3.3網殼,網殼結構的應用及特點網殼結構形式一般計算原則結構內力分析網殼桿件的設計與節點構造,內容提示,1）網殼的應用,網殼結構是一種曲面網格結構，兼有桿系結構構造簡單和薄殼結構受力合理的特點，因而具有跨越能力大，剛度好、材料省、桿件單一、制作安裝方便等特點，是大跨空間結構中一種舉足輕重的結構形式，也是近半個世紀以來發展最快、應用最廣的一種空間結構。網殼結構的發展式和人類生活、生產的需要、科學技術水平以及物質條件密切相連的。,3.3.1網殼的應用及特點,意大利羅馬小體育宮,日本的名古屋體育館單層網殼工程，圓形平面，直徑為187.2米，1996年建成，是目前世界上跨度最大的單層網殼結構。,日本的福岡穹頂(FukuokaDome)球面網殼工程。該工程于1993年建成，直徑為222米，是目前世界上最大的球面網殼結構。球形屋蓋由三片扇形網殼組成，根據需要進行旋轉開啟，可以全開、半開和全閉合狀態。整個過程大約需要20分鐘的時間。,我國的網殼結構在20世紀50年代初就有所應用，但特別是我國近年來網殼結構得到了突飛猛進得發展，并以每年遞增的事態發展。目前已建成大量的網殼結構。而正由于網殼結構獨特新穎的結構外形，這種結構已成為各地區的標志性建筑。如北京國家大劇院、天津體育館、上海萬人體育館等。,國家大劇院（肋環型空腹雙層網殼）,上海萬人體育館,天津市體育館（這是我國跨度突破100m大關的首例球面網殼結構）,甘肅省嘉峪關氣象塔工程,2）網殼結構的特點網殼結構兼有桿件結構和薄殼結構的主要特性，受力合理，可以跨越較大的跨度。具有優美的建筑造型，無論是建筑平面、外形和形體都能給設計師以充分的創作自由。應用范圍廣泛，即可用于中、小跨度的民用和工業建筑，也可用于大跨度的各種建筑，特別是超大跨度的建筑。可以用細小的構件組成很大的空間，而且桿件單一，這些構件可以在工廠預制實現工業化生產，安裝簡便快速，速度快，適應采用各種條件下的施工工藝，不需要大型設備，因此綜合經濟指標較好。計算方便。目前我國已有許多適用于多種計算機類型的各種語言的計算機軟件，為網殼結構的計算、設計和應用創造了有利條件。由于網殼結構呈曲面形狀，形成了自然排水功能，不需像網架結構那樣采用小立柱找坡。,3)制約因素：,桿件和節點幾何尺寸的偏差以及曲面的偏離對網殼的內力、整體穩定性和施工精度影響較大，這給網殼結構設計帶來了困難網殼結構可以構成大空間，但當矢高很大時，曲面外形增加了屋面面積和不必要的建筑空間，有些空間是不能用的，并增加建筑材料和能源消耗，屋面構造也比較復雜，某些形體的網殼若建筑上不加妥善處理，則會影響其音響效果。隨著科學技術的進步，只要精心設計，精心施工，網殼結構存在的缺點和問題是不難解決的。,4）網殼的發展,1.利用網殼結構的優點實現獨特造型2.網殼結構的跨度越來越大3.可移動或可開啟的網殼結構4.新型空間網殼結構減震體系5.新型屋面材料的發展,3.3.2結構的形式,分類方法：,按網殼層數：,單層網殼,雙層網殼：,按曲面外形：,球面網殼,柱面網殼,雙曲扁網殼,扭曲面網殼,單塊扭網殼,按結構材料：,鋼網殼,木網橋,鋼筋混凝土網殼,組合網殼,單層和雙層網殼,單層柱面網殼,單塊扭網殼,雙曲拋物面網殼,球面和柱面組合網殼,球面網殼,球面網殼又包括：肋環型球面網殼、施威德勒（Schwedler）型球面網殼聯方型球面網殼、凱威特型球面網殼、短程線球面網殼等,肋環型球面網殼,聯方型球面網殼,施威德勒型球面網殼,凱威特型,短程線型,3.3.3網殼結構一般設計原則,1）網殼結構在各種作用下的內力、位移及整體穩定計算除工作荷載外，還應根據具體情況考慮包括地震、溫度變化、支座沉降及施工荷載等效應。,2）計算荷載：,永久荷載,網殼自重和節點自重,屋面和吊頂自重,設備管道等自重,可變荷載,屋面活荷載,雪荷載,風荷載,兩者取大值,3）網殼結構幾何尺寸,4）強度、剛度分析,網殼結構的內力和位移可按彈性階段進行計算。網殼結構根據網殼類型、節點構造，設計階段可分別選用不同的方法進行內力、位移計算：,1）雙層網殼宜采用空間桿系有限元法進行計算,2）單層網殼宜采用空間梁系有限元法進行計算,3）對單、雙層網殼在進行方案選擇和初步設計時可采用擬殼分析法進行估算。,5）穩定性分析,網殼的穩定性可按考慮幾何非線性的有限元分析方法（荷載位移全過程分析）進行計算，分析中可假定材料保持為線彈性。用非線性理論分析網殼穩定性時，一般采用空間桿系非線性有限元法，關鍵是臨界荷載的確定。單層網殼宜采用空間梁系有限元法進行計算。,6）抗震分析,在設防烈度為7度的地區，網殼結構可不進行豎向抗震計算，但必須進行水平抗震計算。在設防烈度為8度、9度地區必須進行網殼結構水平與豎向抗震計算。,對網殼結構進行地震效應計算時可采用振型分解反應譜法，按此法分析宜取前20階振型進行網殼地震效應計算；對于體形復雜或重大的大跨度網殼結構，應采用時程分析法進行補充計算。,在抗震分析時，宜考慮支承結構對網殼結構的影響。當網殼結構在單排的獨立柱、框架柱或承重墻上時，可把支承結構簡化為彈性支座。對于網殼的支承結構應按有關標準進行抗震計算。,3.3.4結構內力分析,1）網殼的受力性能與一般結構相比，具有許多特點，因而它的計算也有許多特殊性。,網殼是一個高次超靜定結構，只有在對其所有桿件的截面進行初步設計后才能進入計算，計算的結構又將對初步設計的截面進行修改，截面的修改又將引起結構內力的變化，又需要重新計算；網殼的受力，特別是它的整體穩定性對結構的幾何形態的變動特別敏感，因此計算和設計之間存在緊密的內在聯系，往往需要經歷設計計算再設計直至滿足為止的過程,網殼設計中優或劣的評定準則，除用料經濟指標外，還必須考慮其它多種因素，如網殼是否對某種因素敏感，達到極限承載力的安全儲備的大小，網殼的延性指標，網殼是否便于施工安裝等等。以上這些必須通過計算才能確定。,網殼桿件之間的連接，從計算圖式的角度，可分為鉸接連接和剛接連接兩大類。在一般情況下，雙層網殼多采用鉸接連接，單層網殼應采用剛接連接。,對于鉸接連接網殼：采用空間鉸支桿單元有限元法,對于剛接連接網殼，宜采用空間梁-柱有限單元法。,1.確定網殼的計算單元。2.對計算單元的節點和桿件進行編號。3.建立各桿的單元切線剛度矩陣。4.建立網殼總剛矩陣,2）網殼結構的抗震設計,對網殼這種復雜空間結構，當地震發生時由于強烈的地面運動而迫使結構產生振動，引起地震內力和位移，就有可能造成結構破壞和倒塌，因此在地震設防區必須對網殼結構進行抗震設計。,網殼的抗震分析宜分兩階段進行。第一階段為多遇地震作用下的分析。網殼在多遇地震作用時應處于彈性階段，因此應作彈性時程分析，根據求得的內力，按荷載組合的規定進行桿件和節點設計。第二階段為罕遇地震作用下的分析。網殼在罕遇地震作用下處于彈塑性階段，因此應做彈塑性時程分析，用以校核網殼的位移以及是否會發生倒塌。對網殼抗震分析時，當采用振型分解反應譜法計算網殼結構地震效應時，宜取前20階振型進行網殼地震效應計算；對于體型復雜或重要的大跨度網殼結構，應采用時程分析法進行補充驗算。,3）穩定性計算,網殼結構的穩定性是網殼分析設計中的一個關鍵問題，單層網殼和厚度較小的雙層網殼都存在失穩的可能性。隨著網殼結構的發展，跨度不斷增大，穩定問題顯得更為突出。,影響的主要因素：,網殼結構的穩定設計,對單層的球面網殼、圓柱面網殼和橢圓拋物面網殼（即雙曲扁殼）以及厚度較小的雙層網殼均應進行穩定性計算。,（球面網殼的厚度為跨度（平面直徑）的1/301/60。圓柱面網殼的厚度為寬度的1/201/50。橢圓拋物面網殼的厚度為短向跨度的1/201/50。）,網殼規程提供的實用計算公式,分析方法：,（單層球面網殼）,特征根分析方法,幾何非線性全過程分析,雙重非線性全過程分析,當單層球面網殼跨度小于45m，單層柱面網殼寬度小于18m,單層橢圓拋物面網殼跨度小于30m，或對網殼穩定性進行初步估算時，其容許承載標準值可按網殼結構技術規程（JGJ61-2003)第4.3.5條規定計算。,3.7.5網殼桿件的設計與節點構造,1.網殼桿件的材料和截面形式與網架一樣，主要有鋼和鋼，截面為圓管、由兩個等肢角鋼組成的T型、兩個不等肢角鋼組成的T型、單角鋼、H型鋼，方管和矩形管等。網殼桿件的計算長度和容許長細比可按下表取用。,表1雙層網殼桿件的計算長度,表2單層網殼桿件的計算長度,表3網殼桿件的容許長細比,2.桿件設計,網殼的內力分析以后，可以根據桿件所受的最不利內力進行桿件截面設計。網殼桿件的受力一般有兩種狀態：一種為軸心受力；另一種為拉彎或壓彎。,當網殼節點的力學模型為鉸接且荷載都作用于節點時，桿件只承受軸向拉力或軸向壓力。此時網殼結構的桿件截面設計同網架結構的桿件設計。,當網殼節點的力學模型為剛接時，網殼的桿件除承受軸力外，還承受彎矩作用。此時應按拉彎桿件或壓彎桿件設計。,網殼一般不宜直接在桿件上加載，應將荷載直接作用在節點上，否則將使結構受力狀態變的復雜，對網殼的穩定性十分不利。,3.3.5網殼結構的節點構造與設計,當網殼的桿件采用圓管時，鉸接節點一般采用螺栓球節點，剛接節點一般采用焊接空心球節點。當相交桿件不多時，剛接節點也可采用直接匯交節點。當桿件采用角鋼組成的截面時，一般采用鋼板節點。,1）內部節點,網殼結構的節點主要有焊接空心球節點、螺栓球節點和嵌入式節點等，其中用得最廣泛的是前兩種。對于網殼結構的螺栓球節點設計和網架結構完全相同。焊接空心球當直徑為120900mm時，其受壓和受拉承載力設計值可統一按以下公式計算：,對于單層網殼結構，空心球承受壓彎或拉彎的承載力設計值可按下式計算：,2）支座節點,網殼結構的支座節點設計應保證傳力可靠、連接簡單，并應符合計算假定。通常支座節點的形式有固定鉸支座、彈性支座、剛性支座以及可以沿指定方向產生線位移的滾軸鉸支座等。,固定鉸支座,適用于僅要求傳遞軸向力與剪力的單層或雙層網殼的支座節點。,球鉸支座,弧形鉸支座,適用于大跨度或點支承網殼,適用于較大跨度、落地的網殼結構