網(wǎng)殼與懸索結(jié)構(gòu)

網(wǎng)殼與懸索結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一個(gè)以受彎為主體的平板，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以其合理的受力形態(tài)，形成較為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)體系?？梢哉f它不僅僅依賴材料本身的強(qiáng)度，而是以曲面造型改變結(jié)構(gòu)的受力，成為以薄膜內(nèi)力為主要受力模式的結(jié)構(gòu)形態(tài)，跨越更大跨度。不僅如此，這種結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的造型激發(fā)了建筑師及人們的想象力。隨著結(jié)構(gòu)理論及實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的建筑采用了這種結(jié)構(gòu)形式。3.1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)特點(diǎn)：⑴采用相同的格子和尺寸較小的單元，可以跨越較大的跨度。⑵各桿件沒有鮮明的主次關(guān)系，受力均勻；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的輕型化是它的重要特征。⑶構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化，制造工廠化。⑷建筑造型美觀。⑸受力合理，綜合效益好?？缍?50m的網(wǎng)殼藍(lán)圖200m、500m、1000m網(wǎng)殼藍(lán)圖重慶奧林匹克體育中心體育場(chǎng)跨度直線距離312米，網(wǎng)殼縱向?qū)挾?8米，最大懸挑梁長(zhǎng)度68米，主拱高度70.3米，網(wǎng)殼為雙層，上下弦桿高度為4.5米，單塊網(wǎng)殼為17400平方米，兩塊網(wǎng)殼由3672只焊接球、16500根鋼管桿件組成。3.2網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)的起源和和發(fā)展Victoriaregia王蓮蓮3.3網(wǎng)網(wǎng)殼曲面面的形式1殼體的的概念被兩個(gè)幾何何曲面所限限的物體稱稱為殼體；這兩個(gè)曲面面之間的距距離稱為殼體的厚度度；等分殼體各各點(diǎn)厚度的的幾何曲面面稱為殼體體的中曲面；過曲面上m點(diǎn)法線可作作無數(shù)個(gè)法截面，得到無數(shù)數(shù)個(gè)法截線，這組法截截線分別對(duì)對(duì)應(yīng)一組曲曲率，這些些曲率有兩個(gè)極值，稱為m點(diǎn)兩個(gè)主曲率k1、K2，對(duì)應(yīng)的主曲曲率半徑為為R1R2，這一對(duì)主主曲率方向向(主方向)是相互正交交的。高斯曲率:T=K1×K2=1/R1×1/R2；零高斯曲率率網(wǎng)殼，即k1=0，k2不等于0，——單曲網(wǎng)殼；；若k2=0成為平板網(wǎng)網(wǎng)架；正高斯曲率率，即Kl×k2>0；負(fù)高斯曲率網(wǎng)網(wǎng)殼，是指兩個(gè)主主曲率k1×k2<0；等厚度殼和和變厚度殼殼；薄殼、中厚厚殼和厚殼殼：當(dāng)殼體的厚厚度遠(yuǎn)小于于它的最小小曲率半徑徑時(shí)，成為為薄殼；反反之稱為厚厚殼或中厚厚度殼。在在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)工程中一一般為等厚厚度的薄殼殼。典型曲面與與非典型曲曲面。曲面分為為兩大類，，一是可由由幾何學(xué)方方程表達(dá)的的幾何曲面面，亦稱為為典型曲面面，如球面面、圓柱面面、拋物曲曲面等；另另一類是不不易用幾何何學(xué)方程來來表達(dá)的非非幾何學(xué)曲曲面亦稱非非典型曲面面。2基本本曲面的形形成方法（1）旋轉(zhuǎn)法法形成曲面面一條平面曲曲線C繞該該平面內(nèi)某某一給定的的直線L旋旋轉(zhuǎn)一周，，由此形成成的曲面稱稱為旋轉(zhuǎn)面，以旋轉(zhuǎn)面面為中曲面面的殼體稱稱為旋轉(zhuǎn)殼。動(dòng)曲線C稱為母線，而定直線線L稱為旋轉(zhuǎn)軸，如圖所示示。球面網(wǎng)殼旋轉(zhuǎn)橢圓面面旋轉(zhuǎn)拋物面面旋轉(zhuǎn)雙曲面面圓錐面柱面（2）平移移法形成曲曲面由一根平面面曲線(母線C)沿著二根根不在同一一平面的平平面曲線(導(dǎo)線L)平移后形形成的曲面面，這種曲曲面稱為平平移曲面，，如圖所示示。柱面網(wǎng)殼柱狀面橢圓拋物面面雙曲拋物面面1.網(wǎng)殼形形式網(wǎng)殼按組成成層數(shù)分為為單層網(wǎng)殼殼和雙層網(wǎng)網(wǎng)殼單層柱面網(wǎng)網(wǎng)殼3.4網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)的形式雙層柱面網(wǎng)網(wǎng)殼按曲面外形形分類則有有球面網(wǎng)架柱面網(wǎng)殼單層球面網(wǎng)網(wǎng)殼日本名古屋屋網(wǎng)殼穹頂頂切割或組合合形成曲面面網(wǎng)殼球面切割網(wǎng)網(wǎng)殼平板組合球球面網(wǎng)殼其它曲面網(wǎng)網(wǎng)殼上海世博會(huì)會(huì)陽光谷。高40米米，下小上上大的懸挑挑式單層網(wǎng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，，上口最大大直徑為90米。國(guó)家羽毛球球館（北京京工業(yè)大學(xué)學(xué)體育館））球殼形，長(zhǎng)長(zhǎng)約150m，寬約約120m，主體結(jié)結(jié)構(gòu)采用弦弦支穹頂結(jié)結(jié)構(gòu)，上弦弦為單層網(wǎng)網(wǎng)殼，下弦弦環(huán)向?yàn)槔?，徑向向?yàn)殇摾瓧U桿；外挑部部分采用懸懸挑變截面面H型鋼梁梁。中國(guó)航海博物館館中央帆體雙向交叉桁架構(gòu)構(gòu)成空間網(wǎng)格殼殼體，兩瓣殼體體旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，在在高度約41米鉸點(diǎn)相倚倚靠，總高度57.8m、、跨度66.0m2單層柱面網(wǎng)網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式式單向斜桿交叉斜桿聯(lián)方形三向網(wǎng)格3單層球面網(wǎng)網(wǎng)殼的網(wǎng)格形式式（1）肋環(huán)形單層球球面網(wǎng)殼（2）施威德德勒型(肋環(huán)斜桿)（3）三向向網(wǎng)格（4）聯(lián)方形形單層殼的特點(diǎn)(跨度不宜超過過40米)剛度差節(jié)點(diǎn)必須剛接，，以傳遞剪力彎彎矩動(dòng)力性能分析（（地震和風(fēng)振））穩(wěn)定問題非常重重要4雙層網(wǎng)殼殼的網(wǎng)格形式正放四角錐柱面面網(wǎng)殼正放抽空四角錐錐柱面網(wǎng)殼斜置正放四角錐錐柱面網(wǎng)殼三角錐柱面網(wǎng)殼殼抽空三角錐柱面面網(wǎng)殼雙層網(wǎng)殼的網(wǎng)格格形式：1.交叉桁架體系(略)2.四角錐體系3.三角錐體系網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在直接接和間接作用下下的內(nèi)力、位移移及整體穩(wěn)定計(jì)計(jì)算除工作荷載載之外，還應(yīng)根根據(jù)具體情況包包括地震、溫度度變化、支座沉沉降及施工安裝裝荷載等效應(yīng)。。網(wǎng)殼的永久荷載載有：（1）網(wǎng)殼自重；（（2）屋面材料的重重力；（3）吊頂材料的重重力;（4)設(shè)備管道的重力力。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的可變變荷載有：（1）屋面活荷載；；（2）雪荷載；（（3）風(fēng)荷載。1.網(wǎng)殼的一般般計(jì)算原則3.5網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)及計(jì)計(jì)算網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有很很強(qiáng)的非線性性性能，抗震分析析宜采用時(shí)程分分析法。雙層網(wǎng)殼符合下下列條件之一者者可不考慮溫度度應(yīng)力的影響：：（1）支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)構(gòu)造允許網(wǎng)殼側(cè)側(cè)移且其側(cè)移值值等于或大于公式的計(jì)算值；（2）周邊支承于獨(dú)獨(dú)立柱，且網(wǎng)殼殼在驗(yàn)算方向跨跨度小于40m；（3）支承網(wǎng)殼的柱柱在單位水平力力作用于柱頂時(shí)時(shí)，柱頂位移大大于或等于式公式的計(jì)算值。不符合上述條件件時(shí)，網(wǎng)殼應(yīng)考考慮溫度應(yīng)力的的影響。設(shè)計(jì)中中考慮的溫度應(yīng)應(yīng)力情況一般有有兩種：（1）整個(gè)網(wǎng)殼有溫溫度變化；（2）雙層網(wǎng)殼上下下層有溫度差△t。網(wǎng)殼應(yīng)按最不利利的荷載效應(yīng)組組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。。對(duì)于非抗震設(shè)設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)組組合應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)規(guī)范》（GB50009—2001）進(jìn)行計(jì)算。對(duì)抗震設(shè)計(jì)，荷荷載效應(yīng)組合應(yīng)應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范》(GB50011—2001）進(jìn)行計(jì)算。2.網(wǎng)殼的內(nèi)內(nèi)力分析網(wǎng)殼是一個(gè)準(zhǔn)柔柔性的高次超靜靜定結(jié)構(gòu)目前單層網(wǎng)殼計(jì)計(jì)算主要是考慮慮幾何非線性的的有限單元法考慮與不考慮幾幾何非線性的有有限單元法的區(qū)區(qū)別在于前者考考慮網(wǎng)殼變形對(duì)對(duì)內(nèi)力的影響3.網(wǎng)殼的穩(wěn)定性網(wǎng)殼的穩(wěn)定性計(jì)計(jì)算可采用非線線性有限單元法法，取結(jié)構(gòu)剛度矩陣的行列式式之值等于零作作為確定臨界界荷載的準(zhǔn)則，即：det[K]=0剛度矩陣[K]應(yīng)包含所有的的非線性因素，，使det[K]=0的荷載即為臨界荷荷載{P}cr。注意：在設(shè)計(jì)工作中需需要引進(jìn)臨界荷荷載的折減系數(shù)數(shù)不同的網(wǎng)殼不能能用相同的折減減系數(shù)網(wǎng)殼桿件的計(jì)算算長(zhǎng)度和容許長(zhǎng)長(zhǎng)細(xì)比可按下表表采用。單層網(wǎng)殼桿件計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度

殼體平面內(nèi)殼體平面外0.9LL4.網(wǎng)殼桿件及及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

連接形式

弦桿腹桿支座腹桿其他腹桿螺栓球點(diǎn)lll焊接球結(jié)點(diǎn)0.9l0.9l0.9l板節(jié)點(diǎn)ll0.9l

網(wǎng)殼類別

壓桿拉桿靜荷載動(dòng)荷載雙層網(wǎng)殼200300250單層網(wǎng)殼150300250網(wǎng)殼桿件容許長(zhǎng)長(zhǎng)細(xì)比雙層網(wǎng)殼桿件計(jì)計(jì)算長(zhǎng)度3.5懸索結(jié)結(jié)構(gòu)1特點(diǎn)軸向拉伸抵抗外外荷作用，充分分利用鋼材強(qiáng)度度施工方便，費(fèi)用用低便于建筑造型2單層懸索結(jié)構(gòu)平行布置形式(跨度可達(dá)80m，德國(guó)多特蒙特一一展覽廳，1956)水平梁和框架一一起承受懸索拉力水平梁承受懸索拉力懸索直接錨掛于框架斜拉索將懸索拉力拉向地錨幅射式布置形式式(適用于圓形形，橢圓形平面面)下凹雙曲率碟形形屋面不便于排水，最最大的碟形屋面：美國(guó)阿拉美達(dá)比賽館，跨跨徑128m(1967)傘形屋面最大的傘形屋面面：前蘇聯(lián)伊利姆斯斯克汽車庫(kù)，跨徑206m受拉內(nèi)環(huán)采用鋼鋼制，受壓外環(huán)環(huán)采用鋼筋混凝凝土制作?？杀缺绕叫胁贾米龅降捷^大跨度。網(wǎng)狀布置形式(適用于圓形，，矩形等各種平平面)設(shè)計(jì)要點(diǎn)單層懸索體系垂垂跨比經(jīng)驗(yàn)取值值：1/201/10加強(qiáng)形狀穩(wěn)定定性的措施：采用重屋面采用預(yù)應(yīng)力鋼筋筋混凝土懸掛薄薄殼采用橫向加勁構(gòu)構(gòu)件兩向索正交布置置屋面板規(guī)格統(tǒng)一一邊緣構(gòu)件彎矩大大于幅射式布置3雙層懸索結(jié)構(gòu)一般形式由下凹的承重索索，上凸的穩(wěn)定定索及它們之間間的連系桿組成成承重索垂跨比一一般取1/201/15，穩(wěn)定索拱跨比比一般取1/201/25平行布置形式幅射式及網(wǎng)狀布布置形式上索既是穩(wěn)定索索，又直接承載載a)雙層內(nèi)環(huán)梁b)雙層外環(huán)梁c)雙層內(nèi)外環(huán)梁d)單層外環(huán)梁網(wǎng)狀狀布置e)雙層外環(huán)梁網(wǎng)狀狀布置鞍形索網(wǎng)布置形形式4一些典型建筑單層懸索德國(guó)烏柏特市游游泳館德國(guó)多特蒙特展展覽大廳前蘇聯(lián)克達(dá)斯若若牙爾斯克車庫(kù)庫(kù)日本古川市民會(huì)會(huì)館雙層懸索瑞典斯德哥爾摩摩約翰尼紹夫滑滑冰場(chǎng)芬蘭赫爾辛基冰冰上運(yùn)動(dòng)場(chǎng)德國(guó)法蘭克福機(jī)機(jī)動(dòng)車檢修場(chǎng)羅馬尼亞布加勒勒斯特文體宮鞍形索網(wǎng)前南斯拉夫萊士士科瓦克紡織博博覽館加拿大卡爾加里里滑冰館我國(guó)懸索結(jié)構(gòu)工工程一覽表工程名稱平面及尺寸建成年份車輻式雙層索系

北京工人體育館

成都城北體育館

廣漢市文體館

圓形，直徑94m

圓形，直徑61m

圓形，直徑44m

1961

1979

1991雙曲拋物面索網(wǎng)

天津大學(xué)健身房

浙江人民體育館

新疆化肥廠俱樂部

橢圓形，24.6×36.6m

橢圓形，60m×80m

橢圓形，36m×50m

1965

1967

1977平行雙層空間索系

吉林滑冰館

矩形，59m×72m

1986平行雙層平面索系（索桁架）

無錫市體育館

矩形，43m×44m

1991單層平行索系

淄博市體育館

淄博市毛紡廠俱樂部

東營(yíng)鉆井公司體育館

新汶礦務(wù)局體育館

矩形，54m×38m

矩形，36m×27m

矩形，54m×38m

矩形，54m×38m

1986

1987

1988

1989傘形單層輻射索系

柳州水泥廠熟料庫(kù)

淄博市長(zhǎng)途汽車站

圓形，半徑40m

圓形，半徑25m

1987

1989單層懸掛索網(wǎng)

淄博市化纖廠餐廳

方形，30m×30m

對(duì)角線主索支承

1987單層平行索系、以剛架作為中央支承

丹東體育館

六邊形，80m×45m

1988鞍形索網(wǎng)、以拱作為中央支承

四川省體育館

青島市體育館

六邊形，74m×79m

卵形，73m×89m

1988

1990鞍形索網(wǎng)、以索--拱體系作為中央支承

北京朝陽體育館

近似橢圓，66m×78m

1990橫向加勁單層平行索系

安徽省體育館

上海揚(yáng)浦區(qū)體育館

潮州體育館

六邊形，72m×53m

矩形，45m×54m

方形，55m×56m

1989

1989

1992斜拉屋蓋結(jié)構(gòu)