大跨空间结构之网壳结构哈工大

《大跨空间结构》之3.网壳结构

(上)ReticularShell主讲人：钱宏亮哈尔滨工业大学1/74内容3.1概述3.2网壳结构选型3.3网壳结构分析

3.4网壳结构设计3.5网壳结构施工2/74§3.1概述

网壳是一种曲面型空间网格结构，兼具网架结构和薄壳结构的特点。空间杆系面内受力+3/74受力性能好，适用于中、大跨度屋盖用材省，较网架可节约钢材约20%外形美观，富于变化工业化程度高自然排水，无需找坡网壳结构的优点4/74曲面外形增加了屋盖表面积和建筑能耗

构造处理、支承结构和施工安装均较复杂

单层网壳结构的整体稳定问题不容忽视网壳结构的缺点1963年，布加勒斯特一93m直径单层网壳失稳倒塌5/74网壳结构的发展

1866年，德国工程师Schwedler

在混凝土薄壳结构的基础上提出肋环形穹顶的构造形式，被誉为“穹顶结构之父”。6/7419世纪末，德国学者Foppl建立了空间网格结构的分析理论。20世纪50年代后，以Fuller为代表的一批设计师在网壳结构形式、计算方法和构造技术上做出巨大贡献，建成一系列具有典型意义的工程。7/74美国塔科马市体育馆TacomaDome,USA,1983胶合木网壳，短程线D=160m，h=46m世界最大8/74名古屋体育馆NagoyaDome,Japan，1997单层球面网壳短程线D=187m9/74福冈穹顶

FukuokaDome,Japan，1993可开启网壳结构，D=222m10/741.1956年，天津体育育馆，带拉杆杆的联方方型圆柱柱面网壳壳，平面面尺寸52m××68m，矢高8.7m2.1967年，郑州体育育馆，肋环形形单层球球面网壳壳，平面面直径64m，矢高9.14m，当时国国内跨度度最大我国网壳结构的发展11/743.1988年，北京体院院体育馆馆，带斜撑撑的组合合型双层层扭壳，，平面尺尺寸59.2m×59.2m，矢高3.5m4.1989年，濮阳中原原化肥尿尿素仓库库，双层正正放四角角锥圆柱柱面网壳壳，平面面尺寸58m×135m，国内覆覆盖面积积最大12/745.1989年，石景山体体育馆，组合双双曲抛物物面网壳壳，正三三角形平平面，边边长99.7m，矢高13.3m6.1995年，黑龙江速速滑馆，柱面与与球面组组合网壳壳，轮廓廓尺寸86m×195m，覆盖面面积15000，亚洲面面积最大大13/747.1994年，哈工大体体育馆，单双层层组合鞍鞍型网壳壳,八边形平平面，64.2m×58m8.2000年，哈工大体体育场，悬挑跨跨度35.8米，当时时国内悬悬挑跨度度最大14/74哈尔滨工工业大学学体育馆馆HITGymnasium,Harbin15/74哈尔滨工工业大学学体育馆馆HITGymnasium,Harbin16/74北京奥运运会老山山自行车车馆LaoshanCyclingGymnasium,Beijing,200717/7418/7419/74§3.2网壳结构选型3.2.1网壳结构构的基本本类型3.2.2网壳结构构的支承承设置3.2.3网壳结构构选型原原则20/74§3.2.1网壳结构的基本类类型按结构组组成分：：单层网壳壳、双层层网壳单层网壳壳双层网壳壳一、网壳壳结构分分类21/74按高斯曲曲率分：：零高斯曲曲率、正正高斯曲曲率、负负高斯曲曲率高斯曲率率K=0K>0K<022/74按曲面形形状分：：球面、柱柱面、椭椭圆抛物物面、双双曲抛物物面球面椭圆抛物面(双曲扁壳)柱面双曲抛物面之组合矩形平面菱形平面双曲抛物面（鞍形壳）对于每种种形状，，不仅应应了解其其几何特点点，还应理理解其内内部蕴含含的结构力量量。23/741）球面圆球面网网壳、椭椭圆球面面网壳和和抛物线线球面网网壳球壳的力力量24/742）柱面圆柱面网网壳、椭椭圆柱面面网壳和和抛物线线柱面网网壳柱壳的力量25/74柱面网壳壳按其支支承和长长度分为为短壳（L/R0.5）、中长壳（0.5<L/R2.5）、长壳（L/R>2.5）和筒壳。短壳的荷载沿沿两个方方向传递递；长壳多为端部部支承，，荷载沿沿长度方方向传递递；筒壳受力性能能与拱类类似。26/743）椭圆抛抛物面（（双曲扁扁壳）几何构成成一种抛物物线平移移曲面不宜太扁扁1/8≤≤f/b≤1/5两个方向向性能接接近a/b≤227/74双曲扁壳壳的力量量28/74双曲扁壳壳工程实实例北京站候候车厅（（35x35m）1958北京网球球馆（42x42m）196429/744）双曲抛抛物面（（鞍壳、、扭壳））几何构成成●一种直纹纹曲面●双向弯曲曲，稳定定性好30/74鞍壳的力力量31/74双曲抛物物面网壳壳工程实实例德阳体育育馆石景山体体育馆广州亚运运会摔跤跤馆哈工大体体育馆32/74切割、组组合曲面面球面切割割网壳33/7434/74二、球面面网壳网网格形式式网格划分分原则：杆件种种类少，，网格面面积均匀匀，节点点连接的的杆件数数不宜太太多，相相邻杆件件的夹角角不宜太太小。35/74球面网壳壳的网格格划分主主要有6种形式：：肋环型施威德勒勒型联方型凯威特型型三向网格格型短程线型型36/741）肋环型(Rib-RingSystem)只有经向向和纬向向杆件，，大部分分网格呈呈梯形除顶部节节点外，，构造简简单杆件承受受弯矩，，整体刚度度差适用于中中、小型型网壳试分析图图中有几几种杆件件和节点点形式？？37/742）肋环斜斜杆型(SchwedlerSystem)肋环+斜杆斜杆的作作用是增强网壳壳的刚度度和抵抗非对对称荷载载的能力。。整体刚度度好，适用于大大、中型型网壳左单斜杆杆左左右单斜斜杆双双斜杆无无纬向向杆38/743）联方型(RhombicSystem)由人字形形斜杆组组成菱形形网格，，斜杆夹角为30~50度造型美观，适用于大、中中型网壳无纬向杆有纬向杆39/744）三向网格型(Three-waySystem)受力性能好，，外形美观，适用于大、中中型网壳在球面的水平平投影面上，，将跨度n等分，作出正正三角形网格格，再投影到到球面上（小矢跨比））在球面上用三三个方向、相相交成60度的大圆构成成（大矢跨比））几何构成方法法特点40/745）扇形分割三三向网格型（KiewittSystem）网格大小匀称称，内力分布布均匀，适用用于大、中型型网壳K6K8先由n(n＝6、8、12……)根经向杆把球球面分为n个对称扇形曲曲面，然后在在每个扇形曲曲面内再由纬纬向杆和斜向向杆划分。几何构成方法法旋转划分+平行划分特点41/74新奥尔良超级级穹顶NewOrleansSuperdome,USA,1975直径210m，采用K12型双层网壳。。42/74K6与联方组合型型43/746）短程线型（GeodesicSystem）几何构成方法法以正20面体为基础，，在球面上对对三角形再划划分。1）弦均分法2）等弧再分法法3）弧等分法44/74网格大小匀称称，受力性能能好，适用于于矢高比较大大或超半球形形网壳45/74哈工大90周年校庆纪念念球试分析该球有有多少个顶点点，多少个面面？欧拉公式：F+V-E=246/74网壳薄壳网格椭圆抛物面双曲抛物面球面柱面球面柱面肋环型Schwedler型联方型三向网格型Kiewitt型短程线型课程回顾47/747）双层球面网壳A.交叉桁架体系系B.肋环型四角锥锥主要有交叉桁架系和角锥体系两大类。48/74双层联方型球壳双层短程线球壳平板组合式球壳49/74单斜杆型柱面面网壳人字形柱面网壳刚度较差，适适用于中、小小型网壳三、柱面网壳壳网格形式1）单层柱面网网壳50/74悉尼国际水上上运动中心51/74双斜杆型三向网格型联方型网格刚刚度差联方型三向型网格刚度最最好双斜杆型连接复杂52/74为提高刚度和和稳定性，对对于长柱壳应应设横向肋汉堡博物馆庭院53/742）双层柱面网网壳主要有交叉桁架体系和四角锥、三角锥体系。54/74四角锥柱面网网壳的主要形形式55/74三角锥柱面网网壳抽空三角锥柱柱面网壳双层柱壳的上上下弦杆可能能都受压。56/74四、椭圆抛物物面网壳网格格形式三向型单斜杆型联方型试分析下列网网格的划分特特点57/74正交正放型五、双曲抛物物面网壳网格格形式正交斜放型58/74六、局部双层层网壳网格形形式单层网壳的承承载力主要由由稳定控制，，材料的实际际工作应力仅仅为允许应力力的1/10~1/6。为提高单层网网壳的承载力力，并获得简简洁明快的视视觉效果，可可采用局部双双层网壳。1）周边双层中中部单层网壳壳2）局部抽空双双层网壳3）局部带肋单单层网壳59/74周边双层中部部单层网壳肋环型联方型短程线型组合型60/74局部抽空双层层网壳应使所有的上上弦节点至少少有一根腹秆秆与下弦节点点相连61/74局部带肋单层层网壳62/74§3.2.2网壳结构的支支承设置网壳属边界条条件敏感型结结构，网壳的的支承构造应应满足不同结结构形式所必必需的边缘约约束条件球面网壳的支承应能够够抵抗水平位位移柱面网壳沿两纵边支承承时，应能够够抵抗侧向水水平位移椭圆抛物面和双曲抛物面网壳应通过边缘构件将荷载传递给给下部结构63/74双层网壳应按实际构造造采用有侧移移或无侧移的的铰支座单层网壳可采用不动铰铰支座、刚性性支座或弹性性支座网壳边缘宜设设置具有足够够刚度的边缘构件，以避免应力力集中64/74支座水平推力力的处理可采采用：①加水平拉拉杆②结构落地地③增加下部部结构刚度（（加扶壁、斜斜撑）65/74边缘约束构件件应满足刚度度要求，并与与网壳结构一一起进行整体体计算；刚度设计问题题：①从释放温温度应力及次次应力考虑：：支承及约束束应减弱或设设计得柔一些些；②从结构的的稳定性考虑虑：支承结构构应设计得刚刚一些。设计时需兼顾顾以上两方面面，对结构进进行刚度调整整。66/741）与建筑平面面及造型相协协调§3.2.3网壳结构的选选型原则圆形平面——球壳、组合柱壳和组合双曲抛物物面壳矩形平面——柱面、双曲抛物面和椭圆抛物面网网壳狭长平面——柱面网壳菱形平面——双曲抛物面网网壳三角形、多边边形平面——各种网壳的切割组合67/74美国麻省理工工学院（MIT）礼堂（球壳平面为为正三角形））68/742）尺寸选用合合理矢跨比是影响网壳受受力的重要因因素厚度对网壳受力和和用钢量均有有影响示意图平面尺寸B/L矢跨比f/B双层壳厚度h/B单层壳跨度L<1两端支承时1/3~1/6纵边支承时1/2~1/51/20~1/50两端支承时L≤35m纵边支承时B≤30m柱面网壳几何何尺寸选用69/74示意图平面尺寸矢跨比f/D双层壳厚度h/D单层壳跨度D≥1/71/30~1/60≤80m球面网壳几何何尺寸选用示意图平面尺寸L1/L2矢跨比f/L双层壳厚度h/L2单层壳跨度L2≤1.51/6~1/91/20~1/50≤