空间网格结构设计方法与理_张其林
造价论文参考文献
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世博轴阳光谷单层网壳栓接节点刚度简化计算
世博轴阳光谷单层网壳栓接节点刚度简化计算
张皓涵;张其林
【期刊名称】《施工技术》
【年(卷),期】2009(038)008
【摘要】上海世博会世博轴阳光谷采用自由形态设计理念,是一种采用栓接节点的网壳结构.以上海世博会世博轴阳光谷钢结构工程为背景,针对自由形态单层壳体中的栓接节点,提出了弯矩.转角(M-θ)曲线形式和刚度简化计算公式.将简化计算结果与有限元精细模型对比,证明刚度简化公式能够较好地表述栓接节点的荷载-位移关系,特别是能准确地确定节点的初始刚度.该方法简单、可靠,很好地满足了结构设计计算的要求.
【总页数】3页(P28-30)
【作者】张皓涵;张其林
【作者单位】同济大学土木工程学院,上海,200092;同济大学土木工程学院,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.4
【相关文献】
1.上海世博会世博轴阳光谷钢结构施工关键技术 [J], 顾拥军;董庄勇
2.世博轴阳光谷单层异形钢结构网壳节点制作工艺研究 [J], 盛林峰
3.世博轴阳光谷单层网壳钢节点承载性能研究 [J], 王洪军;张安安;张皓涵;汤海林;
张其林
4.基于机器人技术的世博轴阳光谷钢结构节点制造技术 [J], 陈晓明;吴欣之;俞晓萌
5.栓接H型钢梁柱十字半刚性节点初始转动刚度计算 [J], 李龙; 糜启龙; 王胜虎因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
某复杂空间网壳的建模新方法
第六届全国现代结构工程学术研讨会某复杂空间网壳的建模新方法杨宗林罗晓群张其林（同济大学建筑设计研究院，上海２０００９２）（同济大学土木工程学院建工系，上海２０００９２）摘要：本文采用膜结构的形态分析理论来进行某复杂空间网壳的曲面造型设计，利用膜结构的裁剪技术进行曲面的分割得到网格，完成空间网壳的建模过程，思路新颖，方法独特，可以借鉴。
关键词：膜结构，形态分析理论，裁剪技术一、引言近１０年来，我国的网壳结构获得了迅速的发展，应用范围日益扩大。
网壳结构具有刚度大、自重轻、造型丰富美观，综合技术经济指标好的特点，是大跨度、大空间结构的主要结构形式之一。
网壳结构具有非常丰富的建筑造型，工程师利用各种曲面能创造出许多造型新颖，生动活泼的建筑来。
曲面分为两大类，一类是典型曲面，也就是几何学曲面，这类曲面可以用几何学方程表达出来，例如平面、圆柱面、圆锥面、球面、抛物面等；另一类是非典型曲面，也就是非几何学曲面，这些曲面不能以简单的几何学方程来表示。
虽然典型曲面以及对典型曲面进行适当的切割组合ｆｌ匕仓，Ｊ造出许多型体优美的网壳结构，但建筑师对非典型曲面却更加青睐，因为非典型曲面能更自由、更理想地创造建筑型体。
大量的复杂曲面的建筑设计对结构ＣＡＤ软件建模功能提出了挑战，结构工程师们借鉴工业和机械制造业的ＣＡＧＤ（计算机辅助几何设计）技术，利用Ｂｅｚｉｅｒ、Ｂ样条、非均匀有理Ｂ样条（ＮＵＲＢＳ）等方法来设计空间结构尤其是网壳结构的型体得到了令人满意的结果。
与网壳结构相比，另一种空间结构一一膜结构的曲面造型却更自然和丰富多彩，膜结构和索网结构的发展催生了以计算机技术为基础的形态分析理论（ＦｏｒｍＦｉｎｄｉｎｇ），也就是求满足给定预应力状态和边界条件的结构形状，形态分析可以得到正高斯曲率的曲面（如充气膜结构）也可以得到负高斯曲率的曲面（如张拉膜结构），见图１。
图１充气膜结构和张拉膜结构形态分析过程我们可以利用膜结构的形态分析方法来解决一些复杂网壳的曲面造型设计，之后利用膜结构的裁剪技术来解决网格划分问题，希望本文对从事空间网壳设计的研究和设计者有所帮助。
空间网架结构概论[论文]
![空间网架结构概论[论文]](https://img.taocdn.com/s3/m/8cdc5345852458fb770b5611.png)
空间网架结构概论【摘要】文主要介绍了空间结构的形式各个形式结构的特点，包括刚性结构体系、柔性结构体系、杂交结构体系、折叠结构、开合结构、玻璃结构。
简单分析了空间网架结构的优缺点。
【关键词】钢结构；空间网架结构文章编号:issn1006—656x(2013)06-000104-01一、钢结构中空间网架结构的应用现状近年来，国内大型钢结构工程建设项目越来越多，各种形式的空间结构已向超大跨度结构发展，其中空间网架结构应用的非常广泛。
例如天津体育中心，双层球面网壳，焊接球节点；国家大剧院外部围护结构为钢结构网壳，深圳机场候机大厅，济南长途汽车总站客运楼，天津自然博物馆……一些已建或正在建的钢结构工程，以其创新的理念、新颖的造型和独特的结构形式成为了标志性建筑。
二、空间网架结构的结构形式（一）刚性结构体系1.网架网架结构是目前空间结构中发展最快，应用最为广泛的结构形式，按其结构组成划分为交叉桁架系、四角锥体系和三角锥体系三大类。
特点是空间刚度大，整体性好，有良好的抗震性能，而且构造简单、施工方便，杆件规格统一（上、下弦杆等长，腹杆等长）。
2.网壳网壳结构的应用比较广泛，曲面形状多样，有柱面网壳、球面网壳以及其他各类复杂曲面及其组合。
网壳结构是主要优点是它的灵活性能够适应建筑设计的创造性，但由于网壳结构主要承受的是压力，那么它就存在稳定问题。
当跨度超过一定值后，材料的强度不能充分利用，不经济。
（二）柔性结构体系1.悬索结构悬索结构是由高强拉索组成的张力结构，国内较早建成的是天津大学体育馆。
按其组成方法和受力特点可分为单层悬索结构，双层悬索结构和索网结构。
讨论悬索结构关键问题是结构在风与地震作用下的动力反应。
2.膜结构膜结构可分为充气式膜结构和张力式膜结构两种。
膜结构具有自重轻、造型美观、富有时代气息、能源消耗少、施工速度快、经济效益明显、使用安全可靠、以及使用范围广等优点，主要应用于大型体育设施，娱乐中心，超级商场等。
空间网格结构技术
1 总则1.0.2 本标准是以原《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91与原《网壳结构技术规程》JGJ 61-2003为主，综合考虑二本规程共同点与各自特点，将网架、网壳与立体桁架、张弦结构统称空间网格结构。
空间网格结构包括以主要承受弯曲内力的平板型网架、主要承受薄膜力的单层与双层网壳，同时也包括现在常用的立体管桁架。
当平板型网架上弦构件或双层网壳上弦构件采用钢筋混凝土板时，构成了组合网架或组合网壳。
当空间网格结构采用预应力索组合时形成预应力空间网格结构，本标准中有关章节均可适用于这些类型空间网格结构的设计与施工。
3 基本规定3.1 结构选型3.1.2 本条中按网格组成形式，如交叉桁架体系、四角锥体系与三角锥体系，列出了国内常用的13种网架形式。
布置网架时应避免结构体系几何可变。
3.1.4 单层网壳的杆件布置方式变化多样，本条给出一些最常用的形式供设计人员选用，设计人员也可以参照现有的布置方式进行变换。
3.1.6 立体桁架通常是由二根上弦、一根下弦或一根上弦、二根下弦组成的单向桁架式结构体系，早期都是采用直线形式，近几年曲线形式的立体桁架以其建筑形式丰富在航站楼、会展中心中广泛应用，且一般都采用钢管相贯节点形式。
钢管相贯节点的计算、构造要求等应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定。
3.1.7 本条使设计人员可对不同的建筑选用最适宜的空间网格结构。
应注意网架与网壳在受力特性与支承条件方面有较大差异。
网架结构整体以承受弯曲内力为主，支承条件应提供竖向约束，水平约束可以放松；而网壳则以承受薄膜内力为主，支承条件一般都希望有水平约束，能可靠承受网壳结构的水平推力或水平切向力。
3.1.8 网架、双层网壳、立体桁架在计算时节点可采用铰接模型，并在网架与双层网壳的设计与制作中可采用接近铰接的螺栓球节点。
而单层网壳虽与双层网壳形式相似，但计算分析与节点构造截然不同，单层网壳是刚接或部分刚接体系，计算时杆件必须采用受弯梁单元，考虑6个自由度，且设计与构造上必须达到传递弯矩要求。
_铝合金结构设计规范_的若干重要概念和研究依据_张其林
图 1 北京航天实验 研究中心零磁 实验室铝合金网架
Fig.1 Aluminium alloygridofzero-magnetlaboratory ofBeijingSpaceExperimentResearchCenter
根据住房和 城乡 建设部 建标 [ 2003] 102 号 文关 于印发 《2002 ～ 2003 年度工程建设 国家标准制定 、修 订计划 》的 通知 要求 , 由同 济大学 、现代 建筑 设 计集 团上海建筑 设计 研究 院有 限 公司 会同 有关 设 计 、施 工 、材料和科研单位 的技术人 员组成 编制组 , 编 写了
锌 (不含铜 ) 其它元素
性能 强度低 , 延性好 , 耐腐蚀 强度高 , 耐腐蚀性差 , 可焊性差 中等强度 , 耐腐蚀性好
中等强度 强度较高 , 延性好 , 耐腐蚀 , 焊接性好
强度较高 , 耐腐蚀性良好 强度高 , 耐腐蚀性差 , 可焊性差 强度较高 , 耐腐蚀 , 焊接性好 (自行回火 )
图 2 上海科技馆中央大厅 Fig.2 CentralhallofShanghaiScience＆
TechnologyMuseum
图 3 杭州铝合金天桥 Fig.3 AluminiumalloyoverpassinHangzhou
GB50429— 2007《铝 合金 结构 设计 规 范 》[ 3] , 该规 范 2008年 3 月 1日于中华人民 共和国住 房和城乡 建设 部公告第 726 号发布 。
通常将与残 余应 变等 于 0.2%相对 应的 应力 假
合金牌号 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx
8xxx
表 1 铝合金牌号及其性能与用途 Table1 Aluminium alloydesignation, performanceandapplication
带旋转自由度的四边形平板壳单元
带旋转自由度的四边形平板壳单元
康澜;张其林
【期刊名称】《同济大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(037)002
【摘要】基于Kirchhoff假设,运用广义协调技术,将线位移和转角位移相互独立的位移场引入面内旋转自由度,构造出任意四边形4节点24自由度的平板壳单元;运用U.L.列式,建立了该单元的切线刚度矩阵.算例表明,该单元在板壳结构几何非线性分析中具有良好的精度,且能很好地解决梁单元和板壳单元的连接过渡问题.
【总页数】6页(P164-168,196)
【作者】康澜;张其林
【作者单位】同济大学,土木工程学院,上海,200092;同济大学,土木工程学院,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.4
【相关文献】
1.基于带面内转角自由度四节点平板壳单元的板壳非线性分析 [J], 文颖;戴公连;曾庆元
2.带旋转自由度拟协调三角形板壳单元 [J], 朱菊芬;陈亮;郑罡
3.板料成形数值模拟中无旋转自由度的三角形与四边形壳单元模型 [J], 韩峻;施法中
4.具有旋转自由度Ψ的平板型矩形厚壳单元 [J], 邹佑学;匡文起;等
5.应用四边形十六自由度平板壳单元DKQ16分析板壳结构的稳定性 [J], 郑长良;李丽华;钟万勰
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湛江一中风雨球场钢索膜结构设计
湛江一中风雨球场钢索膜结构设计林景华【摘要】某球场顶棚为异形空间网格钢结构,主叶骨与所有次叶骨均参与受力而形成很好的空间整体,充分发挥所有杆件的贡献;边榀主钢管内灌混凝土,形成配重抵消部分负风压.通过正确理解结构的空间几何构造,大胆将桅杆立于摇摆柱之上并铰接连接,简化了结构构成,改善了建筑外观.针对建筑形态造成的杆件交汇,结构上有针对性地设计了多种特殊而合理的节点.【期刊名称】《广东土木与建筑》【年(卷),期】2015(022)012【总页数】5页(P10-13,6)【关键词】钢-索-膜结构;空间网格钢结构;桅杆;预应力拉索;配重抵消负风压【作者】林景华【作者单位】广东省建筑设计研究院广州510010【正文语种】中文1 项目概况湛江一中风雨球场改建项目位于该校原室外操场，建成后作为该校球类运动场地，同时兼作第14届省运会排球分会场，顶棚投影面积约4230m2，建成后的实景如图1所示。
该项目主体结构为钢-索-膜结合的空间结构，主要空间尺寸如下：平面长90m，宽42～52m，柱间跨度36.25m，结构顶棚高9～15m，桅杆顶高24m，如图2。
建筑抗震设防烈度为7度（0.10g），基本风压为0.95kNm（2n=100）。
图1 建筑现场实景图2 空间形态及主要尺寸2 建筑、结构方案创作过程本项目建筑设计方案按照亚热带地区常见的棕榈叶“仿生”而成，为实现该大跨度叶片结构，我们考虑沿横向起拱或沿纵向折叠的结构形式，而如果把这弧拱、折叠有机结合，并融入稳定的三角形元素，便形成了该形体的初步结构方案。
经过不断优化，最终由“棕榈叶”的叶茎演变成顶棚的雏形，通过弧拱、折叠、交叉拼合形成完整的具有良好“形效”的空间结构主骨架，再敷张拉膜作为顶棚围护体系。
顶棚的支承体系一侧采用圆拱柱，一侧采用摇摆柱+支墩。
在满足建筑整体轻盈感的要求下，结合场地特点，设置桅杆和拉索形成“自平衡”结构体系，如图3所示。
图3 结构骨架模型3 异形空间网格钢结构设计顶棚方案来自于“棕榈叶”骨架的交叉拼合，在探讨这一建筑外表骨架与结构受力骨架之间的逻辑关系时，考虑了仅主叶骨受力，主叶骨与少量次叶骨受力，主、次叶骨全部受力等3种方案，方案中未参与受力的次叶骨则考虑采用小直径圆铝管，以减轻自重。
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考虑缺陷的屈曲后路径
P 1.0 1- w0
Pcr
w
缺陷敏感型结构： 极限承载力随缺陷增大 而显著降低
缺陷敏感型结构——后屈曲性能不稳定的结构
2019年5月10日
二、结构稳定理论的若干基本概念 3. 屈曲模式的相互作用——整体稳定和局部稳定的相互作用
整体和局部屈曲临界力接近时，产生相互作用效应； 相互作用不影响屈曲荷载值； 相互作用影响了屈曲后性能——
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 1.材料发展的影响
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 1.材料发展的影响
2019年6月25日
工业革命的伟大成果 人造材料
铁和钢的应用 （始于19世纪）
一、空间结构的演变和发展 1.材料发展的影响
工业革命的伟大成果 人造材料
钢筋混凝土的应用 （始于20世纪）
2019年6月25日
三、结构稳定问题的数值计算方法
结构计算理论与方法
K0 U P
K0 K 0
K0 Ku K U P
一阶线性分析：在原位形上计算结构刚度、变形和内力 二阶弹性分析：假定材料弹性，考虑几何非线性效应，
即考虑位形和内力变化对刚度影响，计算变形和内力 二阶弹塑性分析：考虑材料的弹塑性，考虑几何非线性效应。
由稳定的变为不稳定的，由缺陷不敏感的变为敏感的。
2019年5月10日
二、结构稳定理论的若干基本概念
稳定性能优越的空间结构：
稳定承载力高 具有稳定的后屈曲性能（屈曲后具有后继强度） 前二阶屈曲模态（整体和局部）不发生相互作用
对缺陷不敏感
2019年5月10日
内容：
一、空间结构的演变与发展 二、结构稳定理论的若干基本概念 三、结构稳定问题的数值计算方法 四、结构稳定问题的设计方法 五、若干工程实例 六、结论
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展
1.材料发展的影响
第一代结构工程 原始材料（土、木、石）
拱、穹结构
第二代结构工程 工业革命后的人工材料（砼、钢、玻璃）
框架、塔架、桁架、网格、壳体、预张力索、 索网、索膜、充气膜等结构
第三代结构工程 信息革命后的智能材料
自适应结构、智能控制结构
材料发展 丰富多彩的结构体系 更多可能的结构形和力
2019年6月25日
Pcr
2.719
EI h2
1
2
1.166
2.694
四、结构稳定问题的设计方法
无侧移情况：
Pcr
6.91
EI h2
1 0.7
2
Pcr
9.87
EI h2
1
2 1.0
EI Pcr 12.34 h2 1 2.0 2 1.0
Af Afe* f
A
W
1
Af Ne
→
N
M
f
A
W
1
N Ne
等效于：同时考虑P效应和P效应，采用多个单元模拟一个柱段，得到杆身最大内力，
→ 验算极限强度或截面最大应力。 直接设计法
2019年6月25日
四、结构稳定问题的设计方法
Pcr lo2 l 2
lo
2019年6月25日
2 EI
Pcr
四、结构稳定问题的设计方法
2. 框架结构中的计算长度 有侧移情况：
Pcr
2.47
EI h2
1 2
2
Pcr
EI 3 h2
1
2
1.814 3
EI Pcr 2.884 h2 1 4.138 2 2.069
2019年6月25日
Pcr
19.74
EI h2
1 2 1.0
四、结构稳定问题的设计方法
有侧移
无侧移
计算长度方法的问题：
与荷载分布有关； 首先失稳柱子的计算长度取值合理； 不失稳柱子为失稳柱提供了有利边界约束，但其自身计算长度取值不合理（P=0 时=∞）。
2019年6月25日201年6月25日一、空间结构的演变和发展 1.材料发展的影响
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 1.材料发展的影响
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 1.材料发展的影响
高强度拉索、新型复合材料在结构工程中的广泛应用
索、膜、充气等轻型柔性结构自上世纪中叶 起开始出现，至本世纪迅猛发展、广泛应用
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 2.方法工具发展的影响
结构的形与力：
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 2.方法工具发展的影响
数字化(CAE/CAD/CAPP/CAM)是一种全新的结构建造方法和工具 FEA：是CAE/CAD/CAPP/CAM的基础软件
萌芽于18世纪(欧拉变分法)。起步于1956年，波音公司首次用于分析飞机机翼。命名于1960年。 第一代程序产自于Berkeley大学(无名称)。第二代软件：SAP和NONSAP。 1969年MSC公司推出NASTRAN。K.J.Bathe在NONSAP基础上发表了ADINA。1972年HKS公司推出了ABAQUS。 ANSYS在1970年代推出。DYNA在1980年代推出。MSC.DYTRAN于1993年推出。
求取与低阶屈曲模态对应的弹性或弹塑性极限承载力 优点：考虑位形变化后的准确解 缺点：可能漏过或越过第一或最小屈曲模态，得到第二模态对应值
第一屈曲模态qcr=512.176 极限荷载分析的qu=115 原因：几何非线性效应
2019年6月25日
三、结构稳定问题的数值计算方法
第一屈曲点qcr=1712。 对称结构对称加载，qu=2790，越过第一点 给定微小水平力，qu=1610。
特点：
排除了荷载与周边柱列刚度对本柱子屈曲的影响， 大部分情况下偏于安全或保守，少些情况偏于不安全。
设计方法：
线性方法计算内力、取计算长度计算稳定系数，按压弯构件验算稳定性 对无支撑框架，宜二阶弹性计算内力，计算长度系数1.0计算稳定系数
2019年6月25日
四、结构稳定问题的设计方法
4. 二阶弹性内力+1.0计算长度系数
空间结构构件的稳定设计： 具有明确计算长度的构件稳定设计可采用计算长度法（双层网架中铰接构件等） 单层网壳结构、桁架结构等构件不宜采用计算长度法（无法求取计算长度系数） 建议方法：二阶弹性内力+计算长度系数1.0；直接设计法（构件打断为多个单元）
空间结构整体稳定设计： 考虑缺陷、二阶弹性分析，安全系数4.2； 考虑缺陷、二阶弹塑性分析，安全系数2.0。
2019年6月25日
四、结构稳定问题的设计方法
2019年5月10日
二、结构稳定理论的若干基本概念 1. 后屈曲性能——稳定的和不稳定的 屈曲后荷载可继续增加——屈曲后的平衡路径是稳定 屈曲后降低荷载才能维持平衡——屈曲后的平衡路径是不稳定的
对稳定设计而言， 荷载屈曲值十分重要 —— 承载力 但屈曲后性能同样十分重要 ——承载力和稳定承载的可靠性
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 3.数字化时代的挑战和机遇
找形设计（Form-finding design）
结构艺术的当代大师作品
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 3.数字化时代的挑战和机遇
自由形态设计(Free Form Design)
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 3.数字化时代的挑战和机遇
自由形态设计
任意倾斜或扭转结构
影响结构安全性重要问题之一：结构稳定性？
2019年6月25日
内容：
一、空间结构的演变与发展 二、结构稳定理论的若干基本概念 三、结构稳定问题的数值计算方法 四、结构稳定问题的设计方法 五、若干工程实例 六、结论
2019年5月10日
二、结构稳定理论的若干基本概念
理想构件的分枝型失稳；实际构件的极值型承载力；后屈曲性能； 跳跃型失稳；缺陷敏感型失稳。
四、结构稳定问题的设计方法
3. 框架柱计算长度的规范方法
有侧移和无侧移框架计算长度确定的基本假定：
①同列柱同时屈曲，不考虑其他柱列对所考虑柱列的有利或不利影响。 ②同一层左右横梁转角大小相等，方向相反（无侧移）或方向相同（有侧移）。 ③屈曲时节点处产生的梁端不平衡力矩按节点处的线刚度正比例地分配给柱端。
2019年5月10日
二、结构稳定理论的若干基本概念 2. 初始缺陷敏感性
2019年5月10日
无缺陷的屈曲后路径 P 1.0 Pcr
考虑缺陷的屈曲后路径
P 1.0 1- w0
Pcr
w
P 1 w0
Pcr
w
二、结构稳定理论的若干基本概念
缺陷影响系数
无缺陷的屈曲后路径 P 1.0 Pcr
2019年6月25日
三、结构稳定问题的数值计算方法
稳定问题的数值计算：
屈曲分析：求取结构各阶临界力和屈曲模态 第一屈曲模态 二阶分析时的初始缺陷分布 最低临界力 对比二阶分析结果、避免越过第一临界点
二阶分析：得到弹性或弹塑性极限承载力， 作为结构整体稳定设计的依据
2019年5月10日
内容：
CAE/CAD/CAPP/CAM：1990年代普遍应用以来，深刻地改变了结构形与力的关系。
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展 2.方法工具发展的影响
2019年6月25日
一、空间结构的演变和发展
2.方法工具发展的影响
找形设计
数字化建造技术