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，

是我国首例跨度突破了100m 大关的球面网壳结构。1999年建成的上海国际会议中心（如图4），是单层

肋环形球面网壳的一个工程实例，该球体建筑直径达到50m ，球中心标高为26.50m 。其造型美观，如今

成了上海的一道美丽的风景。该工程的球体建筑也成为国际会议中心标志性建筑之一。

图1 日本名古屋体育馆 图2 福冈体育馆

图3 天津体育馆 图4 上海国际会议中心

2 单层球面网壳结构稳定性分析

2.1 网壳结构的失稳

大量网壳实际工程和计算分析表明：稳定性问题是网壳结构尤其是单层网壳结构设计过程中的控制

性因素。国内外所发生的网壳结构的倒塌事故基本上都是因为失稳所致。如今随着网壳结构的跨度不断

增大，网壳厚度越来越薄，当设计者对网壳结构的稳定性没有把握时,网壳结构通常被设计成双层的,这

主要是因为双层网壳不易发生失稳,然而对于单层球面网壳,由于壳面整体较薄,刚度较差,稳定问题尤为

重要。

当一个结构受力后能维持原有的平衡位置或原有的变形状态时,就认为这个结构处于稳定平衡状态;

若这个结构不能维持原有的平衡或变形状签,就称它失去平衡。一种广泛被人们接受的观点是：失稳是结

构由稳定平衡向不稳定平衡转移。

结构的不稳定性能主要有两种类型:分枝点失稳和极值点失稳,如图5所示。图中实线表示稳定的平

衡路径,虚线表示不稳定的平衡路径,凡是临界荷载。对于分枝点失稳情况过临界点时将存在轴向受压和

受弯两种不同受力性质的平衡状态的可能,即发生平衡路径的分枝,其中沿着初始位移形态变化的一条平

衡路径成为“基本路径”,结构在该路径上的平衡是不稳定的,其它的平衡路径称为“分枝失稳”。在分

枝路径上如果荷载呈上升的形式称为稳定的分枝失稳〔图5(a)];如果荷载呈减小的形式则称为不稳定的

分枝失稳〔图5(b)〕。对于极值点失稳情况(图5(c)〕,过临界点后不会发生平衡形式的分值,自始自终

都处于压弯平衡状态中,一般情况下杆件在失稳之前,受压一侧已存在塑性变形,屈曲的发生是杆件丧失承

载力的结果,它过临界点后的唯一一条平衡路径的曲线是下降的,荷载是减小的,结构的平衡是不稳定的。

a 稳定的分枝点失稳

b 不稳定的分枝点失稳

c 极值点失稳

图5失稳类型

网壳结构的失稳可以理解为存储在结构中的应变能在网壳结构遭受外界荷载等作用下薄膜张力的应

变能向弯曲的应变能进行转化。网壳结构失稳分为两类,即局部失稳和整体失稳,前者结构局部刚度出现

软化消失,此时,在荷载与位移的对应关系中会突然偏离平衡位置,产生一个动态跳跃(跳跃失稳或跳跃屈

曲),局部出现很大的几何变位"而整体失稳是整个结构突然屈曲至完全不同于初始软化形状的变形形式,

出现偏离平衡位置的大位移"局部失稳往往是局部的高集中荷载作用或局部缺陷造成的,像单杆失稳,点失

稳(围绕结构某一点的范围内);而整体失稳往往是从局部失稳开始逐渐形成的[5]

。

单层网壳结构，由于其构造的特殊性，其稳定包涵了单根杆件的失稳，又具有与连续壳体类似的整

体失稳。其失稳类型包括了点失稳、杆件失稳、条状失稳、波状失稳，前两者可以视为局部失稳，而后

两者是整体失稳。

a 点失稳

b 杆件失稳

c 条状失稳