球面网壳结构类型和特点
肋环型球面空腹网壳结构的自振特性及参数分析
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收稿 日期 ：０ ００—２ ２ １ —３２ 作者简介 ： 李
修 改 稿 日期 ：０ ００ —３ ２ １—７１
２ 肋 环 型球 面 空腹 网壳结 构 一算 例
空腹 网壳 的结构 形式 很多 ， 相关 研 究 文 献 却 很 少． 了解肋 环 型球 面 空 腹 网 壳结 构 的动 力 稳定 性 为
能， 本文 采用 ＡＮＳ ＹＳ有 限元 软件 的 ＡＰ ＤＬ语 言编 程对肋 环 型 球 面空腹 网壳 结构 （ 如无 特别 说 明 ， 文 下
２ 西 部 建 筑 科 技 国 家 重 点 实 验 室 （ ） 陕 西 西安 ７０ ５ ） ． 筹 ， １ ０ ５
摘
要 ：空 腹 网 壳 结 构 是 由平 板 型 空 腹 网 架 演 化 来 的新 型 曲 面 空 间 网 格 结 构 ， 式 多 样 ， 有 良好 的受 力 性 形 具
能 ， 造 型 简 洁美 观 ， 应 跨 度 更 大 ． 用 ＡＮＳ Ｓ有 限元 分 析 软 件 对 肋 环 型 球 面空 腹 网壳 结 构 进 行 了 动 力 特 且 适 运 Ｙ 性 的 研 究 ， 论 了矢 跨 比 、 讨 网壳 厚 度 、 杆截 面 尺 寸 、 座 约 束 等 参 数 对 其 自振 特性 的影 响 ， 出 了可 用 于 工 程 腹 支 得 实 践 的 结 论 ， 其 抗 震 、 风 性 能 分 析 研 究 以及 工 程 应 用 有 参 考 价 值 ． 对 抗
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ５ １４ ． ０ｃ ． ２ １ ｔ ００
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.
第三节)球网壳结构
第八章
网壳结构
例2：四川省德阳市体育馆，屋盖平面为菱形，屋盖结构 为两向正交斜放网格的双层扭网壳。边长74.87m，网壳 上铺设四棱锥形GRC屋面板，构成了新颖、美观、别具一 格的建筑造型。
第八章
网壳结构
例3：清远市体育馆位于清远市新城区。建筑占地面积6000平 方米，建筑面积11000平方米。该馆屋盖采用大跨度预应力组 合式扭网壳钢结构，结构新颖，外形美观。
第八章
网壳结构
第四节 网壳结构的其它形式及选型
本章学习要点： 1.熟悉网壳结构分类 2.掌握筒网壳网格划分的类型及各自的 受力特性 3.掌握网壳结构的选型原则
中国国家大剧院
清华方案 英国方案
建设部方案 日本方案
第八章
网壳结构
第三节 球网壳结构
右：潍坊艺海大厦屋顶水箱，球体直径10.2m，矢高 9.91m，为单层短程线球壳。 左：北京东城 区少年宫气象 厅，网壳直径 12m，为单层短 程线球壳，网 壳支承在一根 略有高低起伏 的圈梁上
第八章
网壳结构
第三节 球网壳结构 2、双层球网壳 跨度大于40M时，采用双层球网壳比单层球 网壳其稳定性和经济性均优越。 （1）定义：它是由两个同心的单层球网壳通过腹 杆连接而成的，每层球网壳的形成和形式同单 层球网壳。
第八章
网壳结构
第三节 球网壳结构
定义：球网壳是由环向和径向（或斜向）交叉曲线杆系 （或桁架）组成的单层（或双层）球型网壳。 一、球网壳网格的划分 1、单层球面网壳：直径不宜大于60M。根据径向和环向 （或斜向）交叉曲杆件组成的形式不同，有下列形式： A．肋环形网格：只有径向、纬向杆，大部分网格呈四边 形，平面投影似蜘蛛网。 优点：杆件种类少，节 点构造简单（每节点四 根杆件）；适用于中、 小跨度的穹顶。
钢结构焊接空心球单层球面网壳安装工法之一
钢结构焊接空心球单层球面网壳安装工法之一钢结构焊接空心球单层球面网壳是一种轻型钢结构，具有重量轻、刚度高、安装方便等优点，应用广泛。
其中，安装过程尤为重要，下面介绍一种安装工法。
工具和材料1.起重机械（如起重机，塔吊等）2.空心球组件3.柔性电缆绳或者绳鞭4.螺栓5.扳手6.网壳组件安装步骤步骤一：准备工作在安装前，需要彻底检查参考图纸和所有钢结构元素的尺寸以及安装的准确性。
如果需要更正，请及时通知技术人员。
步骤二：放置空心球根据图纸要求，将空心球组件放置在已经装好的支撑结构上，用柔性电缆绳或绳鞭将其牢固绑定，防止空心球滑落。
使用起重设备升起空心球，使其处于安装位置。
步骤三：焊接空心球在空心球的支撑垫片上放置特定数量的临时支撑，使得空心球的水平和垂直位置保持稳定。
安装工人在开始焊接之前，需将已经准备好的焊接材料和工具放在旁边。
然后按照规定的焊接程序，焊接空心球的接口和支撑垫片，同时检查焊缝的质量。
步骤四：安装网壳将网壳组件放置在空心球上，并将其与空心球的支撑垫片螺栓连接，以保持稳定。
接着使用起重设备升高网壳并安装彻底按照图纸的要求连接到空心球组件上。
步骤五：检测并完成安装在完成安装之前，需要进行必要的检测和测试工作，例如检查螺栓的紧固力，网壳的垂直度和水平度，以及所有元素是否可以稳定地支撑和工作。
接下来，根据需要进行防腐处理或者达到其他技术要求，确认完所有工作后，工作人员可以将起重设备降下并完成安装。
安全注意事项•在空心球旁放置警示标志，防止越界和人员误入。
•安装过程中需要严格注意起重设备和钢结构元素的承载能力和平衡度，并进行必要的命令协调。
•在焊接过程中应注意防火和散热。
•操纵起重设备和吊具的工人必须经过专业的培训，并具有相应的持证资格。
•安装过程中如果出现任何异常情况，应及时停止工作并通知技术人员。
本文主要介绍了钢结构焊接空心球单层球面网壳的一种安装工法。
该方法具有灵活性和可行性，适用范围广泛。
大跨度三心圆柱面网壳结构设计探析
大跨度三心圆柱面网壳结构设计探析大跨度三心圆柱面网壳结构是指由三个不同半径的圆所构成的圆柱面上的三心圆形网壳。
大跨度是指该结构形式所适用的横跨距离较长，跨度一般在50米以上的建筑工程。
其特点如下：1. 空间感强：三心圆柱面网壳的三种圆弧半径的运用构成了整个建筑的弧形。
以圆柱面为基础，将三个弧面相切叠合在一起，形成了具有空间感强的建筑结构。
2. 建筑区分明显：三心圆柱面网壳结构可以将整个建筑分解成不同的区域。
网壳在不同区域之间形成了各自的封闭空间，为建筑物内部的活动提供了一定的隔离。
3. 强度高承载能力强：三心圆柱面网壳结构具有很好的承载能力，对水平荷载、震动荷载等有很好的抗力，让整个建筑的结构更加稳定可靠。
4. 贴近人的需求：三心圆柱面网壳结构由弧面构成，更贴近于人体结构，其外形美观、优雅，不会给人们带来不舒适的感受。
1. 定位和分析设计需求：首先要对建筑工程的目标做出定位和分析设计需求，确定空间尺寸和使用功能等。
2. 材料和施工工艺选择：在确定设计需求之后，需要选择与之相适应的材料和施工工艺，这包括钢筋混凝土结构、钢结构、复合材料等。
3. 计算模型建立：进行结构设计时，首先要建立数学模型，这包括力学模型、刚度模型、材料模型等。
4. 结构选择和布局：根据建筑物的空间尺寸和使用功能，选择合适的结构形式和布局，以实现建筑物的高效性、强度和稳定性。
5. 相关数据的获取：为了精确地设计建筑工程，需进行大量的数据收集和处理，包括建筑物尺寸、荷载、天气条件等。
6. 构件结构的设计和布置：根据设计要求和相关数据，对网壳的构件进行设计和布置，保证其结构的合理性和稳定性。
1. 安全性能好：大跨度三心圆柱面网壳结构采用的是钢结构，其结构稳定性强，承载能力高，能够很好地满足建筑工程的安全需求。
2. 空间利用率高：大跨度三心圆柱面网壳结构的特殊形式使其在空间利用方面具有很大优势，能够最大化地利用建筑空间。
3. 圆弧形的优势：圆弧形的设计使得整个建筑呈现出优美和谐的曲线，形成了独特的建筑风格，给人以美妙的视觉感受。
第三节)球网壳结构
第八章
网壳结构
第四节 网壳结构的其它形式及选型
2、网壳结构的层数：网壳结构跨度越大，用钢量越多， 跨度一定时，荷载对用钢量有影响，故尽量采用轻屋 面。同等条件下，单层比双层网壳用钢量少，但稳定 性差。当跨度超过一定数值后，受稳定因素的影响， 双层网壳的用钢量反而省。 3、网格尺寸：一般来说，网格尺寸越大，用钢量越省。 但网格尺寸太大，对压杆的稳定不利。另外，网格尺 寸最好与屋面板模数相协调。同时，腹杆与弦杆的夹 角应在40～55°之间。 同时还要考虑网壳的杆件加工、制作、安装。要 遵循两个原则：一要划分的网格比较均匀，杆件规格 要少，便于加工；二要节点连接简单，角度变化少， 便于安装。
第八章
网壳结构
第三节 球网壳结构
北京科技馆穹幕影院，内径32m、外径35m、高25.5m的
四分之三双层球网壳，内层采用短程线穹顶，外层则是
内层径向延伸并抽掉一部分外层杆件和节点形成六边形 与五边形组合的图案。
第八章
网壳结构
第三节 球网壳结构
（2）双层网球壳的布置 A、从支承周边到顶部，网壳的厚度均匀的减少。 B、网壳的下部为双层，顶部为单层。 C、网壳的大部分为单层，仅在支承区域为双层。
第八章
F、短程线型网格：（巴、富勒 网格）从易于制作和装配的 角度出发，使杆长规格最少， 来探索球面的规则划分的方 法。数学证明..，从网肋受 力与传力的有效和合理出发， 传力路线越短越好，正二十 面体的边长A＝0.5257D，太 大需要再划分，将其投影到 球面上形成大圆弓形，再根 据弧长相等的原则二次划分。 优点：规格均匀，杆件和节 点种类在各种球面网壳中是 最少的，传力路线短。
第八章
网壳结构
例4：东京，驹泽公园驹泽体育馆
高温下凯威特型单层球面网壳结构的承载能力分析
高温下凯威特型单层球面网壳结构的承载能力分析【中文摘要】凯威特型单层球面网壳结构是凯威特为了改善施威特勒型和联方型球面网壳中网格大小不匀称的缺点而创造的一种新型的网壳,它是由经向杆系、纬向杆系和斜向杆系将球面分成大小比较匀称的三角形网格。
又称为平行联方型网壳。
它不但网格大小匀称,而且内力分布均匀,因此常用于大、中跨度的穹顶中,例如体育馆、商场、会展中心等建筑。
这些公共建筑长时间处于职员密集的状态,一旦发生火灾,在职员安全疏散之前坍塌,会造成大量的职员伤亡和重大的经济损失。
在以往的对网壳的研究中主要集中在网壳的稳定性,而对于其高温下承载能力分析还很少。
因此,有必要对高温下凯威特型单层球面网壳结构承载能力进行深进研究,以保证其在火灾发生时,结构具有足够的耐火性。
本文在充分考虑几何非线性和材料非线性的基础上,采用有限元方法对125例高温下凯威特型(K8)单层球面网壳结构承载能力进行非线性的热—结构耦合分析。
首先,采用ANSYS有限元软件用瞬态热分析方法对单个杆件、局部火灾下和整体火灾下的凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行温度场分析。
其次,通过热—结构多物理场耦合,采用ANSYS有限元软件利用全过程曲线方法对80例整体火灾下凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行承载能力分析,得到高温下其耐火极限,比较在不同荷载大小、不同跨度、不同矢跨比对耐火极限的影响。
考虑整体火灾下结构的稳定性。
最后,通过热—结构多物理场耦合,采用ANSYS有限元软件利用全过程曲线方法对55例局部火灾下凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行承载能力分析,得到高温下其耐火极限,比较不同火灾场景、不同跨度、不同矢跨比对其耐火极限的影响。
比较局部与整体火灾下对结构承载能力的不同影响。
通过本文的研究可以得到影响高温下凯威特型(K8)单层球面网壳结构承载能力的因素,得出结构无保护层和有保护层条件下其耐火极限,以及在进行抗火设计中对于凯威特型(K8)单层球面网壳结构如何选型为实际工程设计提供了依据;在对结构进行整体局部火灾分析,对工程实际有一定的指导意义。
网壳结构
都能给设计师以充分的创作自由。
应用范围广泛，即可用于中、小跨度的民用和工业建 于大跨度的各种建筑，特别是超大跨度的建筑。 筑，也可用
结构的形式
分类方法 单层网壳 按网壳层数： 双层网壳 球面网壳 柱面网壳 按曲面外形： 钢网壳 木网壳 按结构材料： 钢筋混凝土 网壳 组合网壳
双曲扁网壳 扭曲面网壳 单块扭网壳
上海科技馆
上海科技馆是典型的网壳结构在建筑物中轴线上有一由单层网壳和通透 玻璃组成的椭圆球体 大厅，是建筑设计中的重点。球体在整个建筑物中相对独立，与周边 环境脱离，形成一个巨型通透中庭空间。科技馆椭圆形球体结构单层网 壳的长轴67ｍ，短轴51ｍ，椭球体为沿椭圆平面长轴旋转体，削去下半 部分而成。球高42.2ｍ。 球体两侧各开有宽 9ｍ，高16ｍ的大门洞，端部有个宽9ｍ、高5ｍ的小门洞。 网壳结构适合制造中 庭空间，适合客运站 里的候车厅的设计， 而且该结构容易塑造 建筑形态。
Байду номын сангаас •
科技馆网壳结构主要依靠肋向杆件传递地震力，主要反映在肋向杆件 地震轴力系数大于环向杆件；铝网壳的地震效应较钢网壳动力效应明 显，所以在采用铝网壳时，不可因为其质量较轻而忽视地震效应；与 铰支、固支支承相比，在弹性支承条件下，钢、铝两种网壳结构体系 的地震效应均大大减小。
网壳结构
结构特点：网壳结构是一种曲面网格结构，兼有杆系结构构造简单和 薄壳结构受力合理的特点，因而具有跨越能力大，刚度好、材料省、 杆件单一、制作安装方便等特点，是大跨空间结构中一种举足轻重的 结构形式。
优点：网壳结构兼有杆件结构和薄壳结构的主要特性，受力 合理，可以跨越较大的跨度。 具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形体
单层网壳最大跨度
1）圆柱网壳 L≤25m(30m)
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球面网壳结构类型和特点
球面网壳主要有交叉桁架体系和角锥体系两大类。
1交叉桁架体系
各种形式的单层球面网壳的网格形式均可适用于交叉桁架体系，只要将网壳中的每根杆件用平面网片来代替，即可形成双层球面网壳，注意网片竖杆方向是通过球心的。
单层球面网壳主要类型有：肋环型球面网壳(Ribbed Dome)、施威德勒型球面网壳(Schwedler Dome)、联方型球面网壳(Lamella Dome)、三向格子型球面网壳(three way grid Dome)、凯威特型球面网壳(Kiewitt Dome)和短程线球面网壳(Geodesic Dome)。
双层球面网壳在单层的基础上且网壳上下两层同心进行杆件的交叉复制，使得双层球面网壳的下层杆件连接规律与上层球面一致，上层和下层通过交叉连接，形成交叉桁架体系，即双层球面网壳。
1.1肋环型球面网壳
它是由经向和纬向杆件组成，大部分网格呈梯形。
具有网格划分简单，节点构造简单的特点。
但是其杆件长短不一，内力分布不均匀，制作安装工作量相当大。
杆件计算模型应按空间刚接梁单元考虑，一般适用于中、小跨度结构。
图1：勒环型单层球面网壳
1.2施威德勒型球面网壳
由经向杆、纬向杆和斜杆构成，是肋环型球面网壳的改进形式。
加设斜杆的目的是为了提高结构刚度和其承受非对称荷载的能力。
斜杆布置方法主要有：左向单斜杆、双斜杆、左右向单斜杆和无纬向杆的双斜杆。
在具体工程设计时，应综合考虑荷载特点和支承方式以及材料等因素来确定选用结构布置形式。
这种网壳刚度较大，一般适用于大、中型网壳结构。
图2：施威德勒型单层球面网壳
1.3联方型球面网壳
联方型球面网壳系德国工程师Zollinger首创，由左斜杆和右
斜杆组成菱形网格，两斜杆夹角为30～500之间，造型美观。
为了增强网壳的刚度和稳定性，可在环向加设杆件，使网格成为三角形。
适用于中、大跨度结构。
图3：联方型单层球面网壳
1.4三向格子型球面网壳
三向格子型是在球面上由三个方向相交成60度的大圆构成，或在球面的水平投影面上将跨度n等分，形成正三角形网格后再投影到球面上，即可得到三向网格型球面网壳。
该网壳的每一杆件都是与球面有相同曲率中心的弧的一部分；其结构形式优美，受力性能较好，一般用于中、小跨度的网壳结构。
图4：三向格子型单层球面网壳
1.5凯威特型球面网壳
此球面网壳是凯威特为了改善施威德勒型和联方型球面网壳中网格大小不均而创造的。
它是由n(n=6、8、12……)根通长的经
向杆先把球面分为n个对称扇形曲面，然后在每个扇形曲面内再由纬向杆系和斜向杆系将此曲面划分为大小比较匀称的三角形网格。
在每个扇形面中左右斜杆都平行，故也将这种网壳称为平行联方型网壳。
这种网格划分形式使得网格大小匀称，且内力分布均匀，常用于大、中跨度的网壳结构。
图5：凯威特型单层球面网壳
1.6短程线球面网壳
由美国工程师R．Fuller所创。
这是一种被认为网格最为均匀的网壳结构形式，它是一种基于正多面体的网格划分方式。
必须指出，在基于20面体的短程线球面网壳的网格划分中，规则的等边三角形最多为20个，而经过再划分的点不会相交于大圆，划分后的小三角形不都是相等的，它们大多数都有微小的差别，即多数杆件的长度都有微小差异，再划分的次数称为频率。
网格划分方法常见的有交替划分法、面心划分法、等分弧边法等。
这种网
壳杆件布置均匀、受力性能好，适用于矢高较大或超半球型的网壳。
图6：短程线型单层球面网壳
2角锥体系
角锥体系是由基本单元为四角锥或三角锥组成的双层球面网壳，在实际工程中以四角锥体系居多。
为保证杆件具有合理加工长度且减少汇交于中心点的杆件数量，网格中也有过渡三角形。
当跨度较大(一般40m以上)或有特殊技术要求(如在两层之间安装照明、音响和空调等设备)时，往往选用双层网壳或单双层混合网壳。
双层网壳是由两个同心或不同心的单层网壳通过斜腹杆连接而的。