网壳结构

网壳结构
Reticular Shell
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
1）按层数分类
单层网壳
双层网壳
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
2）按高斯曲率分类
高斯曲率
1 1 K = k1 ⋅ k 2 = ⋅ R1 R 2
(1)
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
2）按高斯曲率分类
零高斯曲率
正高斯曲率
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±
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。
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
Reticular Shell
网壳结构受力特点
± 网壳在制作和拼装方面技术要求比网架高 (1)制造精度要求更高 (2)节点和杆件在空间交汇角度必须计算准确 (3)拼装时必须精确地测量和控制节点坐标
┌─────────┬─────┬─────────────┐ │ │ │ 受拉构件 │ │ 网壳类型 │ 受压构件 │ │ │ │ ├──────┬──────┤ │ │ │ 静力荷载 │ 动力荷载 │ ├─────────┼─────┼──────┼──────┤ │ 双层网壳 │ 180 │ 300 │ 250 │ ├─────────┼─────┼──────┼──────┤ │ 单层网壳 │ 150 │ 300 │ 250 │ └─────────┴─────┴──────┴──────┘
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
1）球面网壳 短程线型球面网壳
±
网格大小匀称，受力性能好，适用于矢高比较大或超半球形网壳
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
1）球面网壳 短程线型球面网壳
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
2）柱面网壳 单斜杆型柱面网壳 弗普尔型柱面网壳
±
刚度较差，适用于中、小型网壳
六、杆件、节点和支座设计和构造 3 杆件的容许最小截面尺寸
参照《网架结构设计与施工规定》(JGJ7—91)规 定，网壳杆件的最小截面尺寸为：
±
1) 普通角钢不宜小于L50x3 2) 钢管不宜小于Ф48x2 3) 跨度较大的网壳，宜不小于Ф60x3
六、杆件、节点和支座设计和构造 4 杆件设计
一、杆件的截面选择原则 1) 每个网壳所选截面规格不宜太多，一般较小跨度网 壳以2-3种规格为宜，较大跨度网壳也不宜超过6-7种 2) 宜选用厚度较薄截面，使杆件在同样截面条件下， 可获得较大回转半径，对杆件受压有利 3) 选用市场能供应的规格 4) 钢管出厂一般均有负公差，故选择截面时应适当 富余量
b)等肢角钢
c)不等肢角
d)单角钢
e)H型钢
f)方管
圆管截面具有回转半径大和截面特性无方向性等特点，是 目前最常用截面形式,圆钢管截面有高频电焊钢管及无缝钢管 两种。在设计中应尽量采用高频电焊钢管，较无缝钢管造价便 宜且管壁较薄。
六、杆件、节点和支座设计和构造 1 杆件材料和截面形式
薄壁方管截面具有回转半径大、两个方向回转半 径相等的特点，是一种较经济截面，应用还不广泛
4）双层球面网壳的形式 联方型三角锥球面网壳
二、网壳的网格形式
4）双层球面网壳的形式 平板组合式球面网壳
二、网壳的网格形式
5）双层柱面网壳的形式 交叉桁架体系
±
只要将单层网壳中每个杆件，用平面网片 来代替，即可形成双层柱面网壳
二、网壳的网格形式
5）双层球面网壳的形式 正放四角锥柱面网壳
±
杆件类型少，节点构造简单，刚度大，是目前 最常用形式之一
±
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
±
网壳失稳现象的分类：即整体失稳和局部失稳
±
整体失稳是几乎整个结构都出现偏离平衡位置而 发生很大几何变位的一种失稳现象
±
单根杆件失稳是网壳中经常发生的局部失稳现象， 点失稳则是另一种局部失稳现象。网壳的整体失稳 往往是从局部失稳开始并逐渐形成的
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
单层网壳杆件计算长度系数μ
┌───────────┬───────────┐ │ 壳体曲面内 │ 壳体曲面外 │ ├───────────┼───────────┤ │ 0.9 │ 1.6 │ └───────────┴───────────┘
六、杆件、节点和支座设计和构造 2 杆件的计算长度和容许长细比 网壳杆件容许长细比
二、网壳的网格形式
5）双层球面网壳的形式 抽空正放四角锥柱面网壳
±
适用于小跨度、轻屋面，网格数应为奇数
二、网壳的网格形式
5）双层球面网壳的形式 斜置正放四角锥柱面网壳
二、网壳的网格形式
5）双层球面网壳的形式 三角锥柱面网壳
二、网壳的网格形式
5）双层球面网壳的形式 抽空三角锥柱面网壳
网壳结构
负高斯曲率
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类
球面网壳
椭圆抛物面
柱面网壳
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类 双曲抛物面网壳 双曲抛物面之组合
矩形平面
菱形平面
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类 球面切割网壳(三角形) 球面切割网壳(六边形)
§2.网壳结构设计 一、基本荷载 可变荷载 1. 屋面活荷（一般不上人屋面，0.5kN/m2） 2. 雪荷载（不与活荷同时考虑） 3. 风荷载 4. 积灰荷载 5. 温度作用 6. 地震作用 7. 装配应力
§2.网壳结构设计 二、网壳结构温度作用
±
网壳是超静定结构，在均匀温度场变化作用下，
由于杆件不能自由热胀冷缩，杆件内会产生应力，这 种应力称为网壳的温度应力。温度场变化范围是指施 工安装完毕（网壳支座与下部结构连接固定牢固）时 的气温与当地常年最高或最低气温之差。它的计算方 法有采用空间桁架/刚架位移法的精确分析法
±
影响网壳稳定性的因素极其复杂，除所用材料的 物理特性如弹性模量、强度和结构的几何形体组 成，杆件的截面尺寸、支承条件以及荷载类型外， 还与结构的初始缺陷和对网壳稳定性进行分析所 采用的方法有关。 结构的初始缺陷包括：结构外形的几何偏差、杆件 的初弯曲、节点的初偏心、杆件的材料缺陷以及杆 件和节点中的残余应力等等。由于网壳是一种缺陷 敏感性结构，初始缺陷的存在将会明显地降低网壳 的稳定性。
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
2）柱面网壳 双斜杆型 联方型 三向网格型
± ±
联方型网格刚度差 三向型网格刚度最好，是一种较经济合理的形式
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
3）双曲抛物面网壳 正交正放型
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
3）双曲抛物面网壳 正交斜放型
±
抗剪刚度较弱
{ P } = ( 0 . 3 ~ 0 . 4 ){ P }cr
D cr
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
±
网壳的失稳有许多不确定的因素，失稳又会造成 灾难性的破坏，而且发生突然，因此在设计网壳时， 应做到使网壳最大受力杆件达到其承载能力时荷载 {P}max要小于网壳的临界荷载设计值，即
{ P } max ≤ { P }
§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)
±
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
很早以前人们就开始采用线性理论分析网壳的稳 定性，但是用线性理论求得的临界荷载都得不到试验 的证实，大大高于试验所得到的临界荷载。
± ±
随着非线性理论的发展，目前非线性理论在网壳 稳定性分析中得到了广泛的采用。它不但可以考虑材 料非线性而且能够考虑结构变形的影响，在不断修正 的新的几何位置上建立平衡方程式，还可以考虑应变 中高阶量的影响和初应力对结构刚度的影响。另外在 分析中也便于把结构的初始缺陷计入。因此所得到临 界荷载和失稳现象都比较接近试验结果。
Reticular Shell
§2.网壳结构的设计 一、基本荷载 二、网壳结构温度作用 三、网壳结构地震作用 四、网壳结构装配应力 五、网壳结构的稳定计算 六、杆件、节点和支座设计和构造
§2.网壳结构设计 一、基本荷载 永久荷载 1. 网壳自重（程序自动计算） 2. 屋面板（包括连接檩条） 3. 吊顶材料自重 4. 悬挂设备、管道等自重
±
整体刚度好，适用于大、中型网壳
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
1）球面网壳 联方型球面网壳 三向网格球面网壳
±
适用于大、中型网壳
±
受力性能好，外形美观 适用于大、中型网壳
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
1）球面网壳 凯威特型球面网壳（Kiewitt）
±
K6型,4分频 K8型,4分频 网格大小匀称，内力分布均匀，适用于大、中型网壳
±
D cr
网壳结构的稳定性是一个十分复杂的问题，网壳 结构的稳定性控制结构设计，详细请参阅《网壳结构 稳定性定》，沈世钊、陈昕著，科学出版设，1999年
§2.网壳结构设计 六、杆件、节点和支座设计和构造
1 杆件材料和截面形式
± ±
钢材品种主要为Q235钢和Q345钢 网壳杆件的截面形式
a)圆管
±
±
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。
二、网壳的网格形式
4）双层球面网壳的形式 交叉桁架体系
只要将单层网壳中每 个杆件，用平面网片来 代替，即可形成双层球 面网壳，网片竖杆是各 杆共用，方向通过球心
±
二、网壳的网格形式
4）双层球面网壳的形式 肋环型四角锥球面网壳
二、网壳的网格形式
4）双层球面网壳的形式 联方型四角锥球面网壳
二、网壳的网格形式
±
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
±
网壳是一种缺陷敏感性结构，初始缺陷将明显地 降低网壳的临界荷载。许多试验和理论分析也证实 结构外形的几何偏差会降低临界荷载30％—40％。 由于初始缺陷除了结构外形的几何偏差以外，还有 其他多种类型，这些类型初始缺陷的影响虽不如几 何偏差显著，但也或多或少地会降低临界荷载，因 此建议临界荷载的设计值
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
临界荷载及设计准则 用非线性理论分析网壳稳定性时，关键是临界荷载 的确定。确定临界荷载最常用的方法就是取结构刚度矩 阵[K]的行列式之值等于零作为确定临界荷载的准则
det K = 0
这是一个常用而且可靠的条件，刚度矩阵[K]则应 包含所有的非线性因素,使det|K|=0时对应的荷载即 为临界荷载 {P}cr
± ±
单角钢适用受力较小的腹杆 H型钢适用受力较大弦杆
±
六、杆件、节点和支座设计和构造 2 杆件的计算长度和容许长细比
双层网壳杆件计算长度系数μ
┌─────────┬─────┬─────────────┐ │ │ │ 腹 杆 │ │ 连接形式 │ 弦 杆 │ │ │ │ ├──────┬──────┤ │ │ │ 支座腹杆 │ 其他腹杆 │ ├─────────┼─────┼──────┼──────┤ │ 螺栓球节点 │ 1 │ 1 │ 1 │ ├─────────┼─────┼──────┼──────┤ │ 焊接空心球节点│ 0．9 │ 0．9 │ 0．9 │ ├─────────┼─────┼──────┼──────┤ │ 板节点 │ 1 │ 1 │ 0．9 │ └─────────┴─────┴──────┴──────┘