网壳大跨空间结构及其应用.docx

网壳大跨空间结构及其应用摘要：大跨空间结构是目前发展最快、使用相当广泛的一种建筑结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本文以网壳结构为典例，着重介绍该结构的特点及其设计与施工过程中的关键问题，并延伸到该结构在国内外（但主要是国外）空间结构领域的典型应用。同时，也对网壳结构在国内的发展前景等问题的研究提出了看法。关键词：网壳结构；空间曲面；筒网壳；球网壳；扭网壳；受力；设计与施工；应用1. 概 述所谓的大跨结构是指竖向承重结构为柱和墙体，屋盖用钢网架、悬索结构或混凝土薄壳、膜结构等的大跨结构。这类建筑中没有柱子，而是通过网架等空间结构把荷重传到房屋四周的墙、柱上去。适用于体育馆、航空港、火车站等公共建筑。 在这实际的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的目的，人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时，无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上，当跨度达到一定程度后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系，而网壳结构作为一种成熟的大跨空间结构，应用的更是相当广泛。2. 网壳结构的特点2.1 网壳结构的基本特点网壳结构源于薄壳并具有网架结构特点的一种新的空间结构形式。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。网壳结构体形多样，如球面网壳、双曲扁网壳、柱面网壳、双曲抛物面网壳，并可以有多种组合。这为大跨建筑设计创造各种平面空间形状和新颖独特的建筑形象提供了有力的手段。2.2 网壳结构的优点无论是国内还是国际，网壳结构都得到了迅猛的发展，其实践应用说明了它为建筑结构提供了一种新颖合理的结构形式。这主要是因为网壳结构具有以下几种优点：（1）网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力合理，可以跨越较大的跨度。网壳结构是典型的空间结构，合理的曲面可以使结构力流均匀，结构具有较大的刚度，结构变形小，稳定性高，节省材料。此外，网壳结构的构件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因而可以充分发挥材料强度作用。网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。（2）具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形状都能给设计师以充分的创作自由。薄壳结构与网格结构不能实现的形态，网格结构几乎都可以实现。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。由于它可以来用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构都能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。（3）应用范围广，既可以用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，也别是超大跨度的建筑。在建筑平面上可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面。在建筑外形上可以形成多种曲面。而且，该结构便于工厂制造和现场安装，在构造上和施工方法上具有与平板网架结构一样的优越性。（4）可以用小的构件组成很大的空间，而且杆件单一，这些构件可以在工厂预制实现工业化生产，安装简便快速，适应采用各种条件下的施工工艺，不需要大型设备，因此综合经济指标较好。（5 ）计算方便。由于杆件尺寸与整个网壳结构的尺寸相比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性的连续体，利用钢筋混凝土薄壳结构的分析结果进行定性的分析。目前我国已有许多适用于多种计算机类型的各种语言的计算软件，为网壳结构的计算、设计和应用创造买有利条件。（6 ）由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，不需像网架结构那样采用小立柱找坡。2.3 网壳结构的缺点网壳，顾名思义即为网状壳体，是格构化的壳体。这种壳体的空间曲面，增加了屋盖的覆盖表面积和建筑空间。一方面，增大了得表面积与空间使得构造处理、支承结构和施工制作均变得复杂繁琐，增大了设计与施工的难度；另一方面，增加了工程的材料、人工等方面的成本。然而，相比网壳结构的大量优点而言，这些小的缺点，几乎可以忽略不计。3. 网壳结构的基本类别网壳结构按照不同的分类标准，可以分为不同的类别。譬如，按照构件的布置方式，可以将其分为单层网壳和双层网壳两种（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。）；而按照结构的材料分类，又可将网壳结构分为木网壳、钢筋混凝土网壳、钢网壳、铝合金网壳、塑料网壳、玻璃钢网壳等。本文着重介绍按照曲面形式将网壳结构进行的分类，即单曲面与双曲面两大类别。前者具体化为筒网壳，或称为柱面壳；后者则常用的有球网壳和扭网壳，以及其他曲面的扁网壳及各种曲面经切割组合后的网壳（在此不详论）。3.1 筒网壳外形是圆柱面筒形，又叫柱面网壳。它覆盖的平面为矩形，横向短边为端边(l2)，纵向长边为侧边(l1)，其整体传递外荷的方式与筒壳类似，按网肋构成与传荷方式的不同，网壳可分为两类，一类是拱式受压的筒网壳(类似短筒壳)；另一类是梁(桁架)式受弯的筒网壳(类似长筒壳)。拱式筒网壳见图一，其受力特征是以受压为主的平面拱，为单向抗衡并传递外荷的平面结构。既然梁可以构成双向的井字梁，同样拱也可以实现空间多向抗衡并传递外荷的空间结构多向拱，多向拱具有良好的空间刚度，能抵抗纵向侧力，无需支撑。图一 拱式筒网壳（a）网壳 （b）网格 （c）多肋梁式筒网壳见图二，其受力特征格构化折板壳，折板壳的受力状态与长筒壳一样，其折缝上的竖载是由相邻折板以板平面内的横向力来抗衡。若每块平面折板代之以一榀平面桁架(称平桁架)，且相邻两桁架的上、下弦杆合二为一，这就成了梁桁架(或称桁架式)筒网壳，即梁式筒网壳，矢高。图二 梁式筒网壳（a） 网壳 （b）平行架 （c）端支座 （d）侧边自由时的端桁架3.2 球网壳3.2.1 单层球网壳单层球网壳的杆件种类少，每个节点只汇交四根杆件，节点构造简单，但节点一般为刚性连接。通常用于中小跨度的弯顶，如图三所示的凯威特型单层网壳。图三 凯威特型单层网壳3.2.2 双层球网壳双层球网壳大多数是等厚度的，即内、外壳面同心。从杆件内力分布来看，一般情况下，周边部分的杆件内力大于中央部分杆件的内力。在设计时，为了使网壳既具有单双层网壳的主要优点，又避免它们的缺点，即不受单层网壳稳定性控制，又能充分发挥杆件的承载力，节省材料，对采用变厚度或局部双层网壳，如图四所示的双层联方型网壳。图四 双层联方型网壳3.2.2 球网壳结构的受力特点格构化的球壳，受力状态与圆顶受力相似，网壳的杆件为拉杆或压杆，节点构造也须承受拉力和压力。球网壳的底座可设置环梁，也可不设环梁。理论上，半球壳结构在竖向均布荷载作用下环梁内拉力为零，非半球壳结构则可通过设置斜向支承结构直接平衡球壳内的水平拉力。一般情况下，设置环梁有利于增强结构的刚度。随网壳支座约束的增强，球网壳内力逐渐均匀，且最大内力也相应减小，同时，整体稳定系数也不断提高。球网壳周边支座支点以采用固定刚接支座为宜。为增大刚度，单层球网壳也可再增设多道环梁，环梁与网壳节点用钢管焊接 为使球网壳的受力符合薄膜理论，球网壳应沿壳边缘设置连续的支承结构。否则，在支座附近，应力向支座集中，内力分布将会与薄膜理论有较大出入。3.3 扭网壳3.3.1扭网壳概述反向双曲的扭壳具有最大的优势是双向直纹。在直纹方向可以毫无阻碍的设置单根肋杆或桁架式网肋，就能构成双曲扭面，扭网壳就是这样构成的。扭网壳可以分为单层扭网壳与双层扭网壳，其中前者杆件种类少，节点连接简单，施工方便；后者结构构成与双层筒网壳结构相似，网格的形式与单层扭网壳相似，且为了增强结构的稳定性，双层扭网壳一般都设置斜杆形成三角形网格。3.3.2扭网壳的受力特点单层扭网壳本身具有较好的稳定性，但在其平面外刚度较小，因此，控制扭网壳的挠度成了设计中的关键。在扭网壳屋脊处设加强桁架，能明显地减少屋脊附近的挠度，但随着与屋脊距离的增加，加强衍架的影响则下降。由于扭网壳的最大挠度并不一定出现在屋脊处，在屋脊处设加强衍架只能部分地解决问题。边缘构件的刚度对于扭网壳的变形控制具有决定意义。相同结构边缘构件无垂直变位（如网壳直接支承在柱顶上）比边缘构件有垂直变位的网壳挠度增大近两倍。在扭壳的周边，布置水平斜杆，以形成周边加强带，可提高抗侧能力。对于四边简支的组合型扭网壳，在十字脊线附近会出现负弯矩，而壳面上则以薄膜力为主、同时在十字脊线交叉点附近区域内产生明显的负挠度；可考虑在十字脊线及边界处制作成带下弦和腹杆的局部桁架以提高网壳刚度。扭网壳的支承考虑到其脊线为直线、会产生较大的温度应力、如采用固定约束，对网壳受力不利，对于支承柱也会产生较大的水平推力，因此做成橡胶文座，有助于放松水平约束。为抵抗网壳的水平推力，可在相邻柱间设拉杆或做落地斜撑。4. 网壳结构的设计与施工4.1 网壳结构的设计网壳结构主要应对使用阶段的外荷载（包括竖向和水平向）进行内力和位移计算，对单层网壳通常要进行稳定性计算，并据此进行杆件设计。此外，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载，应根据具体情况进行内力、位移计算。网壳结构的内力和位移可按弹性阶段进行计算。网壳结构根据网壳类型、节点构造，设计阶段可分别选用不同的方法进行内力、位移计算：1)双层网壳宜采用空间杆系有限元法进行计算；2)单层网壳宜采用空间梁系有限元法进行计算；3)对单、双层网壳在进行方案选择和初步设计时可采用拟壳分析法进行估算。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壳稳定性时，一般采用空间杆系非线性有限元法，关键是临界荷载的确定。单层网壳宜采用空间梁系有限元法进行计算。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。4.2 网壳结构的施工4.2.1施工组织管理 网壳工程属技术较复杂的单层扁网壳工程，施工中组成专项工程施工管理组，负责熟悉和审查图纸，了解网壳结构的有关技术指标，制定合理的施工工艺。与一般平板网架相比，倾斜的球冠状外形给施工带来困难，主要是每个节点经纬坐标位置难以控制。为防止施工中造成网壳初始缺陷，影响其整体稳定，决定搭设阶梯形满堂脚手架。采用高空散装，将构件一次安装就位。采用这种施工方法，可避免整体吊装或提升时的网壳结构整体变形。 上述施工方法要求支座节点的预埋位置准确，误差不大于3mm。利用高空散装法拼装网壳时，网壳节点的空间位置是由焊接球的标高与相应的杆件长度来控制的。因此要求脚手架与板具有足够的强度和刚度，能够承受3kN/m2的荷载，包括结构自重、施工荷载及材料堆放等荷载。杆件应采用专用机床下料，长度误差控制在1mm范围内。调整节点标高时，利用可调整式支承台座，它既是球节点的临时支撑，又能调节标高。4.2.2 网壳拼装 网壳拼装时，从最低处的支座节点开始，向高处逐排进行拼装。在每一排里面，由中部向两端拼装，直到支座节点为止。确定球节点的空间位置时，先根据节点的平面坐标放置可调式支承台座，然后通过调节与该节点相交点的两根杆件长度和支承台座的高度来确定焊接球节点的准确空间位置。连接时必须保证杆的端面与球面完全吻合，使杆件轴线通过球心。将杆件圆周进行三点均布点焊，点焊长度为20mm，焊透焊牢，形成一个空间三角形。以相同的方法，逐排向上和向左右延伸，形成由一个个空间三角形组成的穹顶网壳曲面。 网壳拼装时应特别注意的是，球与杆件点焊之后，必须复测球与球之间的中心距离与杆件长度是否与理论计算值一致，若有误差应及时加以调整，以免造成网壳初始缺陷。另外，测量焊接球节点时应考虑脚手架与板的下沉和焊接收缩量的因素，可在每个节点设计标高的基础上增加510mm。测量标尺放在球面顶部，每一钢球的测量点应一致。 网壳逐排拼完后，再用水准仪和经纬仪配合进行复测并矫正。如有积累误差，可在每排的边界杆件中逐步消除，使整个网壳的几何尺寸满足设计要求。 网壳拼装时，应从网壳中心向四周均匀扩散进行焊接，以减少因焊接产生的残余变形与残余应力。该工程的球管为全方位焊接，即采用平、横、立、仰4种焊接方式，而且都集中在1条焊缝上，所以施焊过程中应采用1个均等的焊接电流值，要求焊接运条角度得当。清理污垢后，采用2.53.2mmE4303焊条焊透。罩面要用3.24.0mm焊条，使焊缝根部焊透，并做到焊缝饱满。4.2.2 安全措施 现场安全检查人员必须作好安全防范工作，其中包括防火、防爆、防盗等，监督工人严格执行安全操作规程，做好安全设备的配备与使用管理工作。施工前对工作面进行全面检查，对不符合施工要求的部位应进行修理或加固。 1.对于矢跨比较小的单层穹顶网壳，选用三向网格可以取得较好的建筑艺术效果。其优点是网壳结构受力比较均匀，杆件之间的夹角相同，节点规格相同，杆件规格少，便于网壳结构的制作与安装。. 2.对于外形复杂而又倾斜的大型单层扁网壳的施工，采用阶梯形满堂脚手架进行高空散装是一种行之有效的施工方法。它具有施工速度快、质量容易控制等优点。5. 网壳结构的典型应用5.1镇江巨蛋网壳结构设计镇江巨蛋又称“神州第一蛋”，是高48米、直径38米、斜度23.5度的巨型不锈钢网壳结构。5.2大兴西红门直径21m短程线网壳设计本网壳为球型钢网壳，建筑直径21m，建筑高度为20.5m，基本是整球，支座落地，球壳通过20个支点（每个支点设垂直和径向两个支座）支撑在直径10米的钢筋混凝土圆柱上。支座高度为20cm，因此球壳底边直径为10.4m。球壳周边为宽18m，深1m的环形水面，人通过球壳东西两侧水面下的两条通道进入球壳内部，通道两侧设有辅助用房，球壳内部通过10m直径的钢筋混凝土圆筒（厚度为0.3m）建两层设备层，一层在地下，一层在地上，在3.2m标高处钢筋混凝土圆筒延与水平面成75O角逐渐增大，上部设两层房屋，一层建筑面积为70m2，二层建筑面积为 98m2，屋顶平台建筑面积为138m2，在房屋外侧设旋转楼梯可上到屋顶平台，平台周边设防护栏，在平台上可进行观光及联欢活动，如图1所示。在上半球设有活动马道，马道上端有旋转平台，人可以通过平台的爬梯及电动顶窗到球顶进行检修及维护。6. 结语网壳结构在我国的发展和应用历史不长，但已显出有很强的活力，应用范围在不断扩大，是一类方兴未艾的空间结构。多年来，我国在网壳结构的合理选型、计算理论、稳定性分析、节点构造、制作安装、试制试验等方面已做了大量的工作，取得了一批成果，且具有我国自己的特色。但与国外相比，在结构跨度、加工工艺、施工安装方法等方面尚有差距。为使网壳结构在我国能得到进一步的发展和推广应用，赶超国际90年代的先进水平，兹提出如下若干建议和要探索的技术