曲率方向(主方向)是相 互正交的。
第三章
网壳与悬索结构
山东科技大学钢结构所 王 来
3.1 网壳结构的特点
网架结构是一个以受弯为主体的平板，而网壳 结构以其合理的受力形态，形成较为优越的结构体 系。可以说它不仅仅依赖材料本身的强度，而是以 曲面造型改变结构的受力，成为以薄膜内力为主要 受力模式的结构形态，跨越更大跨度。不仅如此， 这种结构以其优美的造型激发了建筑师及人们的想 象力。随着结构理论及实验研究的不断深入，计算 机技术的不断发展，越来越多的建筑采用了这种结 构形式。
圆形，半径40m 圆形，半径25m 方形，30m×30m 对角线主索支承 六边形，80m×45m 六边形，74m×79m 卵形，73m×89m
1987 1989 1987 1988 1988 1990
近似椭圆，66m×78m 1990 六边形，72m×53m 矩形，45m×54m 方形，55m×56m 矩形，70m×83.2m 矩形，78m×117m 矩形，42m×63m 矩形，19m×31.5m 1989 1989 1992 1990 1990 1991 1992
圆形，直径94m 圆形，直径61m 圆形，直径44m 椭圆形，24.6×36.6m 椭圆形，60m×80m 椭圆形，36m×50m
建成年份
1961 1979 1991 1965 1967 1977
矩形，59m×72m
矩形，43m×44m 矩形，54m×38m 矩形，36m×27m 矩形，54m×38m 矩形，54m×38m
柱面网壳
柱状面
双曲抛物面 椭圆抛物面
3.4 网壳结构的形式
1.网壳形式 网壳按组成层数分为单层网壳和双层网壳
单层柱面网壳
双层柱面网壳
按曲面外形分类则有 球面网架 柱面网壳
单层球面网壳
日本名古屋网壳穹顶
切割或组合形成曲面网壳
球面切割网壳
平板组合球面网壳
其它曲面网壳
1986
1991 1986 1987 1988 1989
伞形单层辐射索系 柳州水泥厂熟料库 淄博市长途汽车站 单层悬挂索网 淄博市化纤厂餐厅 单层平行索系、以刚架作为中央支承 丹东体育馆 鞍形索网、以拱作为中央支承 四川省体育馆 青岛市体育馆 鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承 北京朝阳体育馆 横向加劲单层平行索系 安徽省体育馆 上海扬浦区体育馆 潮州体育馆 斜拉屋盖结构 奥林匹克体育中心体育馆 奥林匹克体育中心游泳馆 呼和浩特民航机库 无锡市游泳馆

2. 网壳的内力分析
网壳是一个准柔性的高次超静定结构 目前单层网壳计算主要是考虑几何非线性的有限单元法 考虑与不考虑几何非线性的有限单元法的区别在于前者 考虑网壳变形对内力的影响
3.网壳的稳定性
网壳的稳定性计算可采用非线性有限单元法，取结构刚 度矩阵的行列式之值等于零 作为确定临界荷载的准 则，即： det[K]=0 刚度矩阵[K]应包含所有的非线性因素，使 det[K]=0的 荷载即为临界荷载{P}cr 。 注意： 在设计工作中需要引进临界荷载的折减系数 不同的网壳不能用相同的折减系数
3 双层悬索结构
一般形式 由下凹的承重索，上凸的稳定索及它们之间的连系杆组成 承重索垂跨比一般取1/201/15 ，稳定索拱跨比一般取 1/201/25
平行布置形式
幅射式及网状布置形式
上索既是稳定索，又直接承 载 a)双层内环梁 b)双层外环梁 c)双层内外环梁 d)单层外环梁网状布置 e)双层外环梁网状布置
2 基本曲面的形成方法
（1）旋转法形成曲面 一条平面曲线C绕该平面内某一给定的直 线L旋转一周，由此形成的曲面称为旋转 面，以旋转面为中曲面的壳体称为旋转壳。 动曲线C称为母线，而定直线L称为旋转轴， 如图所示。
球面网壳
旋转椭圆面
旋转抛物面
旋转双曲面
圆锥面
柱面
（2）平移法形成曲面
由一根平面曲线(母线C)沿着二根不在同一平面的平面 曲线(导线L)平移后形成的曲面，这种曲面称为平移曲 面，如图所示。