基于网壳结构发展与应用的研究
班级：建筑学13-2班姓名：***学号：
[摘要]:随着社会进步，建筑的类型越来越多，建筑也越来越大，造型越来越独特；因此对
于建筑结构的要求也就越来越多，从而促进了建筑结构的发展。而网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的特性，受力合理，造型优美，覆盖跨度大，是半个世纪以来发展最快、有着广阔发展前景的空间结构。
[关键词]：网壳结构、造型、跨度、发展前景
一、引言
人类社会从古发展至今，物质文明和精神文明也在不断的发展和提高，因此人类对物质和精神的要求也变得越来越高；在满足了基本生活需求的前提下开始追求精神艺术。对建筑的要求也是如此，从基本的满足居住生活需求的空间发展到如今的大跨度空间，建筑造型的要求也越来越高；既要满足基本需求，又要满足视觉和艺术要求，例如悉尼歌剧院，广州大剧院，各种体育馆，会展中心等等。但建筑的发展受到结构的限制，以前的平面结构体系已经无法满足人们对建筑发展的要求。于是人们开始往空间结构的方向研究，于是研究出各种各样的空间结构体系，而网壳结构就是其中很好的一种空间结构。网壳结构优点多而且明显，能覆盖大跨度空间，这不但是技术上的一种突破，也是技术的艺术表现，使空间实用而又富有艺术气息。
二、网壳结构
网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的特性，受力合理，覆盖跨度大，是一种颇受国内外关注、半个世纪以来发展最快、有着广阔发展前景的空间结构。网壳结构具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形体都能给设计师以充分的创作自由；我觉得这简直就是解构主义建筑师的福音和最爱之一，比如像建筑大师扎哈.哈迪德的设计作品那样，充满自由的，不拘一格的空间设计手法，需要用到网壳结构的地方实在是太多了。建筑平面上，可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、三角形、扇形以及各种不规则的平面；建筑外形上，可以形成多种曲面，如球面、椭圆面、旋转抛物面等，建筑的各种形体都可以通过曲面的切割和组合得到；这些特点都是很多其他结构无法比拟的优点。而在结构上，网壳结构受力合理，可以跨越较大的跨度，由于网壳曲面的多样化，结构设计者可以通过精心的曲面设计使网壳受力均匀；我觉得这几点是很好的，可以间接的改善建筑设计师与结构设计师之间的矛盾；因为通常情况下建筑设计师设计的结构与结构设计师设计的结构是有差别的，而网壳结构可以实现很多从前不可能做出来的建筑。施工上，采用较小的构建在工厂预制，工业化生产，现场安装也是简单快捷的，不需要大型设备，而且综合经济指标较好；这个对于施工工人来说也是一件好事。计算方便。目前我国已有许多适用于多种计算机类型的各种语言的计算软件，为网壳结构的计算、设计和应用创造买有利条件。由于网壳结构呈曲面形状，形成了自然排水功能，不需像网架结构那样采用小立柱找
坡。
虽然网壳结构优点挺多的，也挺好的，但是有优点就会有缺点；网壳结构的主要不足在于：杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响较大，给结构设计带来了困难。不过困难从来都是用来克服的。另外，网壳的矢高很大时，增加了屋面面积和不必要的建筑空间，增加建筑材料和能源的消耗。我觉得然后有这些缺点和不足，但是我相信随着科技的发展与进步，这些缺点与不足会改善和克服的。
三、网壳结构的发展与设计施工
网壳结构最初的雏形是穹顶结构，到了中世纪时期，木材成为了穹顶结构的主要覆盖材料；而十九世纪时，铁的运用为穹顶的发展开创了一个新纪元，是覆盖大跨度建筑物成为可能。到了近代时期，钢筋混凝土结构理论的出现和应用，让人们开始关注薄壳结构。说到这就不得不提一下1922年的史上第一座钢筋混凝土薄壳结构——耶拿天文馆。其中最主要的是，德国的工程师，穹顶结构之父施威德勒把穹顶壳面划分为经向和纵向的环线，并连接在一起，而且在每个梯形网格内再用斜杆分成两个或者四个三角形，这样穹顶表面的内力分布就会变得更加均匀，从而使得结构自身重量减轻，这样就可以跨越更大的空间。这样，网壳结构诞生了，从最初的穹顶结构发展成为如今多种多样的网壳结构。
网壳结构在我国的发展和应用历史不长，但已显出有很强的活力，应用范围在不断扩大。最初网壳结构是在解放初曾应用。在当时，主要是一类联方型的网状筒壳，材料是型钢或者是木材，跨度一般在30m左右。近20多年来,我国的网壳结构获得了迅速的发展,结构形式不断有所创新,应用范围日益扩大。但是与国外对于网壳结构的应用还是有所不及。
网壳结构在设计的时候应该考虑的问题有：
1、基本荷载。基本荷载又包括永久荷载和可变荷载。
2、网壳结构的温度作用。
3、网壳结构地震作用。网壳结构抗震性能较好，但也要考虑震级大小对结构的影响
4、网壳结构装配应力。
5、网壳结构的稳定计算。
其次就是网壳在施工过程中和使用的时候需要注意的问题：
1、网壳结构的防腐和防火。网壳结构的构成材料虽然不是可燃材料，但却
受温度的影响，所以施工过程中必须要采取防火措施，以达到防火要求
和安全等级要求。
四、网壳结构的分类和应用
网壳结构发展到如今，已经形成了多种多样的形式，因此也分成了不同类型的网壳结构。按照不同的分类方法可以分为不同的网壳结构：一、按照高斯曲率分类可以分为零高斯曲率网壳、正高斯曲率网壳、负高斯曲率网壳。二是按照层数分类可以分为三种，分别是单层、双层网壳和变厚度网壳；其中单层网壳的曲面形式有柱面和球面之分。双层网壳按照曲面形成的方法可以分为双层柱面网壳和双层球面网壳，其结构型式可分为交叉桁架和角锥（包括三角锥、四角锥、六角锥，抽空的、不抽空的）两大体系。网壳结构所采用的材料比较多，主要是钢筋混凝土、钢材、木材、铝合金、塑料及复合材料。而其中主要发展趋势是轻质
高强材料的大量使用。材料的选择取决于网壳的型式、跨度与荷载、计算模型、节点体系、材料来源与价格，以及制造安装条件等。因此按照材料分类可以分为五类，分别是钢筋混凝土网壳、钢网壳、铝合金网壳、木网壳、塑料网壳及其他材料。由此可见，网壳结构的材料使用要求不算高，都是常用的材料，所以发展前景很好。
网壳结构在设计和选择时，需要考虑使用功能、美学、空间、工程的平面形状与尺寸、荷载的类别与大小、边界条件、屋面造型、材料、节点体系、制作与施工方法等因素。对于网壳结构的应用原则需要满足建筑的使用要求，还要考虑工程的经济性。
还有就是网壳结构的计算原则。网壳结构主要应对使用阶段的外荷载（包括竖向和水平向）进行内力和位移计算，对单层网壳通常要进行稳定性计算，并据此进行杆件设计。此外，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载，应根据具体情况进行内力、位移计算。首先要进行强度和刚度的分析；第二是要进行稳定性分析，最后还要进行抗震分析。
对于网壳结构的工程应用实例：1、中国国家大剧院。2、上海科技馆。3、北京老山自行车馆。4、银川中学科普天文馆。5杭州大剧院。6、北京石景山体育馆。7、北京体育学院体育馆。8、浙江黄龙体育中心主体育场。
五、网壳结构的发展趋势
以如今的社会发展来看，建筑肯定会做的越来越大的，而对于空间大小和形状的要求也越来越多的；各种体育馆，会馆中心……建筑的空间跨度会越来越大，空间更复杂，造型更独特美观等等。如此，网壳结构的发展潜力就会显得很大了，因为网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力均匀合理，不会轻易出现受力不均而破坏，还可以跨越较大的跨度。其次其合理的曲面不仅可以使结构力流均匀，结构还具有较大的刚度，而且结构变形很小，稳定性又高，还节省建筑使用的材料。还有一个独有的优点就是，薄壳结构与网格结构不能实现的形态，网壳结构几乎都可以实现。网壳结构既可以表现静态的美，又可以通过平面和立面的切割以及网格、支撑与杆件的变化表现出动态美。应用范围广，既可以用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度的各种建筑，特别是超大跨度的建筑。这样的结构，不仅在国内，即使是全世界都是发展潜力巨大的。
长期研究与发展网壳结构，必定会发掘网壳结构的更多优点和用途。也会使得网壳结构所能覆盖的跨度越来越大，结构型体会更加的完善合理。若能控制网壳结构的开口和闭合，想必那也是极好的。这就需要我们对网壳结构有更充分的研究和了解，不断的创新与应用。
六、结语
在如今快速发展的时代，浮夸，攀比成风的时代，快餐文化肆虐的时代，世界各国都热衷于设计建成更高更大造型更加独特的建筑，以此来显示一个国家在这一方面的技术水平，而要建成符合这样的建筑，就必须要运用适合的结构体系和成熟的工程技术，很明显的，网壳结构就符合要求。作为一种新兴的大跨度空间结构，其独特的优点在实际工程实例中得到淋漓尽致的表现，也使得网壳结构备受设计师的青睐。因此我们需要更加深入的去研究探索并运用网壳结构。
[参考文献]
叶献国.武汉理工大学出版社.建筑结构选型概论。
黄斌，毛文筠.新型空间钢结构设计与实例 [M],北京：机械工业出版社，2009
通过这一个学期建筑结构选型将建筑结构分类如下:●平面结构 梁柱结构(框架结构 桁架结构 单层钢架结构 拱式结构 ●空间结构 薄壁空间结构 网架结构 网壳结构网格结构 悬索结构 薄膜结构 ●高层建筑结构 ●平面结构 平面屋盖结构空间跨度相比较小,节点、支座形式较简单。 2008年奥运会摔跤比赛馆总建筑面积约23950平方米,比赛馆平面是一个82.4*94米平面,屋面是反对称的折面,采用巨型门式钢钢架结构,将建筑塑造为富有韵律感的
造型,如图所示。三维整体模型工程屋盖由12榀空间门式钢钢架组成,跨度82.4米,中心距8,0米,钢刚架为四肢组合的格构式结构。构件间的连接节点均为相贯节点,钢架柱(钢管连接于看台部分的钢筋混凝土柱,屋盖结构外形简洁、流畅,节点形式简单,刚度大,几何特性好。 单榀空间门式钢刚架单榀空间门式钢刚架(有连系杆单榀空间门式钢刚架(有连系杆
刚架柱支座 ●空间结构 ●网格结构 ?网架结构 一:2008奥运会国家体育馆 国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,建筑面积80 476m2 ,固定座席118 万座,活动座2 000座,用于举办2008 年奥运会的体操、手球比赛,赛后用于举办体育比赛和文艺演出。虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆两部分,但屋盖结构在两个区域连成整体,即采用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热身馆两个区域,形成一个连续跨结构。空间网架结构在南北方向的网格尺寸为815m,东西方向的网格有两种尺寸,其中中间(轴a和○K之间的网格尺寸为1210m,其他轴的网格尺寸为815m。按照建筑造型要求,网架结构厚度在11518~31973m之间。不包括悬挑结构在内,比赛馆的平面尺寸为114m ×144m,跨度较大,为减小结构用钢量,增加结构刚度,充分发挥结构的空间受力性能,在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的钢索,钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连,形成双向张弦空间网格结构。其中最长桅杆的长度为91237m,钢索形状根据桅杆高度通过圆弧拟合确定。在
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双层网壳结构的静力分析与设计 摘要：本文简述了双层网壳的静力设计过程，并通过对杆件内力的分析和变形能力的探讨得出如下结论：双层网壳这种结构型式具有有较强的承载能力，良好的稳定性和优越的协调变形性能，是各种大跨度建筑值得采用的一种屋盖型式。 关键词：双层网壳，柱壳，大跨度空间结构。 设计概况：某展览馆主展厅屋面为弧线形，跨度27m，结合使用要求，拟采用双层网壳的屋盖结构型式。该结构不仅具有有较高的承载能力，且当在屋顶安装照明、空调等各种设备及管道时，它还能有效地利用空间，方便吊顶构造，经济合理。 一、柱壳结构的型式与分析 1 柱壳结构型式 本设计所用柱壳采用正放四角锥体系，柱壳跨度27m，矢高4.5m，纵向长度42m。杆件长度控制在3m～3.5m之间。 2 柱壳结构分析 结构分析的核心问题是计算模型的确定。本设计中柱壳结构的计算模型为空 图1 柱壳上弦支座图 图1中，a点为二向支承（约束x，z方向位移），d点为二向支承（约束y，z方向位移），c点为三向支承（约束x，y，z方向位移），其余带×号的各点均设置单向支承（只约束z方向的位移）。 柱壳结构为大型复杂结构，因此采用有限元分析软件SAP2000对其进行结构分析，并结合我国钢结构设计规范对各杆件进行截面设计和验算。 二、静力设计 1、荷载计算 1）恒载标准值计算
2 /375 m KN 2/5m KN 2 /m KN 屋面构件及网壳自重恒载： 0.752/m KN 灯具： 0.052/m KN 2）活载标准值计算 屋面活载：0.52/m KN ； 雪荷载：375.05.075.00=?=?=s s r k μ2/m KN ； 风荷载： C 类地貌，风压高度变化系数查表得74.0=z μ，风振系数 0.1=z β 2所示： 因此，有：21/0789.0m KN w -=，22/237.0m KN w -= ，23/148.0m KN w -= 2○ 1。 ○ 2 ○ 3 6/127/5.4/==l f 15 4)2.06/1(1.02.0-=-?-=s μl f /s μ 0.10.8 -0.20 0.50.6 +
硕士研究生课程考试试卷 硕士研究生课程考试试卷 考试科目：大跨与空间钢结构 考生姓名：许爱国考生学号：20101602009 考生姓名：杨 丹考生学号：20101602024 考生姓名：张 长考生学号：20101602084 考生姓名：田真珍考生学号：20101602015 学院：土木工程学院专业：土木工程（结构工程方向）考生成绩：90 任课老师(签名) 崔佳 考试日期：2011 年9月5日
目 录 录 1设计资料 (1) 1.1 设计题目 (1) 1.2 设计参数 (1) 2 设计分析软件 (2) 2.1 分析软件简介 (2) 2.2 软件分析步骤 (2) 3 网壳结构设计计算 (3) 3.1 设计基本要求 (3) 3.2 计算分析方法 (3) 3.3 结构模型建立 (4) 3.4 节点与单元属性设置 (5) 3.5 材料参数设置 (6) 3.6 施加约束和荷载 (7) 3.7 软件初步分析设计 (11) 3.8 结构动力分析 (14) 3.9 竖向和水平地震作用抗震验算 (19) 3.10 结构风振系数计算 (21) 3.11 支座节点及檩条设计说明 (21) 4 网壳结构计算结果信息 (22) 4.1 网壳结构各杆件内力 (22) 4.2 网壳结构挠度验算 (23) 4.3 杆件与球节点配置及材料表 (25) 4.4 图纸生成说明 (25) 5 设计结果分析 (26) 5.1 单层球面网壳设计结果概述 (26) 5.2单层球面网壳整体稳定性分析简述 (27) 5.3 网壳结构设计中的几个问题 (29) 参考文献 (30) 附录 (31)
1 设计资料 1.1 设计题目 设计一单层球面网壳，网壳直径为20m，矢高7m，周边支承在钢筋混凝土柱及圈梁上，钢筋混凝土柱沿周边每20°一个均匀布置，柱截面尺寸为400mm×700mm，柱顶及圈梁顶标高为15.2m，圈梁截面尺寸为400mm×600mm。网壳上搭设檩条，屋面板采用压型钢板。 1.2 设计参数 1.2.1 静荷载 网壳自重：网壳结构的自重包括钢管杆件和焊接空心球节点（或螺栓球节点）的重量，可由计算机分析软件程序自动生成。 附加恒载：檩条、压型钢板和灯具重量取2 kN m。 0.65/ 1.2.2 活荷载 本工程屋面为不上人屋面，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）(2006年版)第4.3.1条规定，屋面均布活荷载标准值取为2 kN m。屋面均布活荷载不应 0.5/ 与雪荷载同时考虑，取二者的较大值，此处不考虑雪荷载。基本风压取2 0.4/ kN m，本工程不考虑积灰荷载和吊车荷载。 1.2.3 温度作用 此处的温度作用仅指分析软件用到的温度差，即结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值，此处取为-25℃~25℃。 1.2.4 地震作用 本工程所在场地的抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，根据《空间网格结构技术规程》（JGJ7-2010）第4.4.2条规定，本工程单层球面网壳结构需要进行竖向和水平抗震验算。 1.2.5 结构材料 网壳结构杆件对钢材材质的要求与普通钢结构相同，本工程采用Q235B钢。网壳杆件截面形式有圆钢管、方钢管、角钢及H型钢等，由于圆钢管相对回转半径大和截面特性无方向性，对受压和受扭有利，一般情况下，圆钢管截面比其他型钢截面可节约20%的用钢量，当有条件时应优先采用薄壁圆管形截面，圆钢管可采用高频电焊钢管（即有缝管）或无缝钢管，其中高频电焊钢管较无缝钢管造价低且壁薄，设计时应优先使用，故本工程采用高频电焊圆钢管。网壳结构下部的钢筋混凝土柱及圈梁的混凝土强度等级采用C30。
第8章幕墙工程施工方案 8.1施工部署 本工程建筑物外表面为一个三维空间多面体，分为大剧场、多功能剧场两个建筑体，多功能剧场有38个大面和54条转角、26个角部，大剧场有63个大面和100条转角、43个角部，屋面分块多为规则的相似或相等的三角形，交接位置多，安装工艺复杂，施工难度较大，外帷幕面积达3万多平方米，其中石材幕墙24123.1平方米，玻璃幕墙4675.98平方米，工程规模大、质量要求及施工技术要求高且施工工序复杂。主要工程量如下： 8.2区域及作业面划分 本工程施工时拟将整个工程划分为组织相对独立的两个区域：大剧场施工区、多功能剧场施工区。两施工区内采用平行作业，同时结合流水作业，屋面防水及结构施工由上向下进行，石材安装由上往下施工。 因两个施工区都是屋面及墙面分块多，多功能剧场共38个大面，大剧场共63个大面，施工过程中以均分工程量为原则，将两施工区各分为A、B共4个施工部进行平行施工（分区示意图见附件二）；各施工部内再根据连续性及类型基本相同原则，划分为3个施工段进行流水作业。 以多功能剧场为例说明施工分部划分及施工段划分，多功能剧场以中间为分界分为东、西（即A、B分区）两个施工区，东区（A区）共20个面，包括面 470
施工组织设计M1～18、M21、M22，西区（B区）共18个面，包括面M19、M20、M23～38。A区内分为三个流水段，第一流水段为屋面流水段，包括面M14～18、M21、M22七个大面，第二流水段为墙面流水段，包括面M1～7七个大面，第三流水段为墙面流水段，包括面8～13六个大面。各流水段同时施工，在项目部的指导下，互相协作。使工程得以实施全面开工，从而加快施工进度，保证工期。 大剧场也以相同原则划分为两个施工部和6个流水段。 471
1. 吊装方案的总体思路 结构的划分 本工程游泳馆钢结构部分主要由主钢架+单层网壳两部分组成。游泳馆场内由纵向主钢架和横向联系杆件体系组成。主钢架一共有10榀，由钢柱和钢梁形成的钢制框架组成；横向联系杆件体系由主钢架之间的横向联系杆件和外围椭圆周联系杆件组成。 游泳馆外围网壳结构由36个菱形网壳以及支撑构件组成，网壳根据拼装构件单元可以细分为主桁架、尾桁架和折面桁架三种。 游泳馆结构轴测图如下所示： 根据施工现场的实际情况，场内主钢架的钢柱已经吊装完成，场内吊装工作包括主钢架的钢梁以及横向联系杆件体系。外围的吊装工作包括主桁架、尾桁架和折面桁架的吊装，每种桁架36榀，共108榀。 根据工程实际，场内钢梁吊装可先在地面进行拼接，方式采用卧拼的方法，将四段材料拼接成一整榀箱型梁，之后整榀吊装。可以缩短工期，并且游泳馆场内不需设立临时支撑架；外围网壳的主桁架，在其下弦杆铸钢节点后设置相应临时支撑架，共36个，同时尾桁架下部相应设置临时支撑架，共36个。 游泳馆的施工临时支撑布置平面图如下所示：
构件的分段与起吊 本工程游泳馆管桁架结构分段情况：每榀主钢梁分成4段，采用散件出场，可采取现场拼装成整榀钢梁后进行吊装。主钢架之间的横向联系杆件散件出场，在现场进行散装，形成横向联系杆件体系。单层网架结构采用散件出厂，现场拼装成块后进行整榀吊装。 主钢梁分段单元吊点设置 游泳馆每根轴线主钢梁由4段构件组成，其尺寸、重量情况如下： 可以先在地面进行拼接，形成整榀箱型梁，再进行吊装。地面拼接可采取水平卧拼的方式，其胎架平面布置示意图如下：
最大吊装单元为32吨、50米的钢梁。主钢梁采用四点吊装法进行吊装，且设置手拉葫芦进行调节。 分块网壳分段单元吊点设置 游泳馆外围网壳拼装单元根据深化设计有三种类型，分别为主桁架、尾桁架和折面桁架，每种36榀，共108榀。在地面拼装完成后再进行单元吊装。 游泳馆网壳结构采用分块吊装，分块最重为7吨，分块形状呈不规则状态，采用四点吊装法进行吊装，吊点设置如下图所示：
浅论单层网壳钢结构采光顶设计 摘要：介绍了遵义医学院附属医院新蒲医院-门急诊住院综合楼项目。该工程为 门急诊住院综合楼中庭屋顶钢结构部分的单层网壳设计。文中介绍了工程的结构 分析和设计方法。在设计中建立中庭采光顶结构有限元计算模型。在综合考虑工 程重要性的同时，根据结构的几何力学特点，节点的刚度等多种因素的基础上， 对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用等工况组合，对结构 在使用阶段的内力和变形进行分析。在大量计算和分析的基础上，对结构几何体 系和构件进行了设计。并对结构的整体稳定进行了分析。 关键词：网壳的选型设计；节点设计；整体稳定 绪论 本工程为医院门急诊住院综合楼中庭钢结构部分，属于大型公共建筑。钢结构屋盖平面 呈防锤形，结构纵向最长为82.50m，横向最大跨度27.50m，立面呈椭圆形，最高点高度 21.9m。最低点高度15.55 m。整个屋顶建筑面积近1850m2。屋顶中间部分采用夹层中空全 钢化玻璃，两侧部分为铝板。整个结构落在主体混凝土结构上。 深化后采光顶轴侧图 论文正文 一、结构选型 综合考虑建筑的外观效果、经济性、结构安全等因素，屋面结构决定采用经济性、安全 性都较好的网壳结构。本工程钢结构屋面跨度不大，约28m。因此，形式上采用单层网壳结构。下端固定在混凝土平台上，交联过程稳定，重复性好。 结构视图 二、网格划分 在建筑方案的基础上对网壳的曲面形式、几何尺寸重新划分，根据网壳的受力特点，同 时考虑了施工因素等因素，来确定网格类型的选择、网格大小的划分，其目的是使网壳受力 合理，能充分发挥结构材料的力学性能，也考虑了整体造型美观。 除上述原则外，在遵循最优的结构形式，还应考虑加工制作、半成品运输、吊装安装等 条件，与之覆盖的材料协调和匹配，以取得最好的技术和经济效果。综上考虑，在方案设计时，通过分析和比较，最终网格采用了三向网格型，三向网格形是在水平面内形成大小相等 的三角形网格，然后投影到曲面上形成的。由于这种网格结构组成规律性强，结构外形美观，受力好，适用于该工程。
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┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 钢结构单层网壳设计 ――某椭球面网壳设计 学生梁江浩(专业：土木工程学院建筑工程专业) 指导教师郭小农(单位：土木工程学院建筑工程系) 【摘要】单层钢结构网壳外形美观，结构新颖，是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。网壳结构有如下特点： (1)网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。 (2)由于它可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。 (3)网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。同时，又便于工厂制造和现场安装，在构造和施工方法上具有与平板网架结构相同的优越性。 本设计是以工程实例为背景，完成一个的单层钢网壳设计。网壳型式是椭球型网壳，底面为30m*20m的椭圆，矢高为10m。结构是肋环形网壳，网壳的地点在天津。本设计的实施过程如下： (1)进行钢结构网壳空间建模：完成结构选型和网格划分,首先用3D3S生成一个尺寸相同的肋环形网壳，然后手动删改生成网壳的区格构件，使得每根构件的长度大致处于1.5m-2.2m，这样结构的网格更加合理，方便玻璃的制作与安装，结构本身也更加美观； (2)进行结构内力分析：完成荷载输入、杆件截面选择。内力计算使用3D3S软件，但是其中荷载的导算是人工完成，由于荷载规范中网壳的风载体型系数较为复杂，软件并不能很好的导算。因此借助于ANSYS中的编程功能，读入3D3S生成的模型数据，在依据规范的公式，计算出导算好的节点荷载，并写出适用于3D3S和ANSYS 的荷载文件； (3)构件设计：计算长度根据网壳结构技术规程得出，杆件采用热扎无缝钢管114*4.0和95*4.0，电算后再任选一根构件，利用3D3S得到的杆件内力，进行手动验算； (5)节点设计：本网壳中节点采用焊接球节点，采用两种焊接球：200*8的不带肋空心球节点和300*12的带肋空心球节点，电算选择球类型，然后根据网壳结构技术规程的计算方法任选一个球节点手算。 (6)结构整体稳定性分析，首先进行线性屈曲分析，得到屈曲模态，以此选定初始缺陷然后进行几何非线性整体稳定性分析，并且进行同时考虑材料非线性的整体稳定性分析； (7)施工图绘制，大概共绘制10张A2图，其中手绘2张； (8)计算书整理。 【关键词】单层网壳；整体稳定；大跨空间结构。
第五节高强度螺栓的施工 一高强螺栓施工概述 本工程钢结构高强度螺栓的安装主要分布于展望桥核心筒钢结构，主要采用10.9级的高强度螺栓，高强度螺栓制孔采用数控钻孔。高强度螺栓与构件连接处接触面采用喷砂处理，处理后其抗滑移系数μ值要达到0.50。 二安装准备 (一)高强度螺栓保管要求 (二)高强度螺栓的性能检测 1检测标准及准备
2检测方法 名称类别试件试验方法注意事项 高强度螺栓性能检查 高 强 度 螺 栓 紧 固 轴 力 试 验 现场安装用螺栓随机 抽取 （1）连接副预拉力采用 经计量检定、校准合格 的轴力计进行测试。 （2）采用轴力计方法复 验连接副预拉力时，应 将螺栓直接插入轴力 计。 （3）紧固螺栓分初拧、 终柠两次进行，初拧应 采用手动扭矩板手或专 用定扭电动板手;初拧 值应为预拉力标准值 50%左右。终拧应采用专 用电动板手，至尾部梅 花头拧掉，读出预拉力 值。 （1）扭剪型高强度螺栓应在施工 现场待安装的螺栓批中随机抽 取，每批应抽取8套连接副进行 复验。 （2）试验用的电测轴力计、油压 轴力计、电阻应变仪、扭矩板手 等计量器具，应在试验前进行标 定，其误差不得超过2%。 （3）每套连接副只应做一次试 验，不得重复使用。 （4）在紧固中垫圈发生转动时， 应更换连接副，重新试验。 （5）复验螺栓连接副的预拉力平 均值和标准偏差应符合上页表的 规定。 高 强 度 螺 栓 连 接 摩 擦 面 的 抗 滑 移 系 数 试 验 二栓拼接拉力试 件 （1）先将冲钉打入试件 孔定位，然后逐个装换 成同批经预拉力复验的 扭剪型高强度栓。 （2）紧固高强度螺栓应 分初柠、终拧。初拧应 达到螺栓预拉力标准值 的50%左右。 （3）试件应在其侧面画 出观察滑移的直线。 （4）将组装好的试件置 于拉力试验机上，试件 的轴线与试验机夹具中 心严格对中。 （5）加荷，应先加10% 的抗滑移设计荷载值， 停1min后，再平稳加荷， 加荷速度为3-5kN/s。直 拉至滑移破坏，测得滑 移荷载。 （6）由紧固轴力平均值 和测得的滑移荷载计算 抗滑移系数。 （1）制造厂和安装单位应分别以 钢结构制造批为单位进行抗滑移 系数检验。制造批可按分部（子 分部）工程划分规定的工程量每 2000t为一批，不足2000t的可视 为一批。 （2）选用两种及两种以上表面处 理工艺时，每种处理工艺应单独 检验。每批三组试件。 （3）试件钢板的厚度t1、t2应 根据钢结构工程中有代表性的板 材厚度来确定;宽度b可参照上页 表规定取值；L1应根据试验机夹 具的要求确定。 （4）试件板面应平整，无油污， 孔和板的边缘无飞边、毛刺。 （5）抗滑移系数检验用的试件应 由制造厂加工，试件与所代表的 钢结构构件应为同一材质、同批 制作、采用同一摩擦面处理工艺 和具有相同的表面状态，并应用 同批同一性能等级的高强度螺栓 连接副，在同一环境条件下存放。
第37卷第9期 振动与冲击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.37 No.9 2018基于节点构形度的单层柱面网壳稳定优化设计 陆明飞，叶继红 (东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210018) 摘要：稳定是单层柱面网壳结构分析与设计中的关键因素。从节点构形度的视角，考虑外在因素中与稳定问题 直接相关的核心部分，定义了能全面反映结构静力稳定特性的节点构形度相对变化梯度（0(_U，其最小值()与 稳定承载力直接相关。能定量地衡量结构丧失稳定的趋势，揭示网壳结构失稳机理。在此基础上，进一步提出了单 层柱面网壳稳定优化设计方法。稳定优化模型以最大化为优化目标，离散的杆件截面为优化变量，考虑规范规定 的各项设计约束条件，在给定用钢量的前提下，提高结构稳定承载力。两个实际工程算例验证了单层柱面网壳稳定优化 设计方法的有效性。 关键词：单层柱面网壳;节点构形度;稳定;稳定优化;优化设计 中图分类号：TU393.3 文献标志码：A DOI ： 10. 13465/j. cnki. jvs. 2018.09.012 Stability optim izationdesignfor single-layer cylindrical domes based on joint well-formedness LU Mingfei, YE Jihong (Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of China Ministry of E Southeast University，Nanjing 210018，China) Abstract:St abi li ty i s a key factor in design and analysis of single-layer cylindrical domes. From the perspective of joint well-formedness，the relative gradient of joint well-formedness (g r a_r)was defined here t o f u l l y r e flect the s t a t i c s t a b i l i t y of structures a nd consider the core part directly related t o s t a b i l i t y of external factors，i t s minimum value (g r a_ U b) was directly related t o s t a b i l i t y loads. I t was shown that g r a_r can quantitatively measure lose s t a b i l i t y and reveal domes ’unstable mechanism. On t h i s basis，the s t a b i l i t y optimization design metliod for single-layer cylindrical domes was proposed. Using the st a b i l i t y optimization model，the maximization of g objective，and discrete rods’cross-sections as variables，various design constraint conditions specified in the code were considered，the force-bearing a b i l i t y for the structure s t a b i l i t y was improved under the premise of a given steel-consuming amount. Two practical engineering examples verified the effectiveness of the proposed s t a b i l i t y opti for single-layer cylindrical domes. Key words:single-layer cylindrical domes;joint well-formedness;stability;s t a b i l i t y optimization;optimal design 整体失稳是壳体结构特有的一种失效模式，因此，稳定是网壳结构分析中的一个重要因素。1979年，Riks[1]提出了弧长法，成功解决了在迭代过程中，因刚度矩阵奇异而导致的不收敛问题。经弧长法非线性跟踪，可以准确求得代表网壳结构稳定的临界荷载J r。30多年来，学者们对网壳结构稳定性问题做了深入研究，在计算方法、缺陷、后屈曲性能等方面取得了丰硕成果[2—7]。曹正罡等[8]考虑弹塑性，研究了单层柱面网 基金项目：国家杰出青年科学基金项目（51125031) 收稿日期：2016 -12-09修改稿收到日期：2017 -02-15 第一作者陆明飞男，博士生,1991年生 通信作者叶继红女，博士，教授，博士生导师,1967年生壳弹塑性稳定性能。M a等[9]研究了半刚性节点对单层柱面网壳稳定性的影响。然而，对于网壳结构的静力失稳机理，系统性的研究尚未见报导。 不同于其它杆系结构，稳定性已经超越了强度、刚度问题，成为单层柱面网壳结构设计中的控制性因素。也就是说，单层柱面网壳在经满应力优化设计后，一般难以满足稳定性要求。沈世钊等在20世纪90年代末期，对许多大型复杂单层柱面网壳进行了大规模参数化分析，所得到的部分结论已编入相关设计规程。K a o 等[10]利用线性特征值屈曲荷载，以广义长细比为基础，提出了杆件截面分配法的网壳结构稳定设计方法。其不足在于，以放大系数及经验拟合公式考虑非线性。
第七章技术规范
第一节钢网架工程技术要求 1.1总则 1.1.1概述： 本次招标为全线收费棚、加油站大棚网架采购与安装工程及缺陷责任期阶段的全部相关工作，包括深化设计、材料供应、制作（包括预埋件的制作，配合土建工程预埋等）、运输、安装、油漆、试验检测、竣工验收、保修。 1.1.2设计 1.1. 2.1设计规范和标准 所有设计图纸及本技术要求均根据以下规范和标准： (1) 建筑结构设计术语和符号标准GB/T50083-97 (2) 建筑抗震设防分类标准 GB50223-2008 (3) 工程结构设计基本术语和通用符号GBJ132-90 (4) 建筑结构可靠度设计统一标准GB 50068-2001 (5) 建筑结构荷载规范(2006版) GB50009-2001 (6) 建筑抗震设计规范(2008版) GB50011-2001 (7) 钢结构设计规范 GB50017-2003 (8) 高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ99-98 (9) 网壳结构技术规程 JGJ 61-2003 (10) 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS 28:90 (11) 钢结构工程施工质量验收规范 GB50205-2001 (12) 建筑钢结构焊接技术规程 JGJ81-2002 (13) 网架结构工程质量检验评定标准 JGJ78-91 (14) 钢结构防火涂料应用技术规范 CECS 24:90 (15) 屋面工程质量验收规范 GB50207-2002 (16) 建筑物防雷设计规范 GB50057(2000版) (17) 压型金属板设计与施工规程 YBJ216-88 1.1. 2.2规范标准版本
金华市中国婺剧院屋盖钢结构网架工程吊装专项方案 专家论证报告 2010年月日，由浙江九天空间钢结构有限公司组织，对承建的金华市中国婺剧院屋盖钢结构网架工程所编制的钢结构吊装专项方案进行专家论证。与会专家经编制人员介绍及现场考察，讨论形成意见如下： 专家组意见： 与会专家签名： 日期：
金华市中国婺剧院钢结构工程 屋面网壳结构 吊 装 专 项 方 案 编制： ******* 审批： ******* 日期：二〇一二年五月十七日 浙江九天空间钢结构有限公司
目录 第一章：编制依据 第二章：工程概况 1、工程简况 2、屋面网壳结构布局及工程难度 第三章：吊装机械选用、布置及塔吊起重参数第四章：机具、劳动力配备及施工进度计划表第五章：屋面网壳结构吊装工艺 1、安装工艺 2、测量控制 3、现场焊接质量控制 第六章：结构承重支撑及安装操作脚手示意图第七章：安全保证措施 第八章：质量保证措施 第九章：工期保证措施 第十章：特殊季节施工措施 第十一章：应急预案
第一章：编制依据 1、工程简况 本工程为管网架单层网壳结构，结构造型独特、设计美观，结构面积约为8000m2，钢结构总吨位约800吨，钢结构最大跨度72米，长度113米，两端矢高分别为23.243m、36.294m，两端悬挑分别为30m、40m。网壳杆件及支撑柱均采用无缝或电焊直缝钢管。网壳主要由南北方向27榀拱架、31根立柱、支撑、系杆组成，其中10榀拱架支撑在下部混凝土梁柱上，拱架与混凝土柱墩为铰接连接，支座形式采用固定球形铰支座。网壳壳体与支撑柱连接为铰接连接，连接形式采用活动万向铰连接节点。支撑柱与混凝土梁柱连接为铰接连接，支座形式亦采用固定球形铰支座。 2、屋面网壳结构布局 本工程主结构安装在+5m标高层钢筋混凝土楼层面上，由27榀拱架、18榀桁架、31根立柱、134根支撑、572根系杆组成。 A 、27榀管拱架： 1) 3榀管拱架（G3、G11、G19）直径为D800×18-24-30； 2)、7榀管拱架（G1、G2、G4、G10、G12、G15、G20）直径为D500×12； 3)、17榀管拱架(G5、G6、G7、G8、G9、G13、G14、G16、G17、G18、G17、G21、G22、G23、G24、G25、G26、G27)直径为D299×10-12-14。10榀管拱架支撑在下部混凝土梁柱上，拱架与混凝土梁柱为铰接连
单层球面网壳结构的稳定性分析 摘要：网壳结构是近年来在建筑工程中广泛应用的一种空间结构形式，它受力合理,造型美观, 用料经济,施工简便。其结构形势多样,跨度较大,重量轻，因而网壳结构的稳定性问题是结构设计和施工安装中的十分重要。本文主要在国内外研究成果的基础上，介绍单层球面网壳结构的发展状况以及其非线性 稳定性分析方法，并得出相关结论。 关键词：单层球面网壳结构、非线性、稳定性 Abstract:In recent years latticed shell is a widespread spatial structure in the architectural engineering because of the reasonable stress, the beautiful modeling and convenient installation. Its structure diversifies , span is big and the weight is light. So the stability calculation problem on the latticed shell structure becomes important in the structure design and construction installment. Based on the recent research within and without , this paper mainly introduce the development and the nonlinear stability analysis methods of single-layer spherical lattice shells and draws some conclusions. Key words: single-layer spherical lattice shell、nonlinear、stability 1 网壳结构的发展概况 网壳结构是一种由杆件构成的曲面网格结构，可以看作是曲面状的网架结构，兼有杆系结构和薄壳 结构的固有特性。该结构形式受力合理、造型美观多样、跨度大、材料耗量低，现场安装简便，是非常 有发展前景的一类空间结构[1-2]。 网壳结构按照曲面外形可以分为:球面网壳、柱面网壳、双曲扁网壳、圆锥面网壳、单块扭网壳、扭曲面网壳、双曲抛物面网壳以及切割或组合形成面网壳等[3]。 国外最早网壳可追溯到1863年在德国建造的一个由凯威特设计的30m直径的钢穹顶，是作为储气罐的顶盖之用。由此命名的这种施威德勒形式的网状穹顶，至今仍作为球面网壳的一种主要形式。近二、 三十年来，国外尤其在美国、日本等国网壳结构发展迅速。我国网壳结构作为空间结构受力体系设计并 广泛应用，始于上世纪80年代末，近年来正蓬勃发展，国外很多网壳结构在建筑形体、结构跨度、加工精度、安装方法、网壳的开启技术等方面有独到之处，都值得我们学习和借鉴[4]。 近年来国内外不少的标志性建筑都采用了球面网壳这种空间结构。日本于1996年建成的名古屋体育馆（见图1）是世界上跨度最大的单层球面网壳。该体育馆整个圆形建筑直径为229.6m,支承在看台框架柱顶的屋盖直径则有187.2m。另外1993年建成的日本福冈体育馆（见图2）也为球面网壳，直径为222m,是目前世界上最大的可开合式球面网壳结构。 我国于1994年修建的天津市新体育中心体育馆的双层网状球壳结构（如图3），平面为圆形，直径108m，外悬挑部15.4m，厚度3.0m，整个球壳平面直径为135.0m，矢高13.5m，用钢指标为55kg/m2，
网壳结构具体案例分析——国家大剧院 姓名：宋建宇班级：2011级5班学号201101020530 摘要：网壳结构即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构。其外形为壳，其形成网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。它是以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体坐标进行布置的空间构架，兼具杆系结构和壳体结构的性质，属于杆系类空间结构。与平面网架不同，它的承载力特点为沿确定的曲面薄膜传力，作用力主要通过壳面内两个方向的拉力或压力以及剪力传递。网壳结构兼有薄壳结构和平板网架结构的优点，是一种很有竞争力的大跨度空间结构。关键字：壳体结构、优缺点、未来展望 正文： 国家大剧院外部为钢结构壳体呈半椭球形，平面投影东西方向长轴长度为212.20米，南北方向短轴长度为143.64米，建筑物高度为46.285米，比人民大会堂略低3.32米，基础最深部分达到-32.5米，有10层楼那么高。国家大剧院壳体由18000多块钛金属板拼接而成，面积超过30000平方米，18000多块钛金属板中，只有4块形状完全一样。钛金属板经过特殊氧化处理，其表面金属光泽极具质感，且15年不变颜色。中部为渐开式玻璃幕墙，由1200多块超白玻璃巧妙拼接而成。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达3.55万平方米，各种通道和入口都设在水面下。 国家大剧院是空间双层网壳结构，这一结构更完整，更纯粹。”大剧院的壳体钢结构总重6750吨，网壳面积3.5万平方米，没有一根立柱支撑，全靠148榀弧型钢梁承重。虽然这一壳体的高、重、大为中华第一，但它同时也是大跨度空间结构中单位用钢量最少的，每平方米不到200公斤，仅为卢浮宫钢结构每平方米用钢的三分之一。如此“轻便”的穹顶大大减少了承重钢梁的压力，建筑物的安全系数将会很高。另外，考虑到风、雪、地震等自然因素，壳体钢结构还体现了柔性设计理念。钢梁接触地面的一端允许相应滑动，整个结构的最大变形度大约为20厘米。 国家大剧院主体建筑钢结构椭球体壳体(以下简称:壳体)为一超大空间壳体，东西长约212m，南北约144m，高约46m。整个钢壳体由顶环梁、梁架构成骨架;梁架之间由连杆、斜撑连接。顶环梁通长采用ф1117.6-25.4THK钢管，中间矩形框采用矩形箱型梁。整个顶环梁长约60m，宽约38m。顶环梁半圆区内搁栅呈放射状分布;矩形框内南北向搁栅采用60m钢板梁，东西向采用ф194钢管，搁栅呈网格状分布。整个顶环梁总重约7O0t。 梁架分为A类(短轴梁架)、B(长轴梁架);A类梁架采用60mm厚钢板制作，B 类梁架采用上下翼缘不等的焊接H型钢。A类梁架共46榀，B类梁架共102榀。斜撑及连杆均采用钢管;短轴梁架之间连杆节点采用铸钢节点连接，长轴梁架连杆采用钢套筒连接。 国家大剧院的结构特点如下: (l)该壳体为一超大型空间结构，结构体量大。整个结构待壳体完全形成后，方为稳定的空间结构，所以保证施工阶段的结构稳定至关重要; (2)该壳体为非正椭圆球体，且壳体内外两球面的椭圆方程并不一样，因而施工中平面、空间定位测量的难度颇大; (3)壳体的主要结构体—梁架(尤其是短轴梁架，侧向厚度仅为60mm)平面外刚度极差，因而构件的起扳、搬运、起吊难度颇大;
钢结构与钢网架的区别及网壳结构的特点 钢架网状结构属于钢结构的一种，同属于钢结构类型。但钢架网状结构和钢结构的区别就在于连接方式、使用钢结构材料和结构形式与结构体系不同分开来说： 一、连接方式： 1、网状结构节点视为铰接，通常是用螺栓连接的； 2、钢结构节点视为刚性接点，通常用焊接。 二、使用材料和形式： 1、钢结构是从钢结构材料上说； 2、网架是从结构形式上说； 网架可以有钢网架、铝合金网架等等，但实际应用中钢网架居多； 钢结构除了钢网架之外，还有钢框架、钢门架等多种形式。 三、结构体系： 1、钢网架属于空间结构体系，计算时应考虑整体受力和空间变形； 2、钢结构桁架类似于平面钢桁架，属于单向受力结构，只要计算平面内的强度和稳定，平面外的稳定主要依靠撑杆和系杆来承担。 网壳结构的优势： 网壳结构即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构，其外形为壳，其构成为网络状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。 网壳结构的特点： (1)网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。 (2)由于它可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使钢结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。 (3)由于杆件尺寸与一整个网壳结构泪比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性连续体，利用钢筋混凝土薄壳结构分析结果进行定性的分析。 (4)网壳结构中网络的杆件可以用直杆代替曲扞，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的崗好的受力性能。同时，又便于工厂制造和现扬安装，在构造和施工方法上具有与平板网架结构泪同的优越性。 网壳结构按杆件的布置方式分类有：单层网壳和双层网壳两种形式，一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时可采用单层网壳，跨度大时采用双层网壳。单层网壳甶于杆件少、重量轻、节点简单、施工方便，因而具有更好的技术经济指标，但单层网壳曲面外刚度差、稳定性差，各种因素都会对结构的内力和变形产生明显的影响，因此在结构杆件的布置、屋面材料的选用、计算模式的确定、构造措施的落实及结构的施工安装中，都必须加以注意，双层网壳可以承受一定的穹矩，具有较高的稳定性和荷载力。当屋顶上需要安装照明、音响、字调等各种设备及管道时，选用双层网架能有效的完全利用空间，方便天花或吊顶构造、经济合理，双层网壳根据厚度的不同，有等厚度与变厚度之分。