中国网壳结构的发展与应用

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二、网壳结构的形式与分类

　　我国已建成的网壳结构一般可分为以下各种类型和形式。
　　（1）按曲面的曲率半径分，有正高斯曲率网壳、零高斯曲率网壳和负高斯曲率网壳等三类。
　　（2）按曲面的外形分，主要有球面网壳、双曲扁网壳、圆柱面网壳（包括其它曲线的柱面网壳）、扭网壳（包括双曲抛物面鞍型网壳、单块扭网壳、四块组合型扭网壳）等四类（图6）。　
　　（3）按网壳网格的划分来分，有以下两类。
　　对于球面网壳主要有Schwedler型。联方网格型、三向网格型、Kn（n=6, 8,10……）型、肋环型和短程线型等。
对于圆柱面网壳主要有联方网格型、单斜杆型（直角三角形网格）、三向型（等腰三角形或正三角形网格），如图8所示。
　　（4）按网壳的层数来分，有单层网壳和双层网壳，其中双层网壳通过腹杆把内外两层网壳杆件连接起来，因而可把双层网壳看作由共面与不共面的拱桁架系或大小相同与不同的角锥系（包括四角锥系、三角锥系和六角推系）组成。
　　（5）按网壳的用材分，主要有木网壳、钢网壳、钢筋混凝土网壳以及钢网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳等四类。

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三、网壳结构工程实例

现将我国已建（包括在建）网壳结构工程实例，按曲面外形分类叙述如下。
　　（l）球面网壳工程实例，详见表1。其中山西稷山选煤厂煤库穹顶，平面直径为47.2m，采用了我国自己研制成功的嵌入式毂式节点单层球面网壳，每平米用钢指标仅为20.2kg，是我国目前按空间结构计算方法设计建成的跨度最大的网状球壳。中国科技馆球幕影院穹顶，球径为35m。是目前跨度最大近乎全球的（3/4球）螺栓球节点双层网状球壳，网壳内层为短程线型网格，外层为外露呈六边形、五边形网格，结构形体新颖美观。福州师专阶梯教室屋盖，平面直径为24m，首次采用了局部双层的螺栓球节点K6型网状球壳，以提高单层螺栓球节点网壳的稳定性。济南动物园亚热带鸟馆顶盖，平面直径为40m，采用倾斜1／8的三向网状扁球壳。某 3万平米的油罐顶盖，平面直径为46m，采用工字钢截面杆件、板式节点的短程线型球面网壳，是当前跨度最大的油罐顶盖网壳。大连青少年宫球幕影院和天象馆穹顶，平面直径分别为16.166m和9.84m，分别采用了直径22和20圆钢杆件的单层K6-联方形球面网壳。球面网壳工程实例和型体研究的部分资料可见文献[9-12]。
（2）圆柱面网壳工程实例，详见表2。其中浙江横山钢铁厂材料库，平面尺寸为24mX36m,采用带有纵向边桁架的五波单层圆柱面网壳，是我国最早建成的按空间结构工作设计计算的圆柱面钢网壳。乌鲁木齐机场飞机库，平面尺寸为51.5mX60m，采用钢筋混凝土联方型圆柱面网壳,是国内跨度最大的钢筋混凝土联方型柱面网壳结构。圆柱面网壳工程实例的部分资料可见文
献[15，16]。（3）扭构壳工程实例，详见表3。其中徐州造纸厂制浆车间，平面尺寸为 12m X 12.5m，采用单块复锥型双层扭网壳，是我国最早建成的扭网壳。益阳法院法庭，平面尺寸为18m X24m，在我国首次采用了四块组合型单层扭网壳，为增加单层网壳的刚度，在网壳的屋脊与四周边设有下弦杆及相应的腹杆，以构成田字形布置的六榀立体桁架。北京亚运会石景山体育馆，平面尺寸为边长99.7m的正三角形，采用三叉拱支撑的三块组合型双层三向扭网壳，造型新颖、挺拔，颇受欢迎。　　　　　
　　（4）双曲扁网壳工程实例，详见表4。其中汾阳网架公司铸造车间，平面尺寸为18mX54m,采用三个18m见方单层三向双曲扁网壳，1984年建成，是我国首次建成的双曲扁网壳。该项网壳工程以及山西五阳、汾西煤矿系统建成的几个网壳工程，其钢筋混凝土屋面板与网壳节点和杆件之间设有连接件，混凝土灌缝后可使屋面板与钢网壳共同受力，实际上形成一种钢筋混凝土带肋薄壳与钢网壳协同工作的组合网壳结构，可提高网壳的刚度和极限承载力。浙江江山体育馆，平面尺寸为35mX45m,采用了装配式预应力混凝土单层双曲扁网壳，1989年建成，这在国内尚属首次。5）异形（平面、曲面）网壳工程实例，详见表5。其中深圳布吉集贸市场中厅采光屋盖，长椭圆平面为20mX40m，中部采用双层复锥形圆柱面（微弯）扁网壳，两端采用半圆平面的双层短程线型球面网壳。济南明湖贸易中心中厅，橄榄形平面为28m X 52m，采用双层三角锥球网壳，它由335个螺栓球节点、1374根钢管杆件组合而成。青岛展览中心多功能厅，曲边三角形平面，跨度为28．392m，采用两向正交叠合式节点单层贝壳状网壳。徐州电视塔塔楼，选用直径为21m的单层联方型全球网壳，并采用地面组装整体提升到99m设计标高就位的施工安装方法，这是我国首次在电视塔塔楼中采用全球网壳，取得了成功的经验，并为徐州市增添了一大景观。马里议会大厦，平面尺寸为 35.4m X 39.8m，采用纵剖面为非对称布置的圆弧线和折线组成的螺栓球节点双层住面网壳，1992年在国内进行了试拼装，这是我国进入国际市场的第一个网壳结构。此外，正设计待施工的有平面为102m X 82m的嘉兴发电厂干煤棚，采用局部可调节点的双层三心圆柱面网壳；平面为 60m X 65m的哈工大邵逸夫体育馆，采用两片单层、两片双层共四片组合型鞍型网壳；平面为八边形花瓣状60mX60m、挑檐7.4m的攀枝花体育馆，采用八支点预应力双层短程线型球面网壳；平面为切角月牙形 32.5X157.7m的长茂市南岭体育场挑篷，采用倾角为13度的双层圆柱面网壳。这些大跨度大型网壳结构的建成，将使我国空间网壳结构的科技水平登上一个新台阶。

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2005年05月30日 11:41:55

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四、网壳结构的计算
网壳是由多根杆件连接而成的，其节点通常为刚性连接，能传递轴力和弯矩，因而网壳结构是比网架结构阶数更多的高次超静定结构，早年，将网壳结构等代的连续体，按平面的或空间的连续结构进行分析计算。近10年来，由于电子计算技术迅速发展和推广应用，大多采用离散化的有限元分析方法，并编制专用程序计算网壳结构。归纳起来，网壳结构的分析计算方法有以下几种：
　　（1）平面拱计算法。对于有拉杆或落地的网状筒壳，可在纵向切出单元宽度，按双铰供或无铰供计算；对于肋环形网状球壳及不计斜杆作用的Schwedler型网状球壳，在轴对称荷载作用下（可在环向如同切西瓜那样取出单元弧度，内有一根对称的径向杆件），按具有水平弹性支承的平面拱计算，弹性支承的刚度可由环向杆件的刚度及其所在位置确定。
　　（2）有限元法，主要是空间梁元法，或称空间刚架位移法。对空间梁元的每个端结点要考虑三个线位移和三个角位移，相应地有三个集中力和三个弯（扭）矩，也就是说每个网壳结点有六个自由度。由空间梁元的刚度方程，可建立整个网壳的刚度方程，然后根据边界条件即可求解。空间梁元法是网壳结构的精确计算方法，它适用于任意形状、任意边界条件的网壳结构。
　　对于螺栓球节点和叠合式节点的单层网壳，文献[25，26]研讨了这类节点的刚性和特点，给出了单元的刚度矩阵。
　　对于双层网壳，可采用铰接杆元法，即空间桁架位移法计算。当然，有时也可根据上、下弦杆的刚度及双层网壳的厚度等代为梁元，按空间梁元法计算。
　　（3）拟壳法，这是一种连续化的分析方法。把离散的网壳结构比拟为连续壳体，由能量原理等方法可确定壳体的等代薄膜刚度和抗弯刚度，进而按各向异性壳体（大多情况下可等代为正交异性壳体或各向同性壳体）的基本理论来建立基本微分方程式求解。当求得壳体的内力后，再去回代返求网壳杆件的内力。因此，这是一种从离散等代为连续，再从连续回代到离散的分析方法，这种等代和回代的过程，自然要损失一些计算精度。我国学者对网壳结构的拟壳分析法作了大量的研究工作，取得了不少成果。对于球面网壳、双曲扁网壳、圆柱面网壳及四块组合型扭网壳的拟壳分析在文献[27～34]作了理论分析和试验研究。文献[35，36]研讨了扁网壳的动力分析。文献[37～39]研究和探讨了组合网壳的拟壳分析法。
　　此外，文献[40,41]采用了介于离散化与连续化之间的方法——样条综合离散法分析网壳与组合网壳。
　　网壳计算的一个特殊问题是稳定分析。自60年代罗马尼亚布加勒斯特的93m直径网状穹顶的失稳破坏倒塌后，国内外对大跨度单层网壳的稳定性研究得到了高度关注。当前我国大多数单层网状球壳的设计是由稳定性控制，而不是强度控制的，因而钢材实际承受的应力水平很低，仅30～40N／mm’，这远未充分发挥钢材的强度优势。网壳稳定性是一个比较复杂的几何和材料非线性问题，对此同时还要考虑初始缺陷的影响，要合理选取稳定性安全系数。近10年来我国学者在网壳的稳定性方面做了大量的理论分析和试验研究，与静力计算一样也是采用连续化和离散化两条途径进行分析。文献[42，44]按拟壳研究了球面网壳、圆柱面网壳的临界荷载；而较多的文献如[45～54]则从梁-柱理论或有限元法的几何非线性基本方程出发，采用牛顿-拉夫逊法、位移控制法、荷载增量法、常刚度矩阵法、弧长法，广义增分法等多种方法，对球面网壳屈曲前后作了全过程跟踪分析，提出了有价值的论点和建议，取得了可喜的研究成果。文献[55，56]对鞍形网壳的稳定性进行了有意义的研究，指出了鞍形网壳和穹顶网壳屈曲后的性能差别，对于高跨比小于1/10的鞍形扁网壳。当在受拉方向布置斜杆时便无失稳问题。文献[53，57]研究了单层网壳的材料非线性问题。

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2005年05月30日 11:42:13

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五、网壳结构的节点构造

　　要使多根杆件组装而成的网壳结构能够整体工作，关键在于节点的连接构造。单层网壳的节点通常要求是刚接的，以便传递各杆传来的集中力和弯矩。双层网壳的节点常做成铰接，能传递各杆的轴力即可。我国常用的网壳节点大致有如下几种。
　　（1）板节点，适用于连接用钢、槽钢和工字钢截面的杆件。其中有十字形板节点、圆柱形板节点（用于某3万平米内浮顶油罐顶盖单层网壳）、盒形板节点（用于潍坊艺海大厦装饰穹顶网壳）等。
　　（2）焊接空心球节点，适用于钢管杆件的单、双层网壳结构。属于这一类节点体系的还有焊接空心鼓形节点[如图18(b)所示，曾用于汾阳网架公司铸造车间双曲扁网壳]和焊接空心半鼓半球节点[如图18(c)所示，曾用于益阳法院法庭四块组合型扭网壳]。后两种节点特别适宜于单层组合网壳结构，便于在施工时搁置钢筋混凝土带肋屋面板，如图18(b)，(c)所示。
　　（3）螺栓球节点，适用于钢管杆件的双层网壳及小跨度的单层网状球壳。
　　（4）嵌入式毂式节点，这是我国自己研制成功的、适用于单层球面网壳的节点，如用于山西稷山选煤厂煤库网壳屋盖，如图19所示。
　　（5）叠合式节点，适用于两向杆系组成的钢管杆件单层网壳，如图20所示，曾在青岛展览中心多功能厅网壳屋盖中应用。
　　（6）卡盘螺栓节点，适用于圆钢杆件组成的单层网壳，如图21所示，曾在大连青少年宫球幕影院和天象馆网壳穹顶中应用。

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2005年05月30日 11:42:28

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六、网壳结构的施工安装方法

　　我国已建网壳结构工程的施工安装方法归纳起来有以下几种。
　　（1）高空散装法。一般需采用满堂脚手架作为安装和操作平台来组装网壳结构，该法散件多、且在高空作业，要特别注意节点和杆件的空间定位及焊接节点的焊缝质量。
　　（2）高空分块安装法。一般采用少量立承架，把在地面上已组装好的小块网壳吊装到设计标高就位，然后与相邻的小块网壳连接成整体。石家庄新华集贸中心营业厅双曲扁网壳的施工安装便采用这一方法。
　　（3）高空滑移法。可在地面上组装成条状的网壳，吊装后在高空滑移就位并连成整体。也可在网壳一端高空组装一段网壳，滑移后让出该段网壳的组装平台，便可组装第二段网壳并与第一段网壳连成整体，再高空滑移一段距离，再组装一段网壳，如此重复，直至组装最后一段网壳，即完成整个网壳的安装工作。这种网壳的施工安装方法称为高空积累滑移法。北京奥林匹克体育中心综合体育馆的斜拉网壳便采用这种四支点三滑道高空积累滑移法。
　　（4）整体吊装法。网壳在地面上组装，然后采用把杆或其它起重设备整体吊装就位。如汾阳网架公司铸造车间双曲扁网壳是采用这种安装方法施工的。
　　（5）整体提升法。网壳在地面上组装，然后采用升板机或其它提升设备把整个网壳提升到设计标高就位。杭州钱江海岸实验室钢筋混凝土联方型圆柱面网壳采用了这种安装方法，提升总重量600t。

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2005年05月30日 11:42:52

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七、若干建议和要探索的技术问题

　　网壳结构在我国的发展和应用历史不长，但已显出有很强的活力，应用范围在不断扩大，是一类方兴未艾的空间结构。多年来，我国在网壳结构的合理选型、计算理论、稳定性分析、节点构造、制作安装、试制试验等方面已做了大量的工作，取得了一批成果，且具有我国自己的特色。但与国外相比，在结构跨度、加工工艺、施工安装方法等方面尚有差距。为使网壳结构在我国能得到进一步的发展和推广应用，赶超国际90年代的先进水平，兹提出如下若干建议和要探索的技术问题。
　　（1）进一步研究各类网壳稳定性的计算理论和方法、破坏机理和极限承载力，给出实用的临界荷载计算公式，合理选取稳定性安全系数。
　　（2）在推广应用一般的单、双层网壳结构的同时，应进一步开发和采用组合网壳、斜拉网壳、预应力网壳和局部双层网壳等多种新结构、新技术，以发挥和改善网壳的受力特性，增加刚度和稳定性，减少材料耗量，降低工程造价。
　　（3）研制受力合理、构造简单、制作安装方便，且能定型化、标准化生产的各类单层网壳的刚性节点和可调节点。
　　（4）进一步改进网壳制作加工工艺和设备，研究和开拓无脚手高空悬挑安装法、采用简易设备的整体安装法等网壳结构的施工方法。
　　（5）尽快组织力量编制网壳结构设计与施工规程，以便更好地指导网壳的设计与施工，进一步发展和推广应用网壳结构。