单双层球面网壳结构的静力特性及其稳定性能分析

单双层球面网壳结构的静力特性及其稳定性能分析

韩庆华;杨志;潘延东;刘锡良

【摘要】结合一工程实例,将单层球面网壳结构与双层抽空四角锥球面网壳结构结合起来,设计了一种新型的空间结构型式,即单双层抽空四角锥球面网壳结构.简要介绍了该网壳的设计过程,并采用全铰接模型分析了单双层网壳结构的承载力.应用Lanczos法求解了网壳结构的特征值及特征向量,并运用柱面弧长法跟踪了结构的非线性平衡路径,同时考虑了初始几何缺陷的影响.对比分析了两种不同支座条件的线性及非线性屈曲特性,并得出一些结论,供工程界参考.

【期刊名称】《天津大学学报》

【年(卷),期】2002(035)004

【总页数】5页(P447-451)

【关键词】单双层;抽空四角锥;球面网壳;静力特性;稳定性能

【作者】韩庆华;杨志;潘延东;刘锡良

【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天

津,300072

【正文语种】中文

【中图分类】TU393.3

球面网壳结构由于具有造型美观、空间受力合理等优点而成为大跨空间结构中较常采用的一种结构形式.双层球面网壳结构跨越能力强且用料经济，结构主要受强度

控制设计，但杆件、节点多，视觉效果差；单层球面网壳结构形式美观，简洁明快，杆件、节点少，但跨越能力较差（不宜超过60 m），结构主要受稳定控制设计.在大跨度（L≥60m）结构中，将单双层网壳结合起来，同时在双层部分有规律的抽

掉部分角锥，从而形成一种新型的结构形式，即单双层抽空四角锥球面网壳结构，可充分发挥两种结构形式的优点.

文献［1］的作者提出一种局部双层网状球壳，见图1.结构上，这种网壳实际上是一种抽空的双层网壳，其上弦杆件形成三角形网格，下弦杆件沿径向、次径向及环向布置，而腹杆的设置原则是使所有的上弦节点至少有一根腹杆与下弦节点相连，以确保网壳的任意位置都不具有单层网壳的受力特点，因而也就不会发生单层网壳的失稳状态.福州师专阶梯教室的屋盖结构即采用了这种局部双层网壳结构.网壳的

覆盖平面直径为22.29m，厚度1.28m，矢高4.32m，承受均布荷载3.10

kN/m2，耗钢量为18.5 kg/m2（展开面积）.山东烟台塔山竞技馆屋面结构采用

了局部双层网壳的形式，该网壳上弦为K6型网格，中心是一双层网壳，其余部分则采用了与图1类似的构成.该网壳跨度40m，矢高8m，双层部分厚度2m，于1993年建成.

在山东莱芜某培训中心欢乐宫屋顶网壳的设计中，作者使用了单双层抽空四角锥球面网壳的结构型式.结构平面及剖面如图2所示，与图1不同之处在于结构的中间

部分为单层，而边缘部分为双层，且网壳的覆盖面积更大.该网壳支承跨度为80 m，两边各外挑2.4m，矢高为20m；中间直径42m范围内为一K6型与联方型的组

合单层网壳，周边21.2m范围内为一变厚度（3～2.3m）的双层抽空四角锥球壳，采用焊接空心球节点，杆件总数为6 648，节点总数为1 945.杆件配置为双层部

分φ75.5mm×3.75mm、φ89mm×4 mm、φ114 mm×5 mm、φ127 mm×6 mm，单层部分φ159mm×6mm、φ168mm×10mm；节点配置为D

250mm×8 mm、D280 mm×10 mm、D300 mm×12 mm、D350mm×14mm、

D400mm×16mm及D450mm×18 mm.整个屋顶的表面积为7 060m2，结构用钢量为35.4 kg/m2.

作者在简要介绍了该单双层网壳的设计过程以后，详细分析了这类网壳结构的静力特性及稳定性能，考虑了支座条件对结构整体稳定性的影响，并得出了一系列结论，供工程界参考.

1.1 设计荷载

根据本工程所处的地点及屋面做法，设计时考虑了以下几种荷载工况：

1）恒载：玻璃屋面0.70 kN/m2，马道、风道等0.30 kN/m2，网壳自重0.40

kN/m2；

2）活载：0.50 kN/m2；

3）基本风压：0.35 kN/m2；

4）基本雪压：0.20 kN/m2；

5）抗震设防烈度：7度，Ⅱ类场地土，近震；

6）温度变化：±20℃.

由于施工采用了地面拼装、整体提升的安装方法，且提升点的位置恰是支座位置，与结构使用阶段的受力状况完全一致，所以设计中没有考虑施工荷载的影响.

1.2 荷载组合

依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2001）及《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001），考虑了以下4种荷载组合：

式中：S1、S2、S3和S4分别为前述6种荷载工况的不同组合；γG=1.2/1.0；

γQ=γw=1.4；ψEh=1.3；ψEV=0.5；ψT=ψw=0.85；ψEV=0.75.

地震作用标准值为

α为水平地震作用系数，依据《网壳结构技术规程》，取0.52.将式（1）及式（2）求得的集中力作为节点荷载施加于各相应节点，进行抗震设计.

2.1 支座构造

网壳结构实际工程中常用的两种支座为橡胶垫支座和带后浇层支座.图3所示的橡

胶垫支座允许节点有少许转动和平动，可明显减小温度应力的影响并具有较好的抗震性能，缺点是施工复杂，需定期维修；图4所示的带后浇层支座是近年来在轻

钢结构中逐步发展起来的一种方便的支座做法，易于支座找平，但允许节点转动的能力较差.

计算中为考虑下部结构对网壳结构承载力的影响，根据支座构造不同，采用了竖向刚性支承、水平方向弹性支承的边界条件.带后浇层支座的水平刚度为下部混凝土

柱的侧移刚度，而橡胶垫支座还应同时考虑橡胶垫水平刚度的迭加.

2.2 计算模型及结果

单双层抽空四角锥球面网壳结构计算时，可以采用全铰接模型、全刚接模型或刚铰接模型，通过比较，3种模型的计算结果基本上是相同的.由于全铰接模型节点自

由度少，计算简单，所以在静力计算时多采用这一模型［5］，分析时采用空间杆单元.在前述4种荷载组合下，上弦杆件的最大设计应力（考虑了稳定系数的影响）如图5所示.可以看出，双层部分杆件最大应力一般界于-170～190 MPa之间，强度用的比较充分：单层部分杆件的应力一般界于-20～40 MPa之间，应力用得很低，这主要是为结构的整体稳定留有储备.

在1.2所示4种荷载组合中，组合4起控制作用.为保证结构的安全，在进行了抗

震设计以后，采用振型分解反应谱法计算了网壳结构在两种支座条件下的位移反应和内力反应［6］.计算后发现，橡胶垫支座的结构反应稍高于后浇层支座，但两者的结果均小于抗震设计中所取应力，表明设计是可靠的.

3.1 计算模型

由于该工程单层部分使用了节点刚度较大的焊接球而双层部分使用了刚度较小的焊接杆，所以计算时采用刚铰接混合模型比较合理［6］，即网壳单层部分采用空间