第五章網(wǎng)殼結構.ppt

1、第五章 網(wǎng)殼結構,網(wǎng)殼結構的形式與選型 網(wǎng)殼結構分析 網(wǎng)殼結構的桿件設計和節(jié)點構造 網(wǎng)殼結構的施工和驗收,第一節(jié) 網(wǎng)殼結構的形式與選型 網(wǎng)殼結構：桿件按一定規(guī)律布置，通過節(jié)點連接而成的曲面狀空間桿系結構。 受力特點：以薄膜內力為主要受力模式。 網(wǎng)殼結構外型美觀，能適應各種復雜的建筑造型需要。 網(wǎng)殼分類： 高斯曲率：正高斯曲率、零高斯曲率、負高斯曲率 曲面外形：旋轉曲面殼、移動曲面殼、組合曲面殼 層數(shù)：單層網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼,殼體的基本曲面： 典型曲面（幾何學曲面） 不論其曲面形式如何，總可以用幾何學方程表達。 非典型曲面 不易用幾何學方程表達的曲面。 網(wǎng)殼結構中常用的形式有：,柱面網(wǎng)殼 柱面網(wǎng)殼按

2、其支承情況和長度分為短殼（L/R0.5）、中長殼（0.52.5）和筒殼。短殼常用單波多跨的形式，一般沿長邊多點支承，荷載沿兩個方向傳遞；長殼多為端部支承，荷載沿長度方向傳遞，結構主要起梁的作用，常用多波單跨的形式 ；筒殼是在周邊節(jié)點上均設支座，受力性能與單位寬度的平行拱類似，由于其受力較均勻，空間剛度大，應用較廣。,四角錐體系,單層柱面網(wǎng)殼,柱面網(wǎng)殼,單斜桿柱面網(wǎng)殼,雙層柱面網(wǎng)殼,弗普爾柱面網(wǎng)殼,交叉斜桿型柱面網(wǎng)殼,聯(lián)方網(wǎng)格型柱面網(wǎng)殼,三向網(wǎng)格型柱面網(wǎng)殼,正放四角錐柱面網(wǎng)殼,斜置正放四角錐柱面網(wǎng)殼,抽空正放四角錐柱面網(wǎng)殼,交叉桁架體系,三角錐體系,三角錐柱面網(wǎng)殼,抽空三角錐柱面網(wǎng)殼,（a）單斜

3、桿型 （b）弗普爾型,（c） 聯(lián)方型（d）三向網(wǎng)格型（e） 交叉斜桿型,單層柱面網(wǎng)殼,單斜桿型與交叉斜桿型相比，前者桿件數(shù)量少，桿件連接易于處理，但剛度稍差，適于小跨度、小荷載網(wǎng)架； 聯(lián)方網(wǎng)格桿件數(shù)量最少，桿件長度統(tǒng)一，節(jié)點上只有四個桿件，節(jié)點構造簡單，剛度較差； 三向網(wǎng)格剛度最好、桿件數(shù)量較少。,悉尼國際水上運動中心,雙層柱面網(wǎng)殼,正放四角錐,抽空四角錐,斜置正放四角錐,三角錐柱面網(wǎng)殼,抽空三角錐柱面網(wǎng)殼,清華大學游泳館,柱面網(wǎng)殼的組合應用成渝高速路二郎收費站,大英博物館,球面網(wǎng)殼 當跨度較小時可以采用單層，也可采用雙層。 球面網(wǎng)殼的網(wǎng)格分割方法很多，主要有：,單層球面網(wǎng)殼,球面網(wǎng)殼,肋環(huán)型

4、球面網(wǎng)殼,雙層球面網(wǎng)殼,施威德勒球面網(wǎng)殼,聯(lián)方型球面網(wǎng)殼,三向網(wǎng)格型球面網(wǎng)殼,凱威特型球面網(wǎng)殼,短程線球面網(wǎng)殼,聯(lián)方型四角錐球面網(wǎng)殼,交叉桁架體系,肋環(huán)型四角錐球面網(wǎng)殼,角錐體系,聯(lián)方型三角錐球面網(wǎng)殼,平板組合式球面網(wǎng)殼,聯(lián)方型球面網(wǎng)殼 無緯向桿,肋環(huán)型球面網(wǎng)殼,聯(lián)方型球面網(wǎng)殼 有緯向桿,適于大中跨度,適于中小跨度,斯威德勒型球面網(wǎng)殼（肋環(huán)斜桿型）,單斜桿型,無環(huán)桿的交叉斜桿型,交叉斜桿型,適于大中跨度,凱威特型球面網(wǎng)殼,適于大中跨度,三向網(wǎng)格型球面網(wǎng)殼,適于中小跨度,子午線球面網(wǎng)殼,短程線球面網(wǎng)殼,肋環(huán)型四角錐球面網(wǎng)殼 (局部三角錐),肋環(huán)型桁架球面網(wǎng)殼,凱威特型三角錐球面網(wǎng)殼,凱威特桁架球

5、面網(wǎng)殼,蒙 特 利 爾 世 博 會,球面網(wǎng)殼通過一定形式的切割，還可以切割出各種不同的平面形狀及造型。,雙曲拋物面網(wǎng)殼（扭殼） 雙曲拋物面網(wǎng)殼在幾何學上的特點是其曲面的形成方式屬移動式，具有直紋性，即其曲面是由無數(shù)根斜交的 直線組成。 通過一定的 組合，雙曲 拋物面網(wǎng)殼 還可以發(fā)展 出不同的造型。,正交正放類,正交斜放類,雙曲拋物面網(wǎng)殼,雙向斜桿型 雙曲拋物面網(wǎng)殼,壓斜桿型 雙曲拋物面網(wǎng)殼,拉斜桿型 雙曲拋物面網(wǎng)殼,二向正交型 雙曲拋物面網(wǎng)殼,網(wǎng)殼結構的選型,根據(jù)跨度大小、剛度要求、平面形狀、支承條件、制作安裝以及技術經(jīng)濟指標綜合考慮。 雙層網(wǎng)殼可采用鉸接節(jié)點，單層網(wǎng)殼采用剛接節(jié)點； 雙層網(wǎng)殼

6、適合大中跨度的結構，中小跨度可采用單層網(wǎng)殼； 跨度大時，宜采用矢高大的球面或柱面網(wǎng)殼；跨度小時，可選用矢高較小的雙曲扁殼或雙曲拋物面殼； 網(wǎng)殼結構除豎向反力外，會產(chǎn)生水平推力，應設置邊緣構件承受水平推力。邊緣構件應具有足夠的剛度，可作為結構的組成部分進行協(xié)調分析計算。 優(yōu)先采用結構穩(wěn)定性較好的體系：,球面網(wǎng)殼： 小跨度：肋環(huán)型； 大跨度：三向網(wǎng)格型、凱威特型、短線程型 柱面殼 小跨度：聯(lián)方型 大跨度：可形成三角型網(wǎng)格的類型 容許擾度 普通網(wǎng)殼撓度短向跨度的1/400；懸挑網(wǎng)殼撓度懸挑長度的1/200； 網(wǎng)殼尺寸 跨度50m，1.5-3.0m；跨度50100m，2.0-3.5m；跨度100m，2

7、.54.0m。,網(wǎng)殼結構的靜力特性 影響網(wǎng)殼結構靜力特性的因素很多，主要有：結構的幾何外形、荷載類型及邊界條件等。 網(wǎng)殼的類型和形式很多，型式不同的網(wǎng)殼，結構的變形規(guī)律及內力分布規(guī)律相差甚遠。即使是同一種型式的網(wǎng)殼，當幾何外型尤其是矢跨比不同時，都將有不同的結構反映。此外，網(wǎng)殼結構是一類邊界條件敏感型的結構，邊界約束條件的細微變化將有可能使結構的靜力性能產(chǎn)生相當?shù)淖兓?網(wǎng)殼結構的受力特性,第二節(jié) 網(wǎng)殼結構分析,網(wǎng)殼結構的剛度特性 傳統(tǒng)結構一般僅對結構的剛度提出控制性要求，但對于網(wǎng)殼結構（包括大跨度結構），還應進行剛度設計，因為剛度將影響網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定性能，同時直接影響結構的靜力特性。 剛度設

8、計需兼顧兩方面： 從釋放溫度應力及次應力考慮：支承及約束應減弱或設計得柔一些； 從結構的穩(wěn)定性考慮：結構應設計得剛一些。 為兼顧此兩方面，設計時需要對結構進行剛度調整。,幾何參數(shù)對網(wǎng)殼結構靜力性能的影響 影響網(wǎng)殼結構靜力特性的幾何參數(shù)主要有結構的跨度S、矢跨比F/S及波跨比有關（F為柱面網(wǎng)殼的矢高）。 筒拱中內力分布很不均勻，當矢跨比F/S很小時，結構主要呈梁的作用，跨中彎矩及軸力均很大且軸力分布不均；當矢跨比F/S很大時（如接近半圓），各桿軸力較小，拱軸方向的弦桿 在跨中區(qū)域受壓，在 邊緣區(qū)域受拉。,矢跨比F/S與耗鋼量W的關系 跨度S與耗鋼量W的關系,（4）柱面網(wǎng)殼的水平推力 圓柱面網(wǎng)殼由

9、于 環(huán)向力的作用而產(chǎn)生 較大的水平推力。水 平推力N的大小也與 矢跨比有關。,水平推力的處理可采用： 加水平拉桿； 結構落地； 增加下部柱的剛度； 利用下部結構吸收推力。,計算方法 網(wǎng)殼結構的分析不僅僅是強度的分析，通常還必須包括剛度和穩(wěn)定性。在某些條件下，結構的剛度和穩(wěn)定性甚至比強度更為重要。此外，在既定荷載下結構力流的分析、導向和控制也與結構外形設計及剛度的分配密切相關。 分析的基礎仍然是基于經(jīng)典彈性理論。即： 方法 連續(xù)化方法比擬為連續(xù)光面實體薄殼 的擬殼法；,擬殼法將格構式的球面、柱面或雙曲拋物面網(wǎng)殼比擬為連續(xù)的光面實體球殼、柱殼或雙曲拋物面薄殼。 擬殼法按彈性薄殼理論分析求得殼體的內

10、力和位移，再根據(jù)應力值折算為球面或柱面網(wǎng)殼的桿件內力，此法須經(jīng)過連續(xù)化再離散化的過程。 方法 離散化方法矩陣位移法或有限單元法。 矩陣位移法或有限單元法是將網(wǎng)格結構離散為各個單元，分別求得各單元剛度矩陣及結構的總剛度矩陣，根據(jù)邊界條件修正總剛度矩陣后求解基本方程，以得到各單元節(jié)點的位移進而得到桿件的內力。,有限單元法 計算模型 雙層網(wǎng)殼結構空間桿系模型； 單層網(wǎng)殼結構空間梁系模型。 內力與位移一般按現(xiàn)彈性階段計算，穩(wěn)定性考慮結構的幾何非線性。 空間桿系模型,空間梁系模型,將網(wǎng)架結構的桿件離散為梁單元，以節(jié)點位移為基本未知量； 先對桿件單元進行分析，根據(jù)虎克定律建立單元桿件內力與節(jié)點位移之間的關

11、系，形成單元剛度矩陣； 對結構進行整體分析，根據(jù)各節(jié)點的變形協(xié)調條件和靜力平衡條件結構上的節(jié)點荷載和節(jié)點位移之間的關系，形成結構的總體剛度矩陣和總剛度方程； 引入邊界條件，修正總體剛度矩陣； 求解結構的總剛度方程，得出各節(jié)點的位移值； 由節(jié)點位移求出桿件內力。,網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定性,概述 局部失穩(wěn)：結構局部剛度出現(xiàn)軟化、消失，荷載與位移對應關系中突然偏離平衡位置，產(chǎn)生動態(tài)跳躍，局部出現(xiàn)很大的幾何變形。 整體失穩(wěn)：整個結構突然屈曲至完全不同于初始形狀的變形形式，出現(xiàn)偏離平衡位置的大位移。 穩(wěn)定性分析的必要性 荷載-位移全過程曲線可以將結構的強度、穩(wěn)定性以致于剛度的整個變化歷程表示得清清楚楚。,失穩(wěn)模

12、態(tài) 網(wǎng)殼結構失穩(wěn)后因產(chǎn)生大變形而形成的新的幾何形狀稱為失穩(wěn)模態(tài) 影響失穩(wěn)模態(tài)的因素：網(wǎng)殼類型、幾何形狀、荷載條件、邊界條件、節(jié)點剛度等 常見的失穩(wěn)模態(tài)： 1）桿件失穩(wěn),桿件失穩(wěn)是指網(wǎng)殼中只有單根桿件發(fā)生屈曲而結構其余部分不受任何影響,2）點失穩(wěn),點失穩(wěn)指網(wǎng)殼中一個節(jié)點出現(xiàn)很大的幾何變位、偏離平衡位置的失穩(wěn)現(xiàn)象。 發(fā)生的情況：只有一個節(jié)點承受外荷載，某個節(jié)點比其相鄰節(jié)點承受更大的外荷載，所有節(jié)點均勻加載，但某節(jié)點存在明顯的幾何偏差。,3）條狀失穩(wěn),條狀失穩(wěn)指沿網(wǎng)殼結構的某個方向出現(xiàn)一條失穩(wěn)帶，該條上的節(jié)點出現(xiàn)很大的幾何變位現(xiàn)象。 如圓柱面沿母線 球面沿一圈環(huán)向節(jié)點和桿件,4）整體失穩(wěn),整體失穩(wěn)指

13、網(wǎng)殼結構的大部分發(fā)生很大的幾何變位、偏離平衡位置的失穩(wěn)現(xiàn)象。 由失穩(wěn)前的薄膜應力狀態(tài)轉化為彎曲應力狀態(tài)。 整體失穩(wěn)通常是從局部失穩(wěn)開始的。,計算模型 1）基于連續(xù)化假定的等代薄殼模型（擬殼法） 存在的局限性： （1）擬殼法的關鍵在于結構的等代，即網(wǎng)殼等代剛度的確定，但只有一些特定形式、特定拓撲的網(wǎng)殼才能確定其合理的等代剛度，對于無斜桿的肋環(huán)型網(wǎng)殼因兩個方向網(wǎng)格不均勻，將整個網(wǎng)殼等代成統(tǒng)一的等效剛度不能反映結構的實際情況 （2）等厚度的等代薄殼難以反映實際網(wǎng)殼在不同位置采用不同桿件的實際情況。 （3）不能考慮網(wǎng)殼結構中單桿失穩(wěn)或點失穩(wěn)的情況 （4）薄殼結構的穩(wěn)定承載力多在均勻荷載條件下求得，并不

14、適用于承受非對稱荷載與局部荷載的情況。,2）基于離散化假定的有限單元法 對網(wǎng)殼結構進行考慮非線性效應的全過程分析 比較符合網(wǎng)殼結構本身離散構造的特點，同時不受結構形式、結構拓撲、荷載條件、邊界條件的限制，故具有更高的精度和更好的適用性。,影響網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性 主要因素,非線性效應 幾何非線性：屈曲后的部位由薄膜應力狀態(tài)轉變?yōu)閺澢鷳顟B(tài) 材料非線性 對于單層網(wǎng)殼幾何非線性的影響非常大，對于雙層網(wǎng)殼通常要同時考慮雙重非線性的影響 幾何非線性的影響隨著網(wǎng)殼跨度的增加而明顯增大，材料非線性則隨跨度減小而增大,初始缺陷 網(wǎng)殼結構的初始缺陷包括： 結構外形的幾何偏差（網(wǎng)殼安裝完成后的節(jié)點位置與設計理想坐標

15、的偏差），是影響結構整體穩(wěn)定的主要缺陷，其他在截面設計中都有所考慮。 桿件的初彎曲 桿件對節(jié)點的初偏心 由于殘余應力等引起的初應力 桿件的材料不均勻性 外荷載作用的偏心,曲面形狀 雙曲型的曲面的穩(wěn)定性優(yōu)于單曲型的曲面 具有負高斯曲率的雙曲拋物面穩(wěn)定性更好 網(wǎng)殼規(guī)程要求：對單層的球面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼和橢圓拋物面網(wǎng)殼以及厚度較小的雙層網(wǎng)殼進行穩(wěn)定性驗算；對雙曲拋物面網(wǎng)殼可不考慮穩(wěn)定問題。,厚度較小的雙層網(wǎng)殼是指厚度小于以下范圍：球面網(wǎng)殼的厚度為跨度的1/301/60，圓柱面網(wǎng)殼的厚度為寬度的1/201/50，橢圓拋物面網(wǎng)殼的厚度為短向跨度的1/201/50。,結構剛度 剛度與結構形狀、結構拓撲、網(wǎng)

16、格密度、桿件的截面特性等多種因素有關 結構的剛度越大防失穩(wěn)的能力越強 節(jié)點剛度 節(jié)點剛度對網(wǎng)殼的結構性能影響很大，節(jié)點的嵌固作用對維持網(wǎng)殼的穩(wěn)定性十分重要。 節(jié)點的簡化：鉸接節(jié)點假定偏于安全 網(wǎng)殼規(guī)程規(guī)定：單層網(wǎng)殼應采用剛接節(jié)點，雙層網(wǎng)殼可采用鉸接節(jié)點,荷載分布 雪荷載、風荷載等非對稱荷載是導致結構失穩(wěn)的重要因素之一 邊界條件 邊界條件包括 支承的數(shù)量（周邊支承、點支承） 支承約束的方向（豎向、法向、切向） 支承的約束剛度（剛性和半剛性）。 邊界條件不僅影響穩(wěn)定承載力也會影響失穩(wěn)模態(tài),網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定設計,網(wǎng)殼規(guī)程提供的實用計算公式 單層球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定承載力標準值：,球殼的曲率半徑,球殼的等效剛

17、度,規(guī)范對計算公式適用范圍進行了限制，如球面網(wǎng)殼的跨度應小于45m。,球殼 K0.21,特征根分析法 線性分析方法確定臨界荷載：通過求解線性特征根問題得到結構的屈曲模態(tài)及相應的臨界荷載 通過安全系數(shù)來保證結構的穩(wěn)定承載，安全系數(shù)的取值試驗依據(jù)不足 但求得的臨界荷載可作為確定設計荷載的基礎，而屈曲模態(tài)往往作為初始缺陷的分布形式引入下一步的非線性全過程分析。,幾何非線性全過程分析 通過跟蹤網(wǎng)殼結構的非線性荷載位移全過程響應，完整地了解結構在整個加載過程中的強度、穩(wěn)定性以及剛度的變化歷程，從而合理確定其穩(wěn)定承載能力。 （1）初始缺陷 規(guī)程規(guī)定：初始幾何缺陷按最低階屈曲模態(tài)分布；按網(wǎng)殼跨度的1/300

18、作為理論計算的缺陷幅值。 （2）非對稱荷載 荷載的不對稱分布對球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定承載力并無不利影響；對四邊支承的柱面網(wǎng)殼當其長寬比不大于1.2時，活載的半跨分布對穩(wěn)定承載力有一定影響；對于橢圓拋物面網(wǎng)殼和兩端支承的柱面網(wǎng)殼，影響較大，應在計算中考慮。,（3）安全系數(shù) 通過網(wǎng)殼結構的幾何非線性全過程分析、并按上述方法考慮了初始缺陷、不利荷載分布等影響而求得的第一個臨界點的荷載值，可作為該網(wǎng)殼的極限承載力；將極限承載力除以安全系數(shù)，即為按網(wǎng)殼穩(wěn)定性確定的容許承載力。 考慮以下因素確定的安全系數(shù)可取5： 荷載等外部作用和結構抗力的不確定性可能帶來的不利影響 計算中未考慮材料的彈塑性可能帶來的不利影響 結

19、構工作條件中的其他不利因素,網(wǎng)殼在溫度、地震作用下的內力計算,荷載效應組合,第三節(jié) 網(wǎng)殼結構的桿件設計和節(jié)點構造,網(wǎng)殼結構的桿件設計 截面形式、計算長度及容許長細比 （1）材料：Q235、Q345鋼，高頻焊管或無縫鋼管 （2）計算長度：雙層網(wǎng)殼與網(wǎng)架結構同，單層按下表采用,（3）容許長細比,桿件截面設計計算 雙層網(wǎng)殼：軸心受拉或受壓 單層網(wǎng)殼：拉彎或壓彎,（1）拉彎和壓彎桿件的強度要求,（2）穩(wěn)定性要求,網(wǎng)殼結構的節(jié)點設計,1. 當網(wǎng)殼結構內力分析采用空間桿單元時，對于焊接空心球的設計，作用在空心球上桿件的最大壓力或拉力不得大于,2. 當網(wǎng)殼結構內力分析采用空間梁單元時，對于焊接空心球的設計，

20、作用在空心球上桿件的最大壓力或拉力不得大于,考慮空心球受彎作用的影響系數(shù)，可取0.8,加肋承載力提高系數(shù)，受壓空心球加肋采用1.4，受拉1.1,2. 支座節(jié)點,1）固定鉸支座適用于僅要求傳遞軸向力和剪力的單層或雙層網(wǎng)殼,大跨度或點支承網(wǎng)殼,小跨度網(wǎng)殼,較大跨度、落地網(wǎng)殼,2）彈性鉸支座可用于需在水平方向產(chǎn)生一定彈性變位且能轉動的網(wǎng)殼支座節(jié)點,3）剛性支座可用于能傳遞軸向力又要求傳遞彎矩和剪力的網(wǎng)殼支座節(jié)點,4）滾軸支座可用于能產(chǎn)生一定水平位移的網(wǎng)殼支座節(jié)點,節(jié)點設計應保證安全可靠、連接簡單、并符合計算假定,第四節(jié) 網(wǎng)殼結構施工和驗收,概述 常規(guī)施工方法：高空散裝法、分條分塊安裝法、高空滑移法、

21、整體吊裝法、整體提升法和整體頂升法 對施工方法的要求：網(wǎng)格結構的組裝盡可能地靠近地面，以提高工作效率和安全性；縮短時間和降低成本；方便質量檢查。,3.6.2 網(wǎng)殼結構的新型施工方法,懸臂安裝法 （1）施工過程,（2）特點 1）腳手架用量很少，施工成本較低； 2）施工工藝簡單，但高空操作危險性較大； 3）可能有較大的安裝次應力產(chǎn)生； 4）適用于節(jié)點形式為螺栓球節(jié)點的網(wǎng)殼結構。 （3）應注意的問題 1）施工前應驗算構件的施工內力； 2）第一圈構件的安裝特別重要； 3）應采取足夠的施工安全保護措施。,漳州后電石廠圓形煤場網(wǎng)殼工程施工過程 第一圈安裝采用首先在地面進行分塊預拼裝 第二圈開始采用小拼單元

22、吊裝,頂蓋部分為一圓形平板網(wǎng)架采用高空散裝法,建成后的煤場網(wǎng)殼,逆作法（外擴法）,由里向外、由上向下的施工過程,逆作法施工照片,（1）施工方法特點 1）質量檢查方便，安裝次應力可降低到最小程度； 2）屋面材料、電氣設備等可同時進行安裝； 3）工作效率高，施工速度快； 4）高空作業(yè)少，施工安全； 5）施工成本低； 6）需要起重量大的吊裝機具； 7）可用于曲面形式的空間網(wǎng)殼結構。,（2）應注意的問題 1）施工方案的確定一定要進行施工內力分 析； 2）吊點的位置應根據(jù)施工順序分階段計算的結果進行合理布置，計算內容不僅包括吊裝機具的驗算，而且包括在施工過程中構件內力的變化值以及構件的最終內力值。,Pantadome體系及施工技術 （1）施工原理,去掉一部分環(huán)向桿，使穹頂產(chǎn)生一個豎向自由度,（2）pantadome 體系的特點 1）在地面