网壳结构

网壳结构
一、简介
1.1 何为网壳结构
网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性，受力合理，覆盖跨度大，其外形为壳，是格构化的壳体，也是壳形的网架。

它是以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体坐标进行布置的空间构架，其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。

它既有靠空间体形受力的优点，又有工厂生产构件现场安装的施工简便、快速的长处，而且他以结构受力合理，刚度大，自重轻，体形美观多变，技术经济指标好,而成为大跨结构中备受关注的一种结构形式。

1.2 网壳的形式与分类
（1）按网壳的层数来分，有单层网壳和双层网壳，其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来，因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系（包括四角锥系、三角锥系和六角推系）组成。

（一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时，可采用单层网完，跨度大时，则采用双层网壳。

）如图1
图1 单层网壳与双层网壳
（2）按网壳的用材分，主要有木网壳、钢网壳、钢筋混凝土网壳以及钢网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳等四类。

（3）按曲面的曲率半径分，有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类。

（4）按曲面的外形分，主要有球面网壳、圆柱面网壳、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）等。

（5）按网壳网格的划分来分，有以下两类。

对于圆柱面网壳主要有单向斜杆型、交叉斜杆型、联方网格型、三向型，如图2所示。

对于球面网壳主要有肋环型、Schwedler型、联方网格型、三向网格型，如图3所示。

（a）（b）（c）（d）
图2 圆柱面单层网壳网格
（a）单向斜杆型（b）交叉斜杆型（c）联方型（d）三向网格型
图3单层球面网壳网格类型
二、受力特点和典型工程应用
1、圆柱面网壳受力特点
1.1两对边支撑
对于以跨度方向为支座，拱脚常支撑于圈梁、柱顶或基础上产生推力。

对于以波长方向为支座，柱面网壳端支座若为墙，则为受拉构件，若端支座为边高度梁，则为拉弯构件，此时应设边梁。

1.2四边支撑或多点支撑
网壳的受力同时有拱式受压和梁式受压两方面。

两种作用的大小同网格的构成及网壳的跨度和波长有关。

工程中常用短壳，如因功能需求必须加长网壳时，克在纵向中部增设加强肋。

2、球网壳受力特点
受力与圆顶相似。

网壳的杆件作为拉杆或压杆，节点构造也需承受拉力和压力，球网壳的底座可设置环梁，可增加结构的刚度。

网壳支座约束增强，内里逐渐均匀，且最大内力也减小，稳定性提高，因此
周边支座以固定支座为宜。

3、工程应用
3.1中国国家大剧院
中国国家大剧院高46.68米。

由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，设计方为法国巴黎机场公司。

是亚洲最大的剧院综合体。

国家大剧院外部为钢结构壳体呈半椭球形，平面投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，比人民大会堂略低3.32米，基础最深部分达到-32.5米，有10层楼那么高。

国家大剧院中心建筑为半椭球形钢结构壳体，东西长轴212.2米，南北短轴143.64米，高46.68米，地下最深32.50米，周长达600余米。

如图4
图4中国国家大剧院
国家大剧院主体建筑钢结构超椭球体壳为一个超大空间壳体，壳体是经过精确数字计算得出的系数为2.24的超级椭球，它集建筑、材料、设备等高科技于
一身，其外围护装饰板面积约36000m2。

巨
大的壳体是建筑与结构的融合体、墙面与顶
面浑然一体没有界限。

整个钢壳体由顶环
梁、钢架构成骨架，148榀(其中102榀不露
明，46榀露明)弧形钢架呈放射状分布，钢
架之间由连杆、斜撑连接，壳体钢架从外观
看似是落在水中，实际上下部是支撑在3m
宽，2m高的巨大混凝土圈梁上。

巨大的穹
顶重逾6000t，内部没有一根立柱，却包含着歌剧院、戏剧院和音乐厅三幢混凝土建筑。

设计考虑到方便施工及加工周期问题，壳体钢结构构件尽量标准化，并易于装配。

3.2上海科技馆
上海科技馆位于上海浦东花木行政中心区，场地面积68726㎡，主楼建筑面积88000㎡，最高层数4层，最高点49ｍ，层高10ｍ。

建筑设计由美国RTKL 和上海建筑设计研究院完成，结构设计由上海建筑设计研究院完成。

科技馆大厅是椭圆形球体结构单层网壳的长轴67ｍ，短轴51ｍ，椭球体为沿椭圆平面长轴旋转体，削去下半部分而成。

球高42.2ｍ。

球体两侧各开有宽9ｍ，高16ｍ的大门洞，端部有个宽9ｍ、高5ｍ的小门洞。

网壳结构采用联方型与凯威特型相结合的形式。

在接近赤道的上下部位采用了联方型，而在顶部部分则采用凯威特型。

三、设计和施工中的关键问题
网壳在设计中应考虑如下方面的问题：
1、基本荷载
基本荷载包括永久荷载：网壳自重、屋面板、吊顶材料自重、悬挂设备自重等。

可变荷载：屋面活荷（一般不上人屋面，0.5kN/m2），雪荷载（不与活荷同时考虑），风荷载，积灰荷载，温度作用，地震作用，装配应力等。

2、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。

可以考虑调整支座类型来考虑释放温度应力。

3、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。

4、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。

5、 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
载的设计值应满足公式cr D cr
P P }){4.0~3.0(}{ 网壳在施工及使用过程中也有许多需要注意的问题：
1、网壳结构的防腐和防火
网架与网壳的杆件和节点采用钢材，钢材是一种不会燃烧的材料，但它机械性能，如屈服点、抗拉强度和弹性模量等会受到温度影响而产生变化，通常在450-650℃时，就失去承载能力，使网架与网壳的杆件发生屈曲，造成大跨度屋面或楼面倒塌，或者产生过大的变形而不能继续工作。

对于建造在具有防火要求的建筑中的网架和网壳，必须采取防火措施，以达到防火要求。

同时钢材也极易发生锈蚀，锈蚀使杆件截面减小、大大降低网架和网壳的安全度和使用年限，因此必须采取防腐措施。

1）改变金属结构的组织，在钢材冶炼过程中增加铜、铬和镍等合金元素以提高钢材的抗锈能力，如采用不锈钢材制成网架
2）在钢材表面用金属镀层保护，如电镀或热浸镀锌等方法
3）在钢材表面涂以非金属保护层，即用涂料将钢材表面保护起来使之不受大气中有害介质的侵蚀
四、 未来发展和应用前景
大跨度网壳结构虽然是一种新型的结构形式，随着计算机技术的发展以及经济的飞速发展，大跨度网架结构也得到了广泛的应用，但也有越来越多的场馆需要更大的跨度，更复杂的结构体系，这就需要我们对这方面的知识进行进一步的更新，结合新型材料的研发，来充分发挥网壳结构刚度大，自重轻的特点，由于网架音杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的改变，对网壳结构内力、整体稳定和施工影响较大，因此也要提高杆件及节点的加工精度，寻求新型的施工方法克服一系列施工中的难题，大跨网壳结构将有很广阔的发展前景。

五、 结语
在如今快速发展的时代，各个国家都在热衷于建设更高、跨度更大的巨型建筑，一个国家级技术水平也在这方面得到很好的体现，作为新型的大跨度空间结构，网壳结构具有其独特的优点，也得到各国建筑是的青睐，从很多国内大跨度建筑来看，不难看出很多结构都是由外国设计师们所设计的，这表明我们国家在这方面与发达国家还存在这一定的差距，因此，我们应该对大跨度空间结构进行一系列深入的研究，掌握核心技术，不断寻求新的施工技术，才能跟得上发展的脚步。

六、参考文献
[1] 黄斌，毛文筠.新型空间钢结构设计与实例[M],北京：机械工业出版社，2009
[2] 孙建琴大跨空间结构设计，科学出版社，2009
[3] 沈世钊,陈昕．网壳结构稳定性[M]．北京:科学出版社，1999。

[4] 尹德钰，刘善维，钱若军．网壳结构设计[M]．北京：中国建筑产业出版社1996。

[5] 李国强；蒋首超；林桂祥钢结构扛活计算与设计1996
[6] 沈祖炎；陈扬骥网架与网壳[M].上海：同济大学出版社，1991。