大跨空间结构网壳结构张

大跨空间结构

网壳结构内容1、网壳结构的形式2、网壳结构的设计3、网壳结构的稳定性4、网壳结构的抗震分析5、网壳结构连续倒塌失效机理内容1、网壳结构的形式（绘图）2、网壳结构的设计3、网壳结构的稳定性4、网壳结构的抗震分析5、网壳结构连续倒塌失效机理（1）层数4/37

1.1分类（a）单层网壳（b）双层网壳

（c）三层网壳（2）高斯曲率5/37

1.1分类曲线坐标法截面与曲面相交的曲线，在点处的曲率称为法曲率。在点处所有法曲率中，有两个取极值的曲率（即最大与最小的曲率）称为点主曲率，用k1，k2表示。曲面的两个主曲率之积称为曲面在该点的高斯曲率。6/37

1.1分类（a）圆锥壳（K=0）（b）双曲面网壳（K>0）（c）单块扭曲面网壳（K<0）零高斯曲率的网壳有柱面网壳、圆锥形网壳等。正高斯曲率的网壳有球面网壳、双曲扁网壳、椭圆抛物面网壳等。（3）曲面外形7/37

1.1分类柱面网壳球面网壳8/37

1.1分类双曲抛物面网壳复杂曲面网壳

基本形式有柱面的切割与组合、球面的切割与组合、双曲抛物面的切割与组合及柱面与球面的组合等。

双曲抛物面网壳是由一根曲率向下的抛物线（母线）沿着与之正交的另一根具有曲率向上的抛物线平行移动而成。该曲面呈马鞍形。（1）旋转法9/37

1.2曲面的形成方法（a）圆球面（b）旋转椭圆球面（c）旋转抛物面（d）旋转双曲面（e）圆锥面（f）圆柱面10/37

1.2曲面的形成方法（2）平移法（a）柱面（b）柱状面（c）劈锥曲面（d）椭圆抛物面（e）双曲抛物面11/371.3柱面网壳（1）单层柱面网壳的的形式（a）单向斜杆型（（b）人字型（c）双斜杆型（d）联方型（（e）三向网格12/371.2分类（2）双层柱面面网壳的形式-交叉桁架体系系交叉桁架体系基基本单元（2）双层柱面面网壳的形式-四角锥体系13/371.3柱面网壳（a）正放四角角锥柱面网壳（（b）正放抽空空四角锥柱面网网壳（2）双层柱面面网壳的形式-四角锥体系14/371.3柱面网壳（c）斜放四角锥柱柱面网壳（（d）棋盘形四角锥锥柱面网壳（1）单层球面网壳壳15/371.4球面网壳（绘图图）肋环型球面网壳壳只有经向和纬向向杆件。每个节点只汇交交四根杆件，故故节点构造简单单，节点一般为为刚性连接，承承受节点弯矩。。用于中、小跨度度的穹顶。16/371.4球面网壳（a）左斜杆型（b）左右单斜杆型（c）双斜杆型（d）无纬向杆施威德勒型球面网壳17/371.4球面网壳（a）无纬向杆（b）有纬向杆联方型球面网壳由左斜杆和右斜斜杆组成菱形网网格的网壳。用于大、中跨度度的穹顶。18/371.4球面网壳（a）K6型（b）K8型（c）K6与联方组合型（d）K8与联方组合型凯威特型球面网壳划分n个对称扇形曲曲面，然后在每每个扇形曲面内内，再划分为大大小比较匀称的的三角形网格。网格大小匀称，，内力分布均匀匀，常用于大、、中跨度的穹顶顶中。19/371.4球面网壳三向格子型球面面网壳在球面上用三个个方向的、相交交成60°的大大圆构成，或在在球面的水平投投影面上，将跨跨度n等分，再再作出正三角形形网格，投影到到球面上后，即即可得到三向格格子型球面网壳壳。多用于中、小跨跨度的穹顶。20/371.4球面网壳（a）正四面体（（b）正六面体（（c）正八面体（（d）正12面体（e）正20面体正则多面体正则多面体面数数F，棱数E，顶点数V21/371.4球面网壳正则多面体的基基本数据22/371.4球面网壳（a）半截四面体（b）斜截六面体（c）平截八面体（d）斜截12面体（e）斜截20面体（f）正放六~八面组合体（g）20~12面组合体（h）六~八面组合体（i）过渡六面体23/371.4球面网壳（j）过渡12面体（k）正放20~12面组合体（l）斜截六~八面组合体（m）斜截20~12面体半正则多面体半正则多面体（第一类：阿基米德体）的面是由二种或或三种正多边形形组成，同类型型的正多边形相相等，其多面角角虽不是正则的的，却是相等的的，棱长也是相相等的，而且可可以内接在一个个球面内，但不不能外切于一同同心球。24/37半正则多面体的的基本数据25/371.4球面网壳（a）内接正20面体（b）等边球面三角形（c）等角再分球面划分（a）三角形（b）菱形（c）半菱形（d）六角形网格形式短程线富勒26/371.4球面网壳根据短程线的原原理，将正多面面体和半正则多多面体的基本三三角形均分，从从其外接球中心心将这些等分点点投影到球面上上，连接此球面面上所有点构成成的网壳，通常常都称为短程线线网壳。a．交替划分法法①均分法

（a）N=1（b）N=2（c）N=3（d）N=4（e）N=4弦均分法27/371.4球面网壳②弧（等角）再分分法将多面体的基本本三角形的边进进行二等分或三三等分，并从其其外接球中心将将等分点投影到到球面上。把投影点连线形形成新多面体的的棱（弦），此此时原弦长缩小小一半或l/3。再将此新弦二等等分（以后各次次均分都相同）），并从外接球球中心通过此新新的再分点投影影到球面上。如如此循环进行直直至划分结束。。（a）N=2（b）N=4等弧（等角）再再分法28/371.4球面网壳③等分弧边法该法与等弧（等等角）再分法不不同之处是将基本三角形各边边所对的弧直接接进行等分，连接球面上各各划分点，即求求得短程线型球球面网格。b.面心划分法法将多面体的基本本三角形的边以以N次等分，并并在划分点上以以各边的垂直线线相连接，从而而构成了正三角角形和直角三角角形的网格。再再将基本三角形形各点投影到外外接球球面上，，连接这些新的的点，即求得短短程线型球面网网格。

（a）N=1（b）N=2（c）N=4（d）N=629/371.4球面网壳短程线球面网壳壳30/371.4球面网壳两向格格子型型球面面网壳壳这种网网壳一一般采采用子子午线线大圆圆划分分法构构成四四边形形的球球面网网格，，即用用正交交的子子午线线族组组成网网格。。子午午线间间的夹夹角一一般都都相等等，可可求得得全等等网格格，如如不等等则组组成不不等网网格。。二向格格子型型球面面网壳壳网格格划分分内容1、网壳壳结构构的形形式2、网壳壳结构构的设设计3、网壳壳结构构的稳稳定性性4、网壳壳结构构的抗抗震分分析5、网壳壳结构构连续续倒塌塌失效效机理理32/372.1双层网网壳的的设计计（1））网格格形式式由于网网壳结结构除除承受受弯曲曲以外外，尚尚有薄薄膜力力的作作用，，所以以双层层网壳壳的上上弦杆杆和下下弦杆杆都可可以是是受压压的，，因此此适用用于平平板网网架中中的上上弦杆杆短、、下弦弦杆长长的很很多形形式，，但并并不一一定适适用于于双层层网壳壳。（2））网壳壳的厚厚度双层柱柱面网网壳的的厚度度可取取跨度度的1/50~1/20；双双层球球面网网壳的的厚度度一般般可取取跨度度的1/60~1/30。（3）容许挠度网壳结构的最大挠挠度值不应超过短短向跨度的1/400。对于悬挑挑网壳，其最大位位移不应超过悬挑挑跨度的1/200。33/372.1双层网壳的设计（4）杆件的计算长度度系数双层网壳杆件的计算长度系数双层网壳杆件的容容许长细比，对受受压杆件[]=180；受拉杆件，对于于一般杆件取[]=300，对于于支座附近杆件取取[]=250，对于于直接承受动力荷荷载杆件则取[]=250。34/372.1双层网壳的设计（5）焊接空心球球节点承载力平板网架焊接空心心球节点承载力公公式的缺点之一是是适用范围仅为500mm以内，当当直径超过500mm时该公式不不再适用；缺点之二是受压承载力的公式式量纲是不一致的。以弹塑性理论为基基础，发现当空心心球的径厚比满足足一定要求时，其其破坏形式均为冲冲剪破坏，其拉压压极限承载力主要要与钢材的拉剪强强度及球杆连接处处的环形冲剪面积积等因素有关。现行规程《空间网网格结构技术规程程》（JGJ2010）将焊接空空心球节点拉压承承载力公式统一。。35/372.1双层网壳的设计（6）螺栓球节点点设计螺栓球节点产品质质量应符合现行行行业标准《钢网架螺栓球节节点》（JG/T10）的规定。高强度螺螺栓的性能等级应应按螺纹规格分别别选用。对于M12~M36的的高强度螺栓，其强度等级为10.9S；对于M39~M64的高强度螺栓，其其强度等级为9.8S。螺栓的形式与尺尺寸应符合现行国国家标准《钢网架螺栓球节节点用高强度螺栓栓》（GB/T16939）的要求。36/372.2单层网壳的设计（1）计算模型当采用螺栓球节点时，应采用空间杆系有限元法法计算；当采用焊接空心球节点时，可采用空间梁系有限元法法进行分析。（2）杆件设计单层网壳杆件的受受力一般有两种状状态：一种为轴心心受力，一种为拉拉弯或压弯。当网网壳节点的计算模模型为铰接时，杆杆件只承受轴向拉拉力或轴向压力，，杆件截面设计可可参考网架结构的的杆件设计。当网壳节点的计算算模型为刚接时，，网壳的杆件除承承受轴心力以外，，还有弯矩作用，，杆件应按偏心受受力构件进行设计计。37/372.2单层网壳的设计①强度验算②稳定性验算38/372.2单层网壳的设计③刚度验算单层网壳杆件的容容许长细比，一般般比双层网壳的略略严，对受压杆件件取[]=150，受拉杆件取[]=300。其计算长度分壳体体曲面内和曲面外外两种情况，在壳壳体曲面内取=0.9，壳体曲面外取=1.6。39/372.2单层网壳的设计（3）节点设计单层网壳的杆件采采用圆管时，铰接接节点一般采用螺螺栓球节点，刚接接节点一般采用焊焊接空心球节点。。具体采用何种节节点形式，主要由由网壳结构的跨度度决定。一般认为为当单层网壳的跨跨度较小时可采用用螺栓球节点，正正常情况下均应采采用焊接空心球节节点。（a）弯矩作用（b）偏心受压（（c））偏心受拉节点受力简图40/372.2单层网壳的设计式中：Nc——偏心压力作用用下节点所受的压压力（kN）；Ncu——轴向压力作用用下节点的承载力力设计值（kN））；Mu——弯矩作用下极极限承载力设计值值（kNm）。式中：Nt——偏心压力作用用下节点所受的压压力（kN）。Ntu——轴向压力作用用下节点的承载力力设计值（kN））；41/372.2单层网壳的设计带肋节点在弯矩、、轴向压力、轴向向拉力作用下的极极限承载力，应考考虑承载力提高系系数m（弯矩作用）、c（压力作用）、t（拉力作用）的影影响。加劲肋可使节点承承载力在轴向拉力力作用时提高10％，轴向压力作作用时提高40％％，弯矩作用时提提高50％。即加加肋节点受弯承载载力提高系数m；加肋节点受压承承载力提高系数c；加肋节点受拉承承载力提高系数t。42/372.3网壳结构的温度应应力和装配应力（1）温度应力的的计算网壳的温度应力的的计算应采用空间间杆系有限元法进进行。基本原理理同网架结构。温度应力是由于温温度变形受到约束束而产生的，降低低温度应力的有效效方法应是设法释释放温度变形，其其中最易实现的是是将支座设计成弹弹性支座，但应注注意支座刚度的减减少会影响网壳的的稳定性。（2）装配应力的的计算装配应力往往是在在安装过程中由于于制作和安装等原原因，使节点不能能达到设计坐标位位置，造成部分节节点间的距离大于于或小于杆件的长长度，在采用强迫迫就位使杆件与节节点连接的过程中中就产生了装配应应力。当需要计算装配应应力时应采用空间间杆系有限元法，，基本原理与计算算温度应力时相仿仿，即将杆件长度度的误差比拟为由由温度引起的伸长长或缩短即可。内容1、网壳结构的形式式2、网壳结构的设计计3、网壳结构的稳定定性4、网壳结构的抗震震分析5、网壳结构连续倒倒塌失效机理44/373.1定义结构的稳定性是指指结构平衡状态的的稳定性。任何结结构的平衡状态可可能有三种形式，，即稳定的平衡状状态、不稳定的平平衡状态和随遇平平衡状态。（a）稳定的平衡状态态（b）不稳定的平衡状状态（c）随遇平衡状态45/373.2分类（1）失稳受一定荷载作用的的结构处于稳定的的平衡状态，当该该荷载达到某一值值时，若增加一微微小增量，结构的的平衡位形将发生生很大变化，结构构由原平衡状态经经过不稳定的平衡衡状态而到达一个个新的稳定的平衡衡状态。这一过程程就是失稳或屈曲曲，相应的荷载称称为临界荷载或屈屈曲荷载。（2）失稳的种类类根据结构在失稳过过程中平衡位形是是否发生质变，结结构的屈曲一般可可以分为第一类屈屈曲（分枝点屈曲曲）和第二类屈曲曲（极值点屈曲））。46/373.2分类当外荷载超过临界界荷载时，基本平平衡状态成为不稳稳定的平衡，在它它附近还存在另一一个平衡状态，此此时一旦有微小扰扰动，平衡形式就就会发生质变，由由基本平衡状态屈屈曲后到达新的平平衡状态，所以这这种屈曲被称为分分枝点屈曲。极值点屈曲：如果果结构存在初始缺缺陷，并考虑结构构的非线性性能，，当外荷载增大到到临界荷载Pcr以后，系统的平衡衡状态变为使荷载载保持不变，结构构会发生很大位移移。（a）分枝点屈曲（（b）极值点屈曲47/373.3屈曲分析（1）线性屈曲分分析线性屈曲分析用来来预测一个理想线线性结构的理论屈屈曲强度，无须进进行复杂的非线性性分析，即可获得得结构的临界荷载载和屈曲模态，并并可为非线性屈曲曲分析提供参考荷荷载值。（2）非线性屈曲曲分析考虑初始缺陷对结结构理论屈曲强度度的影响，对结构构进行基于大挠度度理论的非线性屈屈曲分析。非线性有限元增量量方程的最基本的的求解方法是牛顿顿—拉斐逊法（NewtonRaphsonMethod））或修正的牛顿——拉斐逊法（ModifiedNewtonRaphsonMethod）。基于这个基基本方法，形成比比较有参考价值而而又行之有效的一一种方法即等弧长长法（ArcLengthMethod）。。48/373.3屈曲分析结构在某一特定平平衡状态的稳定性性能可以由它当时时的切线刚度矩阵阵来判别：正定的的切线刚度矩阵对对应于结构的稳定定平衡状态；非正正定的切线刚度矩矩阵对应于结构的的不稳定平衡状态态；而奇异的切线线刚度矩阵则对应应于结构的临界状状态。极值点判别一极值点判别二极值点判别三49/373.3屈曲分析单层网壳以及厚度度小于跨度1/50的双层网壳均均应进行稳定性计计算全过程分析网壳结构的稳定性性可按考虑几何非线性的有限限元分析方法（荷荷载-位移全过程程分析）进行分析析，分析中可假定材材料保持为线弹性性。其全过程分析析可按满跨均布荷载进行，圆柱面网壳壳结构应补充考虑半跨活活荷载分布。分析时应考虑初初始几何缺陷的影影响，并取结构的的最低阶屈曲模态作为初始缺陷分布布模态。其最大值值可按容许安装偏偏差采用，但不小小于网壳跨度的1/300。K——安全系数，当当按弹塑性全过程程分析时，安全系系数可取2.0；当按弹性全过程程分析、且为单层层球面网壳、柱面面网壳和椭圆抛物物面网壳时，安全全系数可取4.2。50/373.4提高稳定性措施（1）优化网壳的的曲面形状及曲率率在满足建筑造型的的条件下，选择对对缺陷不敏感的曲曲面形状和矢跨比比。对于周边支承承的网壳，较大矢矢跨比的反向曲面面较为经济合理。。（2）选择合理的的网格体系和网格格密度三角形网格面内刚刚度大；网格密度度应以杆件的失稳稳不早于网壳整体体失稳为原则；结结构整体不应有明明显的刚度薄弱区区域。（3）选择合理的的节点连接方式刚性节点利于整体体稳定，但大矢跨跨比的网壳，在刚刚性边界节点处需需要规格较大的杆杆件，否则可能出出现显著的局部边边界屈曲效应。（4）选择合理的的杆件材料杆件材料弹性模量量E大，网壳结构刚度度大，受荷载作用用变形小，整体稳稳定性高。另外，，单层网壳结构，，采用闭口截面杆杆件利于稳定，当当采用矩形钢管时时，长边应垂直于于结构曲面。51/373.4提高稳定性措施（5）结构刚度分分布合理网壳结构的整体等等效刚度与杆件规规格、网格体系、、结构层数有关。。大跨度网壳结构构宜采用双层结构构体系。（6）合理的支座座约束支座约束包括：支支座数量、布置方方式、约束方向、、约束刚度。对于于大跨度网壳结构构，周边支承比点点支承稳定性高；；树状支撑比单柱柱支撑稳定性高；；支座约束刚度大大稳定性高。大跨跨度网壳的支座布布置应均匀，且每每个主肋下均应设设置支座。（7）采用不同结结构体系的组合①大跨度拱支网壳壳结构；②斜拉网网壳结构；③单双双层网壳。内容1、网壳结构的形式式2、网壳结构的设计计3、网壳结构的稳定定性4、网壳结构的抗震震分析5、网壳结构连续倒倒塌失效机理53/374.1抗震分析网壳结构水平与竖竖向振型，与矢跨跨比有关。抗震设防烈度为7度的地区，矢跨跨比大于或等于1/5时，水平抗抗震验算；当矢跨跨比小于1/5时时，应进行竖向和和水平抗震验算。。在抗震设防烈度度为8度或9度的的地区，对各种网网壳结构应进行竖竖向和水平抗震验验算。采用振型分解反应应谱法，计算时宜宜至少取前25～～30个振型。对于体型复杂或重重要的大跨度网壳壳结构需要取更多多振型进行效应组组合，并可应采用时程程分析法进行补充充验算。应根据建建筑场地类别和设设计地震分组选用用不少于二组的实实际强震记录和一一组人工模拟的加加速度时程曲线。网壳结构的抗震分分析需分两阶段进进行。第一阶级为多遇地地震作用下的分析析。弹性时程分析析。第二阶段为罕遇地地震作用下的分析析。网壳在罕遇地地震作用下处于弹弹塑性阶段，应作作弹塑性时程分析析，用以校核网壳壳的位移以及是否否会发生倒塌。内容1、网壳结构的形式式2、网壳结构的设计计3、网壳结构的稳定定性4、网壳结构的抗震震分析5、网壳结构连续倒倒塌失效机理55/375.1定义连续倒塌(ProgressiveCollapse)定义为为：初始的局部破破坏在构件之间发发生连锁反应，最最终导致整体结构构的倒塌或是发生生与初始局部破坏坏不成比例的结构构大范围倒塌。而而引起局部破坏的的意外荷载一般由由自然灾害和人为为失误两类因素造造成，通常包括爆爆炸、撞击、火灾灾大风、地震、异异常降雪、施工误误差、基础沉降等等。建筑结构连续倒塌塌控制与设计的基基本思想：（1）减小结构遭遭受突发事件的影影响；（2）加强局部构构件或连接对减小小结构遭受突发事事件的影响；（3）提高结构抵抵抗连续性倒塌的的能力应着眼于结结构的整体性能或或者说鲁棒性能；；（4）考察各类结结构体系发生连续续性倒塌的机理和和能力特征。56/375.2分析方法（1）拉结力设计计法拉结力设计即要求求构件和连接满足足最低的抗拉强度度要求，且各相连构件形成成的传力路径必须须是直线的和连续续的。①内部拉结力，主主要由梁或楼板承承担，可根据发挥挥梁悬链线效应或或楼板薄膜效应的的要求确定；②周边拉结力，主主要由周边大梁承承担，可用以锚固固内部拉结的大梁梁或楼板；③对边柱或边墙的的水平拉结力，除除满足内部拉结力力要求外，还应承承受一定的悬挂拉拉力；④竖向拉结力，由由上下连续贯通的的柱子承担，要求求能够承受与其轴轴压力相等的拉力力。框架结构的拉结力力设计示意57/375.2分析方法（2）变换荷载路路径法（AlternativePath-AP）变换荷载路径法：：通过假定结构中中某主要构件（高高敏感性构件）失失效，即在计算过过程中将其从结构构中“删除”，以以此模拟结构发生生局部破坏，分析析剩余结构在原有有荷载作用下发生生内力重分布后能能否形成“搭桥””能力，即是否能能够形成新的荷载载传递路径，从而而判断结构是否会会发生连续倒塌。。变换荷载路径法中中柱子的删除58/375.2分析方法AP法定义中，初初始局部破坏引起起的结构响应变化化，即承载力对于于杆件移除前后的的灵敏程度被定义义为敏感性指标，，结构敏感性与结结构冗余特性是成成反比的，由下式式表示：冗余度可以被认为为是结构抵抗连续续倒塌的能力。如如果结构发生局部部破坏，即结构的的某个构件由于意意外荷载的作用而而突然消失，理想想的结构应该仍然然能够继续承担荷荷载，而不至于连连续倒塌，但结构构在杆件去除后的的极限承载力会有有所降低，据此提提出了结构构件冗冗余度的计算公式式：59/375.2分析方法（3）动力弹塑性性时程分析法结构在偶然荷载作作用下发生的连续续倒塌是一个极其其复杂的过程，当当结构局部发生破破坏、一些构件失失效丧失承载力后后，其几何构成和和边界条件发生突突变而振动，从而而使剩余结构进行行内力、变形和刚刚度重分布。本质质上，结构连续倒倒塌是一个动力过过程，同时结构的的连续倒塌也必然然伴随着非线性，，因此合理地考虑虑动力效应和非线线性是进行抗连续续倒塌设计和评估估的难点和关键所所在。对抗连续倒塌动力力弹塑性时程分析析则能很好的解决决这些问题。60/375.3工程实例（1）模型及基本本假定以北京老山自行车车馆双层球面网壳壳为例，结构为双双层球面网壳，设设置有环桁架。柱柱顶支承跨度133.06m，，矢高14.69m，矢跨比约约1/10，网壳壳厚度2.8m，为跨度的1/47.5。结构构共8364根杆杆件，均采用345C圆钢管。网网壳结构采用焊接接空心球节点，柱柱顶采用钢管相贯贯节点，柱脚采用用铸钢球铰节点。。双层球面网壳结构构示意图61/375.3工程实例分析模型采用双线线性材料模型；将将焊接空心球节点点重量折合进材料料密度中，折算后后钢材密度取9420kg/m3；屈服强强度取345N/mm2（杆件序序号1-7）和335N/mm2（杆件序序号8、9），弹性性模量为为2.06×105N/mm2，泊松比比为0.3。模型所所有节点点及柱脚脚均为铰铰接，杆杆件为理理想铰接接单元。。采用Ansys有限元分分析，杆杆件均选选用Link8单元，杆杆单元截截面参数数按表1选取。将将标准荷荷载（恒恒载+活载）等等效成mass21质量单元元，施加加于结构构相应节节点上。。杆件序号规格/mm杆件序号规格/mm杆件序号规格/mm1114×44180×107500×162113×65203×1281000×183159×86245×1091200×20

双层球面网壳结构杆件尺寸62/375.3工程实例例(a)1阶模模态(b)2阶模模态(c)3阶模模态(d)4阶模态态(e)5阶阶模态特征值屈屈曲模态态图63/375.3工程