空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的研究與發(fā)展

空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用主講人：石起振1目錄：1.穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展2.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展3.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)4.網(wǎng)殼計(jì)算方法的發(fā)展5.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)與建議6.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工安裝方法

21.穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

穹頂結(jié)構(gòu)（網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的雛形）是歐洲古代建筑的重要標(biāo)識(shí)之一，是一種最具代表性也最被欣賞的歐洲古代的建筑形式（以最小的材料表面封閉出最大的空間，耗用的材料最經(jīng)濟(jì)）。31.穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展古代，穹頂用石料建造，后來(lái)用磚石結(jié)構(gòu)取代。例如：古羅馬萬(wàn)神殿（典型代表）41.穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

中世紀(jì)，木材成為穹頂?shù)闹饕采w材料。到19世紀(jì),鐵的應(yīng)用為穹頂?shù)陌l(fā)展開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新紀(jì)元,使覆蓋大跨度建筑物成為可能。近代,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論的出現(xiàn)及應(yīng)用使穹頂?shù)暮穸却蟠蠼档?薄殼穹頂受到人們的極大關(guān)注,從而開(kāi)辟了結(jié)構(gòu)工程新領(lǐng)域。例如：1922年在德國(guó)耶拿建造了土木工程史上第一座鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)———耶拿天文館51.穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展早期穹頂如圖：61.穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

第二次世界大戰(zhàn)以后，特別是近40多年來(lái)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)得到空前的重視和發(fā)展。原因是：（1）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在施工時(shí)，采用的是在工廠中預(yù)制的構(gòu)件，重量輕，安裝簡(jiǎn)易；（2）建筑構(gòu)件的工業(yè)化為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的生命力，特別是發(fā)明了多種節(jié)點(diǎn)體系和自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)方法，既提高了生產(chǎn)效率，降低了成本，又保障了安裝精度；（3）隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，廣泛應(yīng)用于桿系結(jié)構(gòu)的有限單元法和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的成型技術(shù)等，更促進(jìn)了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展。71.穹頂結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展隨著科技的發(fā)展，材料強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)。原有穹頂結(jié)構(gòu)的壁厚越來(lái)越薄，跨度越來(lái)越大形成了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。這時(shí)由于鋼材大量應(yīng)用于建筑材料中，鋼結(jié)構(gòu)誕生了。82.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

建筑結(jié)構(gòu)通常按維度可分為二維的平面結(jié)構(gòu)和三維的空間結(jié)構(gòu)兩大類。其中由眾多鋼制桿件按照一定規(guī)律拼接而成的殼體，并具有三維受力特征的結(jié)構(gòu)形式稱為空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)。

空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式早已擺脫早期單一的結(jié)構(gòu)形式，向著多元化形式方向發(fā)展。一般可分為兩類：92.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展(1)按高斯曲率劃分：零高斯曲率的網(wǎng)殼、正高斯曲率的網(wǎng)殼、負(fù)高斯曲率的網(wǎng)殼。(2)按曲面外形分類：（肋環(huán)型和施威德勒型、聯(lián)方型、凱威特型、短程線型、二向格子、三向格子型、應(yīng)力表皮）球面網(wǎng)殼、單塊扭網(wǎng)殼、雙曲扁網(wǎng)殼、柱面網(wǎng)殼、雙曲拋物面網(wǎng)殼、圓錐面網(wǎng)殼、扭曲面網(wǎng)殼和切割或組合形成面網(wǎng)殼。102.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)起步較晚,較早的有建成于1931年的廣州中山紀(jì)念堂鋼穹頂;建成于1973年的天津市體育館。但我國(guó)網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)近30年來(lái)發(fā)展迅速，并后來(lái)者居上成為世界網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的領(lǐng)頭羊和探索者。已建成的有代表性的建筑有：國(guó)家大劇院、沈陽(yáng)奧林匹克體育中心、昆明長(zhǎng)水國(guó)際機(jī)場(chǎng)、深圳大運(yùn)中心體育場(chǎng)、江陰市民水上活動(dòng)中心、中國(guó)民航博物館等。這些大面積網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的建成，集中體現(xiàn)了我國(guó)空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)高超的施工技術(shù)。112.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展123.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

（1）具有優(yōu)美獨(dú)特的建筑造型

：無(wú)論是平面布局，還是外觀形體都能給設(shè)計(jì)師無(wú)限想象的空間。在平面布局上可以選用多種形態(tài)。三角形、圓形、矩形、多邊形、扇形以及各種不規(guī)則的平面布局。球體、橢圓體、圓錐體、規(guī)則圖形組成的不規(guī)則形體等。

133.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(2)可以標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件拼裝

：

這些標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件（如：桿件和節(jié)點(diǎn)）可以在工廠預(yù)制，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、數(shù)字化生產(chǎn)，提高了空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

(3)應(yīng)用范圍廣：

由于空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是由眾多構(gòu)件拼接而成跨度不受施工手段的限制，所以它適合各種規(guī)格的建筑物。

143.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(4)重量輕，施工簡(jiǎn)便、快捷

：

由于鋼材強(qiáng)度大，空間鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式合理使單位面積上的結(jié)構(gòu)自重較輕，再加上結(jié)構(gòu)拼裝特性使得現(xiàn)場(chǎng)安裝靈活性大，極大的方便了現(xiàn)場(chǎng)拼裝工程，甚至不需要大型的機(jī)具設(shè)備就可以完成拼裝工程。153.空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)(5)分析計(jì)算成熟：

隨著計(jì)算機(jī)與有限元在空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)中的不斷推廣。通?？刹捎镁W(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，便能完成空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。極大簡(jiǎn)化了空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，降低了空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)在施工施工過(guò)程中的不確定性。我國(guó)目前已有眾多空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)有限元及輔助設(shè)計(jì)軟件，極大縮短了設(shè)計(jì)與施工時(shí)間。164.網(wǎng)殼計(jì)算方法的發(fā)展網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法大致有兩類:（1）基于連續(xù)化擬殼理論的擬殼法：

擬殼法的基本假設(shè)是，用一等效的勻質(zhì)連續(xù)體來(lái)代替由鉸接或剛接桿件組成的實(shí)際構(gòu)架體系。該法是一種近似方法，可近似算出桿件的內(nèi)力、節(jié)點(diǎn)的位移和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，適合于中小跨度的網(wǎng)殼計(jì)算。適合人工計(jì)算的間接方法，在計(jì)算機(jī)不發(fā)達(dá)的早期和現(xiàn)在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，擬殼法都是一個(gè)理性方法。174.網(wǎng)殼計(jì)算方法的發(fā)展（2）基于桿系有限元分析理論的離散結(jié)構(gòu)法。

用該法可以精確的計(jì)算出網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和撓度。而且還編制了通用或?qū)Ｓ玫挠?jì)算機(jī)程序,進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算,并繪出彎矩、剪力和變形圖,甚至進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì),選出桿件截面和節(jié)點(diǎn)規(guī)格。185.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)與建議（1）堅(jiān)持對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性理論的創(chuàng)新，

通過(guò)理論和試驗(yàn)研究，提出一些新的穩(wěn)定計(jì)算公式。（各類網(wǎng)殼穩(wěn)定性的計(jì)算理論和方法、破壞機(jī)理和極限承載力，給出實(shí)用的臨界荷載計(jì)算公式，合理選取穩(wěn)定性安全系數(shù)。）（2）開(kāi)發(fā)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的專門計(jì)算程序和簡(jiǎn)化計(jì)算方法，

達(dá)到計(jì)算、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)化與自動(dòng)化。

195.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)與建議（3）改進(jìn)和發(fā)展網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工方法，進(jìn)一步有效的利用小型的提升和吊裝設(shè)備來(lái)安裝大型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。（4）在推廣應(yīng)用一般的單、雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和采用組合網(wǎng)殼、斜拉網(wǎng)殼、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼和局部雙層網(wǎng)殼等多種新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，以發(fā)揮和改善網(wǎng)殼的受力特性，增加剛度和穩(wěn)定性，減少材料耗量，降低工程造價(jià)。205.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)與建議（5）研制受力合理、構(gòu)造簡(jiǎn)單、制作安裝方便，且能定型化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的各類單層網(wǎng)殼的剛性節(jié)點(diǎn)和可調(diào)節(jié)點(diǎn)。

（6）改進(jìn)和發(fā)展網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工方法，

進(jìn)一步有效的利用小型的提升和吊裝設(shè)備來(lái)安裝大型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。216.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工安裝方法(1)高空散裝法：小型拼裝單元或散件（單一桿件或節(jié)點(diǎn)）直接在設(shè)計(jì)指定位置進(jìn)行總拼的方法。高空散裝法又分為全支架法(滿堂腳手架)和懸挑法兩種。全支架法多用于散件拼裝，而懸挑法則多用于在高空下的小拼單元拼裝，或者球面網(wǎng)殼三角形網(wǎng)格的拼裝。226.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工安裝方法(2)單元安裝法：將網(wǎng)架分成若干條狀或塊狀單元，分別用吊裝設(shè)備吊裝至設(shè)計(jì)指點(diǎn)位置安裝就位，然后再拼裝連接桿件形成整體的安裝方法。這里條狀單元是指：網(wǎng)架沿長(zhǎng)跨方向分割為若干區(qū)段，每個(gè)區(qū)段的寬度可以現(xiàn)場(chǎng)情況而定，其長(zhǎng)度則為短跨的跨度。而塊狀單元是指：網(wǎng)架按照一定幾何規(guī)律分割為若干規(guī)則圖形的單元，如長(zhǎng)方形單元和正方形單元。每個(gè)單元的重量不超過(guò)現(xiàn)有吊裝設(shè)備的起重能力。236.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工安裝方法(3)高空滑移法：將網(wǎng)架單元依次安裝在事先設(shè)置滑軌的支撐上，并利用滑軌滑移到設(shè)計(jì)指定位置拼接成整體的安裝方法。這些單元可以在地面拼裝成型后利用吊裝設(shè)備吊至支撐上，也可用高空散裝法在高空拼裝平臺(tái)上拼接成滑移單元。246.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工安裝方法(4)網(wǎng)殼整體吊裝法：網(wǎng)架在地面總拼后，采用拔桿或吊裝設(shè)備進(jìn)行整體一次性吊裝就位的施工方法。(5)整體提升法:在結(jié)構(gòu)柱上安裝提升設(shè)備對(duì)網(wǎng)架實(shí)施提升，或伴隨柱子滑模施工進(jìn)行提升的施工方法。256.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工安裝方法(6)搬起法：首先，建立逐級(jí)增高的臨時(shí)支撐體系，使其形成一個(gè)巨大的斜面，用以減少初始時(shí)刻的起搬應(yīng)力值。第二，在結(jié)構(gòu)底步設(shè)置旋轉(zhuǎn)起扳柱腳，并架設(shè)柱腳與基礎(chǔ)完全鉸接的提升結(jié)構(gòu)，如a形支承架。第三，在臨時(shí)支撐體系上拼裝預(yù)搬起結(jié)構(gòu)，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行加固以滿足搬起過(guò)程中的結(jié)構(gòu)剛度需要。