网架与网壳的异同点全面归纳

大跨空间结构小论文《网架和网壳结构的异同点分析》

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专业：土木工程

网架与网壳结构异同点分析

摘要：空间结构以轻巧的外形及合理的受力受到了广泛运用，本文对两种主要的空间结构——网架结构与网壳结构作了一些简单的比较，罗列了一些异同点，加深对网架与网壳结构的认识，希望对网架与网壳的研究、分析与设计有所帮助。

关键字：网架网壳异同点

为了满足社会生活和居住环境的需要，人们向建筑物提出更高要求，需要足够的跨度来达到更大的覆盖空间的目的，而像网架和网壳这种空间结构就应运而生。所谓空间结构是指建筑结构的形状具有三维空间形状，在荷载作用下具有三维受力特性、呈立体工作状态的结构。本文旨在探讨网架和网壳的异同点，但是因为他们的有些特性的界线不是很明显，故只能粗中有细地进行分析。

首先讨论它们的相同或类似的部分。

1、网架和网壳隶属体系相同。它们同属于刚性空间结构体系，一般是由钢杆件按一定规律组成的网格状高次超静定空间杆系结构，具有很好刚度的结构体系。

2、具有一些相似的优缺点。（1）结构组成灵活多样但又有高度的规律性，便于采用，并适用各种建筑方面的要求。（2）节点连接简单可靠，加工制作机械化程度高，并已全部工厂化。（3）用料经济，受力合理，能用较少的材料跨越较大的跨度，节约钢材。（4）分析计算成熟，已采用计算机辅助设计，大大缩短了设计周期。（6）适应建筑工业化、商品化的要求。（7）节点用钢量较大，加工制作费用仍较平面桁架为高。（8）是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较平面结构复杂.

3、结构形式均多种多样。网架结构按结构组成分，有双层和三层网架；按支撑条件，可分为周边支撑、点支撑、三边支撑和两边支撑、周边支撑与点支撑相结合的混合支撑等；按网格组成主要分三类：第一类是由平面桁架系组成，有两向正交正放网架、两向正交斜放网架、两向斜交斜放网架及三向网架四种形式；第二类由四角锥体单元组成，有正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、棋盘形四角锥网架及星形四角锥网架五种形式；第三类由三角锥体单元组成，有三角锥网架、抽空三角锥网架及蜂窝形三角锥网架三种形式。按层数可分为单层、双层或但双层；按曲面形式可分为圆柱面网壳、球面网壳、椭圆抛物面网壳及双曲抛物面网壳。对于单层球壳按网格形式有六种：肋环型网格、施威德勒型网格、三向网格、凯威特型网格、联方型网格、短程线型网格；单层圆柱面网壳的网格可采用单向斜杆正交正放网格、交叉斜杆正交正放网格、联方网格、三向网格。

4、杆件设计与节点构造相同。杆件截面都是根据强度和稳定性计算确定。用钢材制作的网架和网壳的节点，主要有十字板节点、焊接空心球节点及螺栓球节点三种形式。十字板节点适用于型钢杆件的网架结构，杆件与节点板的连接，采用焊接或高强螺栓连接。空心球节点及螺栓球节点适用于钢管杆件的网架和网壳结构。单层网壳的节点应能承受弯曲内力，一般情况下，节点的耗钢量占整个钢网架结构用钢量的15～20% 。

5、永久荷载组成相同。（1）网架、网壳自重和节点自重。（2）楼面或屋面覆盖材料自重。（3）吊顶材料自重。（4）设备管道自重。

6、荷载组合相同。（1）非抗震设计组合： 由可变荷载效应控制的组合。

)(21100Qik Qi n

i ci k Q Q Gk G S S S S γϕγγγγ∑=++=

式中，0γ--------结构重要度系数，根据结构安全等级和使用年限分别取1.1、1.0、0.9；

S--------荷载效应组合的设计值；

G γ------永久荷载分项系数，一般取1.2，当其效应对结构有利时取为1.0；

1Q γ、Qi γ---------第一个可变荷载和第i 个可变荷载的分项系数，一般取1.4；

Gk S --------永久荷载标准值的效应值；

k Q S 1、Qik S --------按第一个和第i 个可变荷载标准值计算的荷载效应值。

ci ϕ----------第i 个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1.

由永久荷载效应控制的组合。

)(100Qik Qi n

i ci Gk G S S S γϕγγγ∑=+=

式中，G γ-------永久荷载分项系数的取值一般为1.35，当对结构有利时，取1.0.

当无吊车荷载和风荷载、地震作用时，需考虑半跨可变荷载和施工荷载的影响。

（2）抗震设计组合

Evk Ev Ehk Eh GE G S S S S γγγ++=

式中，

G γ-------重力荷载代表值的分项系数，一般取1.2.，当其效应对结构有利时取为1.0；

GE S ------重力荷载代表值效应；

Eh γ、Ev γ-------分别代表水平、竖向地震作用分项系数 Ehk S 、Evk S --------分别为水平、竖向地震作用标准值效应。

7、相同的内力性质。 网架结构与网壳结构均为一种空间杆系结构，具有三

维受力特点，能承受各方向的作用，空间整体性比较好。网架结构杆件及铰接二层网壳的杆件均为二力杆。网架与网壳结构受温度作用产生的应力对支座约束类型比较敏感，约束数越多、越强，温度应力就越大。在竖向荷载作用下，网架的上下弦杆在跨中内力较大，支座处的弦杆内力相对小些，支座处的腹杆内力较大，跨中腹杆内力较小，网架结构可以采用简化计算公式估算内力，而网壳结构由于曲面形式多样，内力分布与 曲面形状相关，没有统一的近似计算公式。

8、计算假定基本相同。包括（1）节点为铰接，杆件只承受轴力；（2）按小

挠度理论；（3）按弹性方法分析；（4）荷载作用在节点上。

9、地震反应分析方法相同。主要有振型分解反应谱法和时程分析法。振型

分解反应谱法先计算结构的自振振型，选取若干个振型分别计算各个振型的水平地震作用，将各振型水平地震作用于结构上，求其结构内力，最后将各振型的内力进行组合，得到地震作用下的结构内力和变形。时程分析法是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法，也为国际通用的动力分析方法。

10、施工安装方法基本相同。主要分两类：一类是在地面拼装的整体顶升法、整体提升法和整体吊装法；另一类是高空就位的散装、分条分块就位组装和高空滑移就位组装等方法。

其次主要是探讨它们有所差异的一些性质。

1、定义不同。网格结构是由很多杆件通过节点，按照规律的几何图形组成的空间结构。网格结构中，双层或多层平板形网格结构称为网架结构，而曲面形网格称为网壳结构。

2、网壳较网架有突出的美感。网壳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。可以有各种平面形式和曲面形式，甚至可以通过曲面的切割和组合得到。既能表现静态美，又能通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现动态美。

3、可变荷载的取值有所不同。网架的屋面，一般不上人，屋面活荷载标准值为0.5kN/m2，而网壳按荷载规范一般取0.3kN/m2.。由于网架和网壳的外形不同，自然导致风荷载体型系数不同，使风荷载产生差异。

4、屋面排水方式不同。由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，而网架排水主要采用以下几种方式。（1）整个网架起拱，这种做法抗震性能好。（2）网架变高度，这种做法导致上弦杆和腹杆种类增多，给网架制作带来一定困难，但提高了网架的抗震性能。（3）上弦节点上加小立柱，但需对小立柱进行抗震和稳定的验算。

5、杆件的计算长度和容许长细比有所不同，计算长度的差异主要在其他腹杆的计算长度上，可查阅相关规范。对于压杆限制长细比的目的是防止过于细长易产生初弯曲，大大降低杆件承载力；对于拉杆限制长细比的母的是为了保证杆件在制作、运输、安装和使用过程中有一定刚度；对于直接承受动力荷载杆件则要求具有更大刚度，具体数值可查规范。

6、不同的内力性质。单层网壳结构的杆件需做成刚接，能够传递弯矩，而网架基本为铰接。平板网架对支座无水平推力或是拉力，而网壳一般不同，网壳需要较大的边缘构件来约束它。

7、抗震分析有所不同。网架：在设防烈度为8 度的地区，网架结构可不进行水平抗震计算，但必须进行竖向抗震计算。在设防烈度为9 度地区必须进行网架结构水平与竖向抗震计算。网壳：在设防烈度为7 度的地区，网壳结构可不进行竖向抗震计算，但必须进行水平抗震计算。在设防烈度为8 度、9 度地区必须进行网壳结构水平与竖向抗震计算。

8、网壳的稳定性问题较为突出。网架结构的稳定问题不是特别明显，有相当一部分网架的破坏由支座的破坏导致，而网壳结构的稳定需要特别关注，工程中的网壳破坏，特别是单层网壳，主要是由壳体的局部失稳开始。对于单层网壳结构在荷载作用下容易出现局部稳定问题，而且其稳定受到初始缺陷、非线性、曲面形状、网壳密度与厚度、结构与节点刚度、荷载分布边界条件等因素的影响，较为复杂。网壳的稳定性可按考虑几何非线性的有限元分析方法（荷载认一位移全过程分析）进行计算，分析中可假定材料保持为线弹性。用非线性理论分析网