网壳结构计算原则
空间网壳结构数值计算
目录1、引言................................................................................................................................ - 2 -1.1、工程概况............................................................................................................. - 2 -1.2、分析方法及内容................................................................................................. - 2 -2、数值计算方法................................................................................................................ - 2 -2.1、空间杆系有限单元法......................................................................................... - 3 -2.1.1空间杆系有限单元法的基本原则............................................................. - 3 -2.1.2、空间杆系有限单元法的基本过程.......................................................... - 3 -2.2、平面问题有限单元法......................................................................................... - 3 -2.2.1、连续体的离散化...................................................................................... - 4 -2.2.2、单元分析.................................................................................................. - 4 -2.2.3、整体分析.................................................................................................. - 4 -2.3、计算程序简介..................................................................................................... - 5 -3、计算模型及计算参数.................................................................................................... - 5 -3.1、计算模型............................................................................................................. - 5 -3.2、计算单元的选取................................................................................................. - 7 -3.3、计算参数选取..................................................................................................... - 7 -3.3.1、杆件计算参数选取.................................................................................. - 7 -3.3.2、荷载参数的选取...................................................................................... - 7 -3.3.3、荷载组合效应........................................................................................ - 11 -4、大跨空间结构的校核.................................................................................................. - 13 -4.1、各种荷载作用下的效应................................................................................... - 13 -4.2、强度校核........................................................................................................... - 16 -4.３、变形校核......................................................................................................... - 17 -5、焊接空心球的受力分析.............................................................................................. - 17 -6、总结.............................................................................................................................. - 20 -1、引言大跨度结构近年来得到日益广泛的应用，被用作各种公共建筑的屋盖、雨棚等，其结构形式多为空间桁架杆件体系或空间梁系组成的网架或网壳，结构材料一般为钢材。
网壳结构
图24 短程线球面网壳
7．两向格子型球面网壳
这种网壳一般采用子午线大圆划分法构成四 边形的球面网格，即用正交的子午线族组成网格， 如图25所示。子午线间的夹角一般都相等，可求 得全等网格，如不等则组成不等网格。
图25 二向格子型球面网壳网格划分
(二)双层球面网壳 主要有交叉桁架系和角锥体系两大类。
2．网壳的厚度
双层柱面网壳的厚度可取跨度的 1/50~1/20；双层球面网壳的厚度一般 可取跨度的1/60~1/30。研究表明，当 双层网壳的厚度在正常范围内时，结构不 会出现整体失稳现象，杆件的应力用得比 较充分，这也是双层网壳比单层网壳经济 的主要原因之一。
3．容许挠度
容许挠度的控制主要是为消除使用过程中 挠度过大对人们视觉和心理上造成的不舒适感， 属正常使用极限状态的内容。
(2)面心划分法
首先将多面体的基本三角形的边以N次等分， 并在划分点上以各边的垂直线相连接，从而构 成了正三角形和直角三角形的网格(图23)。再 将基本三角形各点投影到外接球球面上，连接 这些新的点，即求得短程线型球面网格。
面心法的特点是划分线垂直于基本三角形的边， 划分次数仅限于偶数。由于基本三角形的三条 中线交于面心，故称为面心法。
主要内容
3.1 网壳结构的形式 3.2 网壳结构的设计 3.3 网壳结构的温度应力和装配应力 3.4 网壳结构的抗震计算 3.5 网壳结构的稳定性 3.6 单双层网壳及弦支穹顶
3.1 网壳结构形式
一、网壳的分类
通常有按层数划分、按高斯曲率 划分和按曲面外形划分等三种分类 方法。
1．按层数划分
网壳结构主要有单层网壳、双层网壳和三层 网壳三种。 (如图1所示)
格加斜杆，形成单向斜杆型柱面网壳.
结构选型7-网壳结构
单层网壳杆件计算长度系数
┌───────────┬───────────┐ │ 壳体曲面内 │ 壳体曲面外 │ ├───────────┼───────────┤ │ 0.9 │ 1 │ └───────────┴───────────┘
六、杆件、节点和支座设计和构造 2 杆件的计算长度和容许长细比
1）按层数分类
单层网壳
双层网壳
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
2）按高斯曲率分类
高斯曲率
1 1 K k1 k 2 R1 R2
(1)
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
2）按高斯曲率分类
零高斯曲率
正高斯曲率
负高斯曲率
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类
球面网壳
{P} (0.3 ~ 0.4){P}cr
D cr
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
网壳的失稳有许多不确定的因素，失稳又会造成 灾难性的破坏，而且发生突然，因此在设计网壳时， 应做到使网壳最大受力杆件达到其承载能力时荷载 {P}max要小于网壳的临界荷载设计值，即
{P}max {P}
§2.网壳结构设计 五、网壳结构的稳定计算
很早以前人们就开始采用线性理论分析网壳的稳 定性，但是用线性理论求得的临界荷载都得不到试验 的证实，大大高于试验所得到的临界荷载。
随着非线性理论的发展，目前非线性理论在网壳 稳定性分析中得到了广泛的采用。它不但可以考虑材 料非线性而且能够考虑结构变形的影响，在不断修正 的新的几何位置上建立平衡方程式，还可以考虑应变 中高阶量的影响和初应力对结构刚度的影响。另外在 分析中也便于把结构的初始缺陷计入。因此所得到临 界荷载和失稳现象都比较接近试验结果。
网架(网壳)结构支承方式及支座设计的探讨
网架（网壳）结构支承方式及支座设计的探讨合肥水泥研究设计院钢构公司张长根内容摘要：在网架(网壳)结构设计中，下部支承结构、支座型式及边界条件的选定，对网架（网壳）结构的稳定性、杆件内力、支座反力、节点位移、用钢量等至关重要。
在实际设计中通过把网架和下部结构连成一体整体分析计算，选择合理的下部支承结构及支座型式，以期使网架(网壳)结构设计更安全、经济、合理。
关键词：支承结构、支座型式、支座节点、边界条件、弹簧刚度0引言在各类空间结构中，刚性体系中的网架( 网壳)结构作为一种高次超静定空间杆系结构，由于其受力性能好(理论上杆件只受轴力作用)、刚度大、整体性及抗震性能好、承载力强、受支座不均匀沉降影响小、适应性强，而计算理论的日益完善以及计算机技术飞速发展，使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能，因此网架(网壳)结构被广泛应用于工业与民用建筑领域中。
但网架(网壳)结构如果其支承结构、支座型式及边界条件设计不合理会对网架（网壳）结构的安全性和经济性造成重要影响。
1. 支承结构与支承方式目前在很多工程中，网架（网壳）一般由专业的钢构公司根据事先假定的边界约束条件进行设计，再将他们算出来的支座反力作为外加荷载作用到下部支承结构中。
把网架（网壳）和下部支承结构分开计算，网架支座相对于下部结构的位移虽然可以通过弹性约束方法模拟，但是由下部支承结构变形带来的支座沉陷等支座本身的变位很难估算准确，算出来的结构内力在某些情况下会与实际情况差别较大，可能会给工程留下安全隐患。
下部结构可能是柱，也可能是梁，也可能是其他结构形式，不仅刚度是有限的，而且具体工程刚度差异可能很大，在这种假定条件下，算出来的杆件内力、支座反力及下部结构内力与采用网架支座刚度为实际刚度且上、下部结构共同工作的力学模型所计算出来的结果肯定是不相同的。
另外，分开计算还割裂了上下部结构的协同工作，使得上、下部结构的周期和位移计算均不准确。
通常网架的支承可以分为周边支承、点支承以及点支承与周边支承混合使用三种方式，周边支承是将网架周边节点搁置在梁或柱上，点支承则是将网架支座以较大的间距搁置于独立梁或柱上，柱子与其他结构无联系。
网架结构的支座设计要点
网架( 网壳)结构作为一种高次超静定空间杆系结构，由于其受力性能好(理论上杆件只受轴力作用)、刚度大、整体性及抗震性能好、承载力强、受支座不均匀沉降影响小、适应性强，而计算理论的日益完善以及计算机技术飞速发展，使得对任何极其复杂的三维结构的分析与设计成为可能，因此网架结构被广泛应用于工业与民用建筑领域中。
但网架结构如果其支承结构、支座型式及边界条件设计不合理会对网架结构的安全性和经济性造成重要影响。
1. 支承结构与支承方式目前在很多工程中，网架（网壳）一般由专业的钢构公司根据事先假定的边界约束条件进行设计，再将他们算出来的支座反力作为外加荷载作用到下部支承结构中。
把网架（网壳）和下部支承结构分开计算，网架支座相对于下部结构的位移虽然可以通过弹性约束方法模拟，但是由下部支承结构变形带来的支座沉陷等支座本身的变位很难估算准确，算出来的结构内力在某些情况下会与实际情况差别较大，可能会给工程留下安全隐患。
下部结构可能是柱，也可能是梁，也可能是其他结构形式，不仅刚度是有限的，而且具体工程刚度差异可能很大，在这种假定条件下，算出来的杆件内力、支座反力及下部结构内力与采用网架支座刚度为实际刚度且上、下部结构共同工作的力学模型所计算出来的结果肯定是不相同的。
另外，分开计算还割裂了上下部结构的协同工作，使得上、下部结构的周期和位移计算均不准确。
通常网架的支承可以分为：周边支承、点支承以及点支承与周边支承混合使用三种方式，周边支承是将网架周边节点搁置在梁或柱上，点支承则是将网架支座以较大的间距搁置于独立梁或柱上，柱子与其他结构无联系。
网架（网壳）搁置在梁或柱上时，可以认为梁和柱的竖向刚度很大，忽略梁的竖向变形和柱子轴向变形，因此网架（网壳）支座竖向位移为零，网架（网壳）支座水平变形应考虑下部结构共同工作。
在周边支承网架（网壳）支座的径向应将下部支承结构作为网架（网壳）结构的弹性约束，而点支承网架（网壳）支座的边界条件应考虑水平X和Y两个方向的弹性约束。
结构设计攻略之网壳结构完美设计法
结构设计攻略之网壳结构完美设计法1、网壳是什么网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。
其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。
此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。
网壳结构又包括单层网壳结构、预应力网壳结构、板锥网壳结构、肋环型索承网壳结构、单层叉筒网壳结构等。
2、网壳的发展史网壳结构的雏形——穹顶结构。
在人类社会的发展历程中,大跨度空间结构常常是建筑人员追求的梦想和目标。
其中,网壳结构的发展经历了一个漫长的历史演变过程。
古代的人类通过详细观察，利用仿生原理，为了有一个更好的生存空间，常常以树枝为骨架、以稻草为蒙皮来模仿如蛋壳、鸟类的头颅、山洞的，搭造穹顶结构，即最初的帐篷。
随着建筑材料的发展，穹顶的石料，后面逐渐被砖石取代。
穹顶的跨度一般不大，在30m~40m左右，其中建于公元120～124年的罗马万神庙是早期穹顶的典型代表。
到19世纪，铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元，近代钢筋混凝土结构理论的出现及应用开辟了大跨度薄壳穹顶的新领域。
1922年在德国耶拿建造了土木工程史上第一座钢筋混凝土薄壳结构———耶拿天文馆。
耶拿天文馆随着铁、钢材、铝合金等轻质高强材料出现及应用,富有想象力的工程师开始了对穹顶结构使用各种杆件形式。
公认的“穹顶结构之父”—德国工程师施威德勒对穹顶网壳的诞生与发展起了关键性的作用, 他在薄壳穹顶的基础上提出了一种新的构造型式,即把穹顶壳面划分为经向的肋和纬向的水平环线,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四个三角形,这样穹顶表面的内力分布会更加均匀,结构自身重量也会进一步降低,从而可跨越更大空间。
这样的穹顶结构实际上已是真正的网壳结构,即沿某种曲面有规律的布置大致相同的网格或尺寸较小的单元,从而组成空间杆系结构。
施威德勒网壳3、已建成的网壳赏析富勒球1962年11月13日，经过百般周折，加拿大终于获得1967年蒙特利尔世博会的举办权。
网壳结构
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类 组合扭网壳
§1.网壳结构的类型 一、网壳的分类
3）按曲面外形分类 球面与柱面组合网壳
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
1）球面网壳 肋环型球面网壳
±
整体刚度差，适用于中、小型网壳
§1.网壳结构的类型 二、网壳的网格形式
1）球面网壳 施威德勒型球面网壳(Schwedler)
±
采用时程分析法和振型分解反应谱法求解，按两阶 段进行设计
§2.网壳结构设计 四、网壳结构装配应力
±
装配应力往往是在安装过程中由于制作和安装等原 因，使节点不能达到设计坐标位置，造成部分节点间 的距离大于或小于杆件的长度。在采用强迫就位使秆 件与节点连接的过程中就产生了装配应力。
±
由于网壳对装配应力极为敏感，一般都通过提高制 作精度、选择合适安装方法和控制安装精度使网壳的 节点和杆件都能较好地就位，装配应力就可减少到可 以不予考虑。 当需要计算装配应力时，也应采用空间杆系/梁系有 限单元法，采用的基本原理与计算温度应力时相仿， 即把杆件长度的误差比拟为由温度伸长或缩短即可。
±
可以考虑调整支座类型来考虑释放温度应力
§2.网壳结构设计 三、网壳结构地震作用
±
地震发生时，由于强烈的地面运动而迫使网壳结 构产生振动，受迫振动的网壳，其惯性作用一般来说 是不容忽视的。正是这个由地震引起的惯性作用使网 壳结构产生很大的地震内力和位移，从而有可能造成 结构破坏或倒塌，或者失去结构工作能力。因此在地 震设防区必须对网壳结构进行抗震计算。
第三章
网壳结构
网壳结构
Reticular Shell
网壳结构受力特点
± 网架结构就整体而言是一个受弯的平板 ± 网壳结构则是主要承受膜内力的壳体 ± 一般情况下，同等条件的网壳比网架要 节约钢材约20％ ± 网壳结构外形美观，富于变化
网壳与悬索结构
圆形，半径40m 圆形，半径25m 方形，30m×30m 对角线主索支承 六边形，80m×45m 六边形，74m×79m 卵形，73m×89m
1987 1989 1987 1988 1988 1990
近似椭圆，66m×78m 1990 六边形，72m×53m 矩形，45m×54m 方形，55m×56m 矩形，70m×83.2m 矩形，78m×117m 矩形，42m×63m 矩形，19m×31.5m 1989 1989 1992 1990 1990 1991 1992
1986
1991 1986 1987 1988 1989
伞形单层辐射索系 柳州水泥厂熟料库 淄博市长途汽车站 单层悬挂索网 淄博市化纤厂餐厅 单层平行索系、以刚架作为中央支承 丹东体育馆 鞍形索网、以拱作为中央支承 四川省体育馆 青岛市体育馆 鞍形索网、以索--拱体系作为中央支承 北京朝阳体育馆 横向加劲单层平行索系 安徽省体育馆 上海扬浦区体育馆 潮州体育馆 斜拉屋盖结构 奥林匹克体育中心体育馆 奥林匹克体育中心游泳馆 呼和浩特民航机库 无锡市游泳馆
柱面网壳
柱状面
双曲抛物面 椭圆抛物面
3.4 网壳结构的形式
1.网壳形式 网壳按组成层数分为单层网壳和双层网壳
单层柱面网壳
双层柱面网壳
按曲面外形分类则有 球面网架 柱面网壳
单层球面网壳
日本名古屋网壳穹顶
切割或组合形成曲面网壳
球面切割网壳
平板组合球面网壳
其它曲面网壳
4 双层网壳的网格形式
正放四角锥柱面网壳
正放抽空四角锥柱面网壳
斜置正放四角锥柱面网壳
双层网壳的网格形式： 1.交叉桁架体系(略) 2.四角锥体系 3.三角锥体系
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网壳结构计算原则是非常重要的，原则的制定是为了更好的进行施工处理，每个细节都非常关键，尤其要结合实际。
1、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、位移计算，对单层网壳通常要进行稳定性计算，并据此进行杆件截面设计。
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。
2、网壳结构的各种荷载取值与组合按现行荷载规范及抗震设计规范确定。
网壳结构内力和位移计算时认为材料是线弹性的，不考虑弹塑性及塑性的影响；网壳结构的稳定性计算由于位移较大要考虑结构几何非线性的影响。
3、风荷载往往对网壳的内力和变位有很大影响，当在现行《建筑结构荷载规范》GB 50009找不到风荷载体形系数时，应进行模型风洞试验以确定风荷载体型系数。
4、双层网壳的计算模型可假定为空间铰接杆系结构，忽略节点刚度的影响，不计次应力；单层网壳的计算模型可假定为空间刚接梁系结构，每根杆件要承受轴力，弯矩（包括扭矩）和剪力。
作用在网壳杆件上的局部荷载在分析时先按静力等效原则换算成节点荷载做整体计算，然后考虑局部弯曲内力的影响。