大跨空间结构小论文.docx

浅析网架结构与网壳结构的异同刘朋 土木研一3班 220140915摘要：由于对大跨度空间的需求，空间结构在近几十年得到了飞速的发展，并且如今仍保持着旺盛的生命力。空间结构凭借着其合理的形体，具有良好的受力性能，其不仅形体优美、经济合理，还可跨越超大空间，得到了越来越广泛的应用。本文对空间结构中常用的网架结构和网壳结构作一些简单比较，对其异同点进行分析，以期对这两种结构进行全面的掌握，为将来的设计分析打下基础。关键字：网架结构、网壳结构、异同点为了满足人类生产和生活的需求，人类对建筑物的跨度有了较大的需求。因此，需要有一种足够跨度的空间结构来覆盖这类建筑物。所谓空间结构是指具有不宜分解为平面结构体系的三维受力特性，在荷载作用下呈空间工作的结构。网架结构和网壳结构是空间结构中应用较多的两种结构，本文从结构的组成、结构受力特点、结构实用性等几个方面来对这两种结构进行对比分析，找出其异同。一、 网架与网壳的定义网架结构与网壳结构一般都是由杆件按一定规律组成的网格状高次超静定空间杆件系统结构。网格结构中，双层或多层平板型网格称为网架结构，而呈曲面形与薄壳类似的网格结构称为网壳结构。网架结构与网壳结构同属于刚性空间结构体系，具有较好的空间刚度。两种结构均有用材经济、可工厂预制、现场安装、施工方便等优点。二、 结构形式网架与网壳结构均有多种结构形式。网架结构分为平面桁架系网架、四角锥体系网架、三角锥体系网架三大类。其中平面桁架系网架包括：两向正交正放网架、两向正交斜放网架、两向斜交斜放网架、三向网架、单向折线形网架。四角锥体系网架包括正放四角锥网架、正放抽空四角锥网架、斜放四角锥网架、棋盘型四角锥网架、星形四角锥网架。三角锥体系网架包括三角锥网架、抽空三角锥网架、蜂窝形三角锥网架。而网壳结构是将杆件沿着某个曲面有规律地布置而组成的空间结构体系。其受力特点与薄壳结构类似，是以“薄膜”作用为主要受力特性的。网壳结构按层数划分有单层网壳和双层网壳两种；按高斯曲率划分有零高斯曲率的网壳、正高斯曲率网壳、负高斯曲率网壳；按曲面外形分为球面网壳、双曲扁网壳、柱面网壳、圆锥面网壳、扭曲面网壳、单块扭网壳、双曲抛物面网壳、切割式或组合形成曲面网壳。三、 支撑形式网架结构搁置在梁、柱、桁架等下部结构上由于搁置方式不同，可分为周边支撑、点支撑、周边支撑与点支撑相结合、三边或两边支撑、单边支撑等情况。而在网壳结构中，双层网壳的支撑条件为二向可侧移、一边可侧移、无侧移的铰接支座或弹性支座。单层网壳的支撑条件为二向可侧移、一向可侧移、无侧移的铰接支座或刚接支座、弹性支座。四、 杆件设计与节点构造网架结构与网壳结构的杆件截面都是根据强度和稳定性设计计算确定。用钢材制作的网架和网壳的节点主要有十字板节点、焊接空心球节点及螺栓球节点三种形式。十字板节点适用于型钢杆件的网架结构。杆件与节点板的连接采用焊接空心球或高强螺栓连接。网架结构及双层网壳结构的节点允许铰接或刚接形式。而单层网壳结构中，杆件之间的节点只允许采用刚接，否则将使单层网壳形成机构。五、 计算基本假定与计算模型网架结构与网壳结构均假定：构件符合小变形、小应变的假设；材料为各向同性的线弹性材料；荷载仅作用在节点上。此外，网架结构假定结点为铰接，杆件只承受轴向力，即杆件假定为空间铰接杆单元，其计算方法为空间桁架位移法。而单层网架结构杆件节点需做成刚接，节点能传递弯矩，杆件简化为空间梁单元。双层网架结构节点为铰接，杆件简化为空间杆单元。但网壳结构分析时，将杆件简化为空间梁单元，并假定：梁单元为等截面双轴对称直杆；变形后梁单元仍保持平面，且垂直于中和轴，即不考虑剪切变形的影响。网壳结构需较强大的边缘构件来约束它，其计算方法为空间钢架位移法。六、 荷载及杆件内力分布规律网架结构与网壳结构的静荷载组成相同，恒荷载均为：网架、网壳自重和节点自重；楼面或屋面覆盖材料自重；吊顶材料自重；设备管道自重。可变荷载均需考虑屋面施工荷载、积灰荷载、雪荷载、吊车荷载、风荷载的平均风效应等。动荷载均需考虑地震作用、风荷载脉动成分。此外还要考虑温度变化和支座沉降的影响。网架结构和网壳结构的可变荷载的取值有所不同，网架结构的屋面一般为不上人屋面，活荷载标准值为0.5kN/m2，而网壳结构按荷载规范一般取为0.3kN/m2。由于网架与网壳结构的外形不同，其风荷载体形系数不同，使风荷载产生差异。网架以竖向抗震为主，规范中规定：在6、7度地区，可不进行竖向抗震验算；在7度区，可不进行水平抗震验算；在8度区，周边支撑的中小跨度网架可不进行水平抗震验算；8、9度地区，应进行竖向抗震验算；9度地区，各种网架结构均应进行竖向和水平抗震验算。而网壳结构水平抗震作用为主。7度区，网壳可不进行竖向抗震验算，但必须进行水平抗震验算；8、9度区，水平、竖向抗震均需验算。两者的动力荷载效应均可采用振型分解反应谱法、时程分析法。而周边支撑、多点与周边相结合的网架网架可采用简化方法进行竖向抗震验算。振型分解反应谱法先计算结构的自振振型，选取若干个振型分别计算各个振型的水平地震作用，将各振型水平抗震作用于结构上，求其结构内力，最后将各振型的内力进行组合，得到地震作用下结构内力和变形。时程分析法是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时间历程内结构地震作用效应的一种结构动内力计算方法，也为国际通用的动力分析方法。网架结构和网壳结构的频谱非常密集，第一周期随短向跨度的增大而增大。网架结构的刚度受网架高度影响较大，相应地网壳结构刚度受网壳结构厚度影响较大。网架与网壳结构受温度作用产生的应力对支座约束类型比较敏感。约束数越多、越强，温度应力就越大。在竖向荷载作用下网架的上下弦杆在跨中内力较大。支座处弦杆内力相对小些。支座处的腹杆内力较大，跨中腹杆内力较小。网架结构可以采用简化的计算公式估算内力，而网壳结构由于曲面形式多样，内力分布于曲面形状相关，没有统一的近似计算公式。网架上下弦杆竖向地震内力分布规律与静内力相似。而腹杆竖向地震内力分布比较复杂，尤其是斜杆竖向地震内力由网架边缘向跨中并不是单调变化。而网壳动内力分布规律为：水平地震响应大于竖向地震，矢跨比越大越明显；矢跨比增大，网壳动静内力比增大，水平地震内力影响更为明显；场地土变软，地震响应增大；两纵边支撑的柱壳，横向杆件地震内力大于竖向杆件和腹杆。周边铰支单层球壳，环杆、斜杆地震内力较大，径向杆件内力小；中心处内力小，边缘大。网架与网壳结构的荷载组合相同，均需考虑非抗震设计组合（由可变荷载效应控制的组合、由永久荷载效应控制的组合）和抗震设计组合。七、 网架与网壳稳定性比较网架结构的稳定性分析并不是十分突出，有很多的网架的破坏由支座破坏与杆件强度、节点破坏引起的。而网壳结构的稳定性问题则十分突出，在进行网壳结构设计时要考虑构件稳定和结构整体稳定。工程中很多网壳的破坏主要是由壳体局部失稳开始，进而发展为整体失稳，致使结构破坏。较网架结构，网壳结构的稳定对初始缺陷敏感。初始缺陷的存在将会明显降低网壳的稳定性。八、 屋面排水方式网架结构的屋面排水坡的形成主要有三种方法：整个网架起坡，即使网架的上下弦杆仍保持平行，只将整个网架在跨中抬高，这种方法可提高网架的刚度；网架变高度，这种方法会使腹杆及上弦杆种类增多，给网架支座和安装带来一定困难；上弦节点加小立柱找坡，这种方法比较灵活，小立柱构造比较简单，国内已建成的网架多数采用这种方法找坡。但对于大跨度网架，当中间屋脊处小立柱较高时，应当验算其自身稳定性，必要时应采取加固措施。网架结构则凭借其曲面形状形成坡度，自然排水。九、 施工安装方法网架与网壳结构的施工安装方法基本相同，主要分为两类：一类是在地面拼装的整体顶升法，整体提升法和整体吊装法；另一类是高空就位的散装、分条分块就位组装和高空滑移就位组装等方法。十、 结构的适用性网架结构主要优点是经济性强，设计和计算简单、制作安装方便，结构的刚度较大，结构安全，网壳结构有杆