网壳结构抗震设计方法

网壳结构抗震设计方法探讨

【摘要】众所周知，网壳结构的应用日益广泛。目前有关网壳结构的静力稳定问题已经得到系统解决，而针对其抗震性能的研究还不够，网壳结构抗震性能不同于传统多高层结构和网架结构形式，因此,如何对大跨空间结构进行抗震设计，是工程实践中急待解决的问题，本文在大量数值分析的基础上,针对网壳结构地震作用下的响应规律进行系统研究，在理论分析和试验研究的基础上，总结网壳结构的倒塌及破坏机理，提出网壳结构动力破坏新概念以及适用于网壳结构的抗震设计方法。

【关键字】网壳结构，抗震，设计方法

中图分类号：u452.2+8 文献标识码：a 文章编号：

前言

地震是一种破坏性极大的突发性自然灾害，能够造成人员伤亡和社会物质财富的巨大损失，对社会生活和地区经济发展有着广泛而深远的影响。为减轻地震所造成的生命与财产损失，人类与之进行了长期不懈的斗争，虽然科学技术和工程技术的突飞猛进，地震工程的理论和实践得到了很大发展，但是，就近20余年来说，全球发生的许多大地震，仍然造成大量严重的工程破坏和惨重的生命财产损失。例如1976年我国的唐山地震、1994年美国的northridge 地震、1995年日本的阪神地震及1999年台湾的集集地震。随着城市现代化和经济的高度发展，地震所造成的损失，平均每几十年翻一番。因此，了解地震灾害的特点，采取正确的对策，方能保证防

震减灾收到实效。鉴于地震预报和地震转移分散均不能很好的实现，因此，工程抗震成为目前最有效、’最根本的措施，建筑结构的抗震设计也成为当前最被关注的课题之一。

常见的建筑结构防震措施

目前，用于建筑结构防御地震的措施主要有:传统的抗震设计、结构控制理论(如减震、隔震等)。传统的抗震设计是适当增加结构的刚度，以抵抗地震作用，或合理布置结构的刚度，使结构部件在地震时不同步地进入非弹性状态，具有较大的延性，消耗地震能量。上述方法存在以下缺陷:

安全性难以保证。当突发地震超出设防烈度时，房屋会严重破坏

适应性有限制。当地震发生时，虽然结构本身的破坏可以控制，但是房屋内的重要设备可能会遭到破坏

经济性欠佳。它通过增大构件断面，加大配筋来抵抗地震。断面越大，刚度越大，地震作用也越大，所需断面及配筋也越大。如此恶性循环，大大提高了建筑造价，并且随着设防烈度的提高，造价也急剧增加，通过增加结构刚度来抵御地震作用，其材料用量大，不经济。一种主动的抗震策略是对结构施加控制系统，由控制系统和结构共同抵御地震作用，尽可能减轻对结构自身的损伤。这种主动策略也就是结构振动控制对于网壳结构进行振动控制是保证结

构安全、减小地展灾容损失的一种重要途径。

三．网壳结构的广泛应用

网壳结构是一种曲面形结构，是大跨度空间结构中一种举足轻重的主要结构形式。网壳结构具有一系列突出的优点，大体可以归纳如下：

1、网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理。

2、网壳结构的刚度大、跨越能力强，在跨度超过100m的结构中仍有大量的应用。

3、网壳结构可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制；而且现场安装简便，不需要大型的机具设备，因而综合技术经济指标较好。

4、网壳结构的设计分析可以借助于通用有限元计算程序和计算机辅助设计软件，不会有多大难度。

5、网壳结构造型丰富多彩，不论是建筑平面，还是空间曲面外形，都可以根据创作要求任意选取。正是因为以上这些优点，近几十年来，网壳结构在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、干煤棚等公共建筑中得到了广泛应用，尤其是近十年，我国的网壳结构向着跨度更大、体系更复杂、设备更昂贵的方向发展，这些建筑结构新颖、规模宏大，往往成为一个城市或国家的标志性建筑，并为世人瞩目。

四．网壳结构的特点

经以上网壳自振特性分析可知，与一般传统结构动力特征不同，网壳结构频率与振型具有以下特点:

1、网壳结构自振频率密集

单层球面网壳、柱面网壳的自振频率均非常密集，单层球面网壳还有数个周期相同的振型，这是由于结构有多个对称轴所致。由于频率密集，在网壳地震响应计算时应考虑各振型间的相关性。在用振型分解反应谱法进行动力分析时，若仍采用平方开方公式进行振型祸合则导致误差较大。

2、网壳以水平振型为主，第一振型一般为水平振型

网壳振型呈现水平振型与竖向振型参差出现，水平振型较多，一般网壳结构第一振型均为水平振型。这是由于网壳结构起拱后，其竖向刚度增大而水平刚度减弱的缘故。

3、地震响应贡献较大的振型出现较晚

一般框架动力计算可选前几个振型效应进行组合，即可满足使用精确度。而经过对网壳振型分析，网壳结构第一振型均为反对称振型，对地震响应贡献较大的对称振型出现较晚，所以采用振型分解法计算网壳地震响应时，不能仅取前几个振型，至少应选取前20阶振型进行组合，否则计算结果不安全。对复杂大跨度网壳，还需取超过20个振型响应进行组合。

五．网壳结构的形式与分类

油罐罐顶网壳招标有两种结构，分别为三角形结构和子午线结构。为了便于更好地选择满足现场及工期需要的投标单位，现对两种结构网壳进行如下比。

1、两种结构特点

（一）子午线式网壳结构

（1）工艺特点

子午线网壳主体由球面上分别以x轴及以z轴为旋转轴的两组子午线相交而成。网壳杆件全部采用不等边角钢。两组子午线网杆间采用搭接，搭接面采用连续满角焊；单根子午线的连接采用对接，须保证对接接头全焊透和全熔合以保证焊接质量。锥板是网壳的沿边构件，采用加厚钢板与罐壁顶板成20～30。角度焊接，将罐壁与罐顶连成整体。每道网杆的两端采用垫板及连接板将网杆与罐壁及边环梁连成一体；连接件采用钢板组焊而成。结构形式如图1所示。

图1：子午线网壳结构形式

（2）边节点及上、下网杆安装

照给出的各边节点的弧长值，在罐壁上作各边节点垂线长度为500mm，再用水准仪找出x、z轴水平基准面，与等分垂线交成十字线，十字中点就是连接件的交点位置，然后分别将a、b、c、d各连接件按编号点焊在位置上，同时检查通过中心的两只连接件是否完全一样。

拼接x方向的第一根长网杆，且按焊接要求焊接完成。

装x方向的第一根网杆着落在中间n根支撑杆上，测量各节点的y值应为该节点的y+dy值，差值允许±8ram，n根都测量合格后，网杆两端再边节点与罐壁板分段焊接。

然后分别x方向第二根、第三根以z轴为对称，两边安装；然后安装z轴方向的第一根长网杆，节点1与x方向的长网杆节点l