3.网壳结构(上)

《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，天津体育馆，带拉杆的联方型圆柱面网壳，平面尺寸52m×68m，矢高8.7m2.1967年，郑州体育馆，肋环形单层球面网壳，平面直径64m，矢高9.14m，当时国内跨度最大我国网壳结构的发展11/743.1988年，北京体院体育馆，带斜撑的组合型双层扭壳，平面尺寸59.2m×59.2m，矢高3.5m4.1989年，濮阳中原化肥尿素仓库，双层正放四角锥圆柱面网壳，平面尺寸58m×135m，国内覆盖面积最大12/745.1989年，石景山体育馆，组合双曲抛物面网壳，正三角形平面，边长99.7m，矢高13.3m6.1995年，黑龙江速滑馆，柱面与球面组合网壳，轮廓尺寸86m×195m，覆盖面积15000，亚洲面积最大13/747.1994年，哈工大体育馆，单双层组合鞍型网壳,八边形平面，64.2m×58m8.2000年，哈工大体育场，悬挑跨度35.8米，当时国内悬挑跨度最大14/74哈尔滨工业大学体育馆HITGymnasium,Harbin15/74哈尔滨工业大学体育馆HITGymnasium,Harbin16/74北京奥运会老山自行车馆LaoshanCyclingGymnasium,Beijing,200717/74149536283401495362800RingtrussDouble-layerV-shapedreticulateddomecolumns11xyAOB1-1Planview18/7419/74§3.2网壳结构选型3.2.1网壳结构的基本类型3.2.2网壳结构的支承设置3.2.3网壳结构选型原则20/74§3.2.1网壳结构的基本类型•按结构组成分：单层网壳、双层网壳单层网壳双层网壳一、网壳结构分类21/74•按高斯曲率分：零高斯曲率、正高斯曲率、负高斯曲率高斯曲率121211KkkRRK=0K0K022/74•按曲面形状分：球面、柱面、椭圆抛物面、双曲抛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）对于每种形状，不仅应了解其几何特点，还应理解其内部蕴含的结构力量。23/741）球面圆球面网壳、椭圆球面网壳和抛物线球面网壳球壳的力量24/742）柱面圆柱面网壳、椭圆柱面网壳和抛物线柱面网壳柱壳的力量25/74柱面网壳按其支承和长度分为短壳（L/R0.5）、中长壳（0.5L/R2.5）、长壳（L/R2.5）和筒壳。•短壳的荷载沿两个方向传递；•长壳多为端部支承，荷载沿长度方向传递；•筒壳受力性能与拱类似。26/743）椭圆抛物面（双曲扁壳）几何构成•一种抛物线平移曲面•不宜太扁1/8≤f/b≤1/5•两个方向性能接近a/b≤227/74双曲扁壳的力量28/74双曲扁壳工程实例北京站候车厅（35x35m）1958北京网球馆（42x42m）196429/744）双曲抛物面（鞍壳、扭壳）几何构成●一种直纹曲面●双向弯曲，稳定性好30/74鞍壳的力量31/74双曲抛物面网壳工程实例德阳体育馆石景山体育馆广州亚运会摔跤馆哈工大体育馆32/74切割、组合曲面球面切割网壳33/7434/74二、球面网壳网格形式网格划分原则：杆件种类少，网格面积均匀，节点连接的杆件数不宜太多，相邻杆件的夹角不宜太小。35/74球面网壳的网格划分主要有6种形式：•肋环型•施威德勒型•联方型•凯威特型•三向网格型•短程线型36/741）肋环型(Rib-RingSystem)只有经向和纬向杆件，大部分网格呈梯形除顶部节点外，构造简单杆件承受弯矩，整体刚度差适用于中、小型网壳试分析图中有几种杆件和节点形式？37/742）肋环斜杆型(SchwedlerSystem)肋环+斜杆斜杆的作用是增强网壳的刚度和抵抗非对称荷载的能力。整体刚度好，适用于大、中型网壳左单斜杆左右单斜杆双斜杆无纬向杆38/743）联方型(RhombicSystem)由人字形斜杆组成菱形网格，斜杆夹角为30~50度造型美观，适用于大、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、中型网壳•在球面的水平投影面上，将跨度n等分，作出正三角形网格，再投影到球面上（小矢跨比）•在球面上用三个方向、相交成60度的大圆构成（大矢跨比）几何构成方法特点40/745）扇形分割三向网格型（KiewittSystem）网格大小匀称，内力分布均匀，适用于大、中型网壳K6K8先由n(n＝6、8、12……)根经向杆把球面分为n个对称扇形曲面，然后在每个扇形曲面内再由纬向杆和斜向杆划分。几何构成方法旋转划分+平行划分特点41/74新奥尔良超级穹顶NewOrleansSuperdome,USA,1975直径210m，采用K12型双层网壳。42/74K6与联方组合型43/746）短程线型（GeodesicSystem）几何构成方法以正20面体为基础，在球面上对三角形再划分。1）弦均分法2）等弧再分法3）弧等分法44/74网格大小匀称，受力性能好，适用于矢高比较大或超半球形网壳45/74哈工大90周年校庆纪念球试分析该球有多少个顶点，多少个面？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B.肋环型四角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单斜杆型柱面网壳人字形柱面网壳刚度较差，适用于中、小型网壳三、柱面网壳网格形式1）单层柱面网壳50/74悉尼国际水上运动中心51/74双斜杆型三向网格型联方型网格刚度差联方型三向型网格刚度最好双斜杆型连接复杂52/74为提高刚度和稳定性，对于长柱壳应设横向肋汉堡博物馆庭院53/742）双层柱面网壳主要有交叉桁架体系和四角锥、三角锥体系。54/74四角锥柱面网壳的主要形式55/74三角锥柱面网壳抽空三角锥柱面网壳双层柱壳的上下弦杆可能都受压。56/74四、椭圆抛物面网壳网格形式三向型单斜杆型联方型试分析下列网格的划分特点57/74正交正放型五、双曲抛物面网壳网格形式正交斜放型58/74六、局部双层网壳网格形式单层网壳的承载力主要由稳定控制，材料的实际工作应力仅为允许应力的1/10~1/6。为提高单层网壳的承载力，并获得简洁明快的视觉效果，可采用局部双层网壳。1）周边双层中部单层网壳2）局部抽空双层网壳3）局部带肋单层网壳59/74周边双层中部单层网壳肋环型联方型短程线型组合型60/74局部抽空双层网壳应使所有的上弦节点至少有一根腹秆与下弦节点相连61/74局部带肋单层网壳62/74§3.2.2网壳结构的支承设置网壳属边界条件敏感型结构，网壳的支承构造应满足不同结构形式所必需的边缘约束条件•球面网壳的支承应能够抵抗水平位移•柱面网壳沿两纵边支承时，应能够抵抗侧向水平位移•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下部结构63/74•双层网壳应按实际构造采用有侧移或无侧移的铰支座•单层网壳可采用不动铰支座、刚性支座或弹性支座•网壳边缘宜设置具有足够刚度的边缘构件，以避免应力集中64/74支座水平推力的处理可采用：①加水平拉杆②结构落地③增加下部结构刚度（加扶壁、斜撑）65/74边缘约束构件应满足刚度要求，并与网壳结构一起进行整体计算；刚度设计问题：①从释放温度应力及次应力考虑：支承及约束应减弱或设计得柔一些；②从结构的稳定性考虑：支承结构应设计得刚一些。设计时需兼顾以上两方面，对结构进行刚度调整。66/741）与建筑平面及造型相协调§3.2.3网壳结构的选型原则•圆形平面——球壳、组合柱壳和组合双曲抛物面壳•矩形平面——柱面、双曲抛物面和椭圆抛物面网壳•狭长平面——柱面网壳•菱形平面——双曲抛物面网壳•三角形、多边形平面——各种网壳的切割组合67/74美国麻省理工学院（MIT）礼堂（球壳平面为正三角形）68/742）尺寸选用合理•矢跨比是影响网壳受力的重要因素•厚度对网壳受力和用钢量均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L1两端支承时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≤50m双曲扁壳几何尺寸选用70/74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≤21/2~1/41/20~1/50≤60m双曲抛物面网壳几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≤1.51/4~1/81/20~1/50L≤60m双曲扁壳几何尺寸选用71/743）双层网壳可采用铰接节点，单层网壳宜采用刚接节点球形节点碗形节点柱形节点刚性节点1刚性节点2焊接球节点72/744）球面网壳的网格布置选择•大跨度宜采用具有三角形网格的形式；•宜避免构件密集•小跨度：肋环型、Schwedler型、联方型•大跨度：三向网格型、Kiewitt型、短程线型73/745）柱面网壳的网格布置选择•大跨度宜采用具有三角形网格的形式；•小跨度：单斜杆型、人字形、联方型•大跨：三向网格型、交叉斜杆型74/746）在满足使用要求的前提下，宜尽可能缩小跨度，采用多跨连续的方式。7）网壳容许挠度单层网壳：L/400双层网壳：L/250网壳限制挠度的原因与网架一样吗？75/74ToBeContinue……