網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計ppt課件

3.3網(wǎng)殼,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及特點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式一般計算原則結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析網(wǎng)殼桿件的設(shè)計與節(jié)點構(gòu)造,內(nèi)容提示,1）網(wǎng)殼的應(yīng)用,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，兼有桿系結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單和薄殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中一種舉足輕重的結(jié)構(gòu)形式，也是近半個世紀(jì)以來發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展式和人類生活、生產(chǎn)的需要、科學(xué)技術(shù)水平以及物質(zhì)條件密切相連的。,3.3.1網(wǎng)殼的應(yīng)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(wǎng)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(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。,日本的福岡穹頂(FukuokaDome)球面網(wǎng)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(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。球形屋蓋由三片扇形網(wǎng)殼組成，根據(jù)需要進行旋轉(zhuǎn)開啟，可以全開、半開和全閉合狀態(tài)。整個過程大約需要20分鐘的時間。,我國的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)50年代初就有所應(yīng)用，但特別是我國近年來網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)得到了突飛猛進得發(fā)展，并以每年遞增的事態(tài)發(fā)展。目前已建成大量的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。而正由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)獨特新穎的結(jié)構(gòu)外形，這種結(jié)構(gòu)已成為各地區(qū)的標(biāo)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(huán)型空腹雙層網(wǎng)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(guān)的首例球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)）,甘肅省嘉峪關(guān)氣象塔工程,2）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有桿件結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，受力合理，可以跨越較大的跨度。具有優(yōu)美的建筑造型，無論是建筑平面、外形和形體都能給設(shè)計師以充分的創(chuàng)作自由。應(yīng)用范圍廣泛，即可用于中、小跨度的民用和工業(yè)建筑，也可用于大跨度的各種建筑，特別是超大跨度的建筑?？梢杂眉毿〉臉?gòu)件組成很大的空間，而且桿件單一，這些構(gòu)件可以在工廠預(yù)制實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，安裝簡便快速，速度快，適應(yīng)采用各種條件下的施工工藝，不需要大型設(shè)備，因此綜合經(jīng)濟指標(biāo)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(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計算、設(shè)計和應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)呈曲面形狀，形成了自然排水功能，不需像網(wǎng)架結(jié)構(gòu)那樣采用小立柱找坡。,3)制約因素：,桿件和節(jié)點幾何尺寸的偏差以及曲面的偏離對網(wǎng)殼的內(nèi)力、整體穩(wěn)定性和施工精度影響較大，這給網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了困難網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成大空間，但當(dāng)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(gòu)造也比較復(fù)雜，某些形體的網(wǎng)殼若建筑上不加妥善處理，則會影響其音響效果。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，只要精心設(shè)計，精心施工，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)存在的缺點和問題是不難解決的。,4）網(wǎng)殼的發(fā)展,1.利用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點實現(xiàn)獨特造型2.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的跨度越來越大3.可移動或可開啟的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)4.新型空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系5.新型屋面材料的發(fā)展,3.3.2結(jié)構(gòu)的形式,分類方法：,按網(wǎng)殼層數(shù)：,單層網(wǎng)殼,雙層網(wǎng)殼：,按曲面外形：,球面網(wǎng)殼,柱面網(wǎng)殼,雙曲扁網(wǎng)殼,扭曲面網(wǎng)殼,單塊扭網(wǎng)殼,按結(jié)構(gòu)材料：,鋼網(wǎng)殼,木網(wǎng)橋,鋼筋混凝土網(wǎng)殼,組合網(wǎng)殼,單層和雙層網(wǎng)殼,單層柱面網(wǎng)殼,單塊扭網(wǎng)殼,雙曲拋物面網(wǎng)殼,球面和柱面組合網(wǎng)殼,球面網(wǎng)殼,球面網(wǎng)殼又包括：肋環(huán)型球面網(wǎng)殼、施威德勒（Schwedler）型球面網(wǎng)殼聯(lián)方型球面網(wǎng)殼、凱威特型球面網(wǎng)殼、短程線球面網(wǎng)殼等,肋環(huán)型球面網(wǎng)殼,聯(lián)方型球面網(wǎng)殼,施威德勒型球面網(wǎng)殼,凱威特型,短程線型,3.3.3網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般設(shè)計原則,1）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在各種作用下的內(nèi)力、位移及整體穩(wěn)定計算除工作荷載外，還應(yīng)根據(jù)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(yīng)。,2）計算荷載：,永久荷載,網(wǎng)殼自重和節(jié)點自重,屋面和吊頂自重,設(shè)備管道等自重,可變荷載,屋面活荷載,雪荷載,風(fēng)荷載,兩者取大值,3）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)幾何尺寸,4）強度、剛度分析,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移可按彈性階段進行計算。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)殼類型、節(jié)點構(gòu)造，設(shè)計階段可分別選用不同的方法進行內(nèi)力、位移計算：,1）雙層網(wǎng)殼宜采用空間桿系有限元法進行計算,2）單層網(wǎng)殼宜采用空間梁系有限元法進行計算,3）對單、雙層網(wǎng)殼在進行方案選擇和初步設(shè)計時可采用擬殼分析法進行估算。,5）穩(wěn)定性分析,網(wǎng)殼的穩(wěn)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(wǎng)殼穩(wěn)定性時，一般采用空間桿系非線性有限元法，關(guān)鍵是臨界荷載的確定。單層網(wǎng)殼宜采用空間梁系有限元法進行計算。,6）抗震分析,在設(shè)防烈度為7度的地區(qū)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可不進行豎向抗震計算，但必須進行水平抗震計算。在設(shè)防烈度為8度、9度地區(qū)必須進行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)水平與豎向抗震計算。,對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行地震效應(yīng)計算時可采用振型分解反應(yīng)譜法，按此法分析宜取前20階振型進行網(wǎng)殼地震效應(yīng)計算；對于體形復(fù)雜或重大的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，應(yīng)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(jié)構(gòu)對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在單排的獨立柱、框架柱或承重墻上時，可把支承結(jié)構(gòu)簡化為彈性支座。對于網(wǎng)殼的支承結(jié)構(gòu)應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行抗震計算。,3.3.4結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析,1）網(wǎng)殼的受力性能與一般結(jié)構(gòu)相比，具有許多特點，因而它的計算也有許多特殊性。,網(wǎng)殼是一個高次超靜定結(jié)構(gòu)，只有在對其所有桿件的截面進行初步設(shè)計后才能進入計算，計算的結(jié)構(gòu)又將對初步設(shè)計的截面進行修改，截面的修改又將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，又需要重新計算；網(wǎng)殼的受力，特別是它的整體穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)的變動特別敏感，因此計算和設(shè)計之間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系，往往需要經(jīng)歷設(shè)計計算再設(shè)計直至滿足為止的過程,網(wǎng)殼設(shè)計中優(yōu)或劣的評定準(zhǔn)則，除用料經(jīng)濟指標(biāo)外，還必須考慮其它多種因素，如網(wǎng)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(wǎng)殼的延性指標(biāo)，網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)殼多采用鉸接連接，單層網(wǎng)殼應(yīng)采用剛接連接。,對于鉸接連接網(wǎng)殼：采用空間鉸支桿單元有限元法,對于剛接連接網(wǎng)殼，宜采用空間梁-柱有限單元法。,1.確定網(wǎng)殼的計算單元。2.對計算單元的節(jié)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(wǎng)殼總剛矩陣,2）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計,對網(wǎng)殼這種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時由于強烈的地面運動而迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，引起地震內(nèi)力和位移，就有可能造成結(jié)構(gòu)破壞和倒塌，因此在地震設(shè)防區(qū)必須對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計。,網(wǎng)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(wǎng)殼在多遇地震作用時應(yīng)處于彈性階段，因此應(yīng)作彈性時程分析，根據(jù)求得的內(nèi)力，按荷載組合的規(guī)定進行桿件和節(jié)點設(shè)計。第二階段為罕遇地震作用下的分析。網(wǎng)殼在罕遇地震作用下處于彈塑性階段，因此應(yīng)做彈塑性時程分析，用以校核網(wǎng)殼的位移以及是否會發(fā)生倒塌。對網(wǎng)殼抗震分析時，當(dāng)采用振型分解反應(yīng)譜法計算網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)時，宜取前20階振型進行網(wǎng)殼地震效應(yīng)計算；對于體型復(fù)雜或重要的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時程分析法進行補充驗算。,3）穩(wěn)定性計算,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是網(wǎng)殼分析設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，單層網(wǎng)殼和厚度較小的雙層網(wǎng)殼都存在失穩(wěn)的可能性。隨著網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，跨度不斷增大，穩(wěn)定問題顯得更為突出。,影響的主要因素：,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計,對單層的球面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼和橢圓拋物面網(wǎng)殼（即雙曲扁殼）以及厚度較小的雙層網(wǎng)殼均應(yīng)進行穩(wěn)定性計算。,（球面網(wǎng)殼的厚度為跨度（平面直徑）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。）,網(wǎng)殼規(guī)程提供的實用計算公式,分析方法：,（單層球面網(wǎng)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(dāng)單層球面網(wǎng)殼跨度小于45m，單層柱面網(wǎng)殼寬度小于18m,單層橢圓拋物面網(wǎng)殼跨度小于30m，或?qū)W(wǎng)殼穩(wěn)定性進行初步估算時，其容許承載標(biāo)準(zhǔn)值可按網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ61-2003)第4.3.5條規(guī)定計算。,3.7.5網(wǎng)殼桿件的設(shè)計與節(jié)點構(gòu)造,1.網(wǎng)殼桿件的材料和截面形式與網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)殼桿件的計算長度,表2單層網(wǎng)殼桿件的計算長度,表3網(wǎng)殼桿件的容許長細比,2.桿件設(shè)計,網(wǎng)殼的內(nèi)力分析以后，可以根據(jù)桿件所受的最不利內(nèi)力進行桿件截面設(shè)計。網(wǎng)殼桿件的受力一般有兩種狀態(tài)：一種為軸心受力；另一種為拉彎或壓彎。,當(dāng)網(wǎng)殼節(jié)點的力學(xué)模型為鉸接且荷載都作用于節(jié)點時，桿件只承受軸向拉力或軸向壓力。此時網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件截面設(shè)計同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件設(shè)計。,當(dāng)網(wǎng)殼節(jié)點的力學(xué)模型為剛接時，網(wǎng)殼的桿件除承受軸力外，還承受彎矩作用。此時應(yīng)按拉彎桿件或壓彎桿件設(shè)計。,網(wǎng)殼一般不宜直接在桿件上加載，應(yīng)將荷載直接作用在節(jié)點上，否則將使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變的復(fù)雜，對網(wǎng)殼的穩(wěn)定性十分不利。,3.3.5網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造與設(shè)計,當(dāng)網(wǎng)殼的桿件采用圓管時，鉸接節(jié)點一般采用螺栓球節(jié)點，剛接節(jié)點一般采用焊接空心球節(jié)點。當(dāng)相交桿件不多時，剛接節(jié)點也可采用直接匯交節(jié)點。當(dāng)桿件采用角鋼組成的截面時，一般采用鋼板節(jié)點。,1）內(nèi)部節(jié)點,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點主要有焊接空心球節(jié)點、螺栓球節(jié)點和嵌入式節(jié)點等，其中用得最廣泛的是前兩種。對于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的螺栓球節(jié)點設(shè)計和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)完全相同。焊接空心球當(dāng)直徑為120900mm時，其受壓和受拉承載力設(shè)計值可統(tǒng)一按以下公式計算：,對于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，空心球承受壓彎或拉彎的承載力設(shè)計值可按下式計算：,2）支座節(jié)點,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座節(jié)點設(shè)計應(yīng)保證傳力可靠、連接簡單，并應(yīng)符合計算假定。通常支座節(jié)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(chǎn)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(wǎng)殼的支座節(jié)點。,球鉸支座,弧形鉸支座,適用于大跨度或點支承網(wǎng)殼,適用于較大跨度、落地的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)