筒壳结构.docx

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筒壳结构

第一节概述

　　网壳结构即为网状的壳体结构，或者说是曲面状的网架结构，其外形为壳，其构成为网格状，是格构化的壳体，也是壳形的网架。

　　一、网壳结构的特点

（1）网壳结构的杆件主要承受轴力，结构内力分布比较均匀，应力峰值较小，因此可以充分发挥材料强度作用。

（2）由于它可以采用各种壳体结构的曲面形式，在外观上可以与薄壳结构一样具有丰富的造型，无论是建筑平面或建筑形体，网壳结构能给设计人员以充分的设计自由和想象空间，通过使结构动静对比、明暗对比、虚实对比，把建筑美与结构美有机地结合起来，使建筑更易于与环境相协调。

　　（3）由于杆件尺寸与一整个网壳结构相比很小，可把网壳结构近似地看成各向同性或各向异性连续体，利用钢筋混凝土薄壳结构分析结果进行定性的分析。

　　（4）网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆，即以折面代替曲面，如果杆件布置和构造处理得当，可以具有与薄壳结构相似的良好的受力性能。

同时，又便于工厂制造和现场安装，在构造和施工方法上具有与平板网架结构相同的优越性。

　　网壳结构按杆件的布置方式分类有：

单层网壳和双层网壳两种形式，一般来说，中小跨度（一般为40m以下）时可采用单层网壳，跨度大时采用双层网壳。

单层网壳由于杆件少、重量轻、节点简单、施工方便，因而具有更好的技术经济指标，但单层网壳曲面外刚度差、稳定性差，各种因素都会对结构的内力和变形产生明显的影响，因此在结构杆件的布置、屋面材料的选用、计算模式的确定、构造措施的落实及结构的施工安装中，都必须加以注意，双层网壳可以承受一定的弯矩，具有较高的稳定性和承载力。

当屋顶上需要安装照明、音响、宇调等各种设备及管道时，选用双层网架能有效地利用空间，方便天花或吊顶构造、经济合理，双层网壳根据厚度的不同，有等厚度与变厚度之分。

　　二、网壳结构的材料

　　网壳结构按材料分类有木网壳，钢网壳、铝合金网壳、塑料网壳、玻璃钢网壳等，木网壳结构仅在早期的少数建筑中采用，近年来在一些木材丰富的国家也有采用胶合木建造网壳，有的跨度已超过100m。

但总的来说，木结构网壳用得并不多。

钢筋混凝土网壳结构常常是单层且常采用预制钢筋混凝土杆件装配整体式结构，但由于自重大，节点构造复杂，一般川于跨度在60m以下的建筑中。

钢网壳结构目前在我国应用最广泛，其钢材可以采用钢管、工字钢、角钢、薄壁型钢等。

钢网壳具有重量轻、强度高、构造简单、施工方便等优点。

铝合金网壳结构由于重量轻、强度高、耐腐蚀、易加I：

、制造和安装方便，在欧美国家已被大量应用于大跨度建筑，其杆件可为圆形、椭圆形、方形或矩形截面的管材，我国由于铝材规格和产量较少，价格较高，目前尚未川于网壳结构。

塑料网壳和玻璃网壳结构U前较少采用。

　　第二节网壳结构的形式

　　网壳结构按曲面形式分类为单曲面和双曲面两种，单曲面网壳即为单筒网壳或称为柱面网壳，双曲面网壳目前常用的有球壳和扭网壳两种．有时也采用其他曲面的扁网壳及各种曲面经切割组合后的网架。

　　一、筒网壳

　　筒网壳也称为柱面网壳，是单曲面结构，其横截面常为圆弧形，也可采用椭圆形、抛物线形和双中心圆弧形等。

　　1．单层筒网壳

　　单层筒网壳若以网格的形式及其排列方式分类，有以下五种形式（见图s—1）：

（1）联方网格型筒网壳（图8—1a））；

（2）弗普尔型筒网壳（图6—lb））；

　　（3）单斜杆型筒网壳（图8—1c））；

　　（4）双斜杆型筒网壳（图S—1d））；

　　（5）三向网格型筒网壳（图8—le））。

　　联方型网壳受力明确，屋面荷载从两个斜向拱的方向传至基础，筒捷明厂。

室内呈菱形网格，犹如撒开的渔网，美观大方。

其缺点是稳定性较差，由于网格中每个节点连接的杆件数少，故常采用钢筋混凝土结构，如同济大学大礼堂<图8—2），平面尺寸为40m×56m，矢高为8～8．5m乌鲁木齐机场飞机库屋盖，平面尺寸51．5m×60m，矢高为10．3m，均采用钢筋混凝土联方网格型筒网壳，施工安装方法均为预制杆件高牢拼装并现浇节点混凝土。

　　弗普尔型和单斜杆型筒网壳结构形式简单，用钢量少，多用于小跨度或荷载较小的情况，双斜杆型筒网壳和三向网格型筒网壳具有相对较好的刚度和稳定忭，构件比较单一，设计及施工都比较简单，可适用于跨度较大和不对称荷载较大的屋盖中。

　　为了增强结构刚度，单层筒网壳的端部一般都设置横向端肋拱（横隔），必要时也可在中部增设横向加强肋拱。

对于长网壳，还应在跨度方向边缘设置边桁架。

与平板网架相比，网壳的受力性能好，刚度大，自重小，用钢量省，是适用于中、大跨度建筑屋盖的一种较好的结构型式。

缺点是曲面外形增加了屋盖表面积和建筑空间，构造处理、支承结构和施工制作均较复杂。

从构造上网壳分为单层与双层两大类。

单层网壳的跨度不宜超过40米。

　　网壳结构常见型式有圆柱面网壳、圆球网壳和双曲抛物面网壳。

　　1．圆柱面网壳：

外形呈圆柱形曲面的网状结构，兼有杆系和壳体结构的受力特点，只在单方向上有曲率，常覆盖矩形平面的建筑。

单层网壳按排列有四种：

单向斜杆正交正放网格、交叉斜杆正交正放网格、联方网格、三向网格。

双层网格可参照平板网架的型式布置不同的网格。

壳体高度与波长之比一般在1／6～1／8之间。

双层网壳的厚度宜取波长的1／20～1／30。

　　2．圆球网壳：

用于覆盖较大跨度的屋盖，常见网格形式有：

肋型、施威德肋型、联方网格、短程线型、三向网格。

通过对壳面的切割，圆球网壳可以用于多边形、矩形和三角形平面建筑的屋盖。

　　3。

双曲抛物面网壳：

将一直线的两端沿两根在空间倾斜的固定导线（直线或曲线）上平行移动而构成。

单层网壳常用直梁作杆件，双层网壳采用直线衍架，两向正交而成双曲抛物面网壳。

这种网壳大都用于不对称建筑平面，建筑新颖轻巧。

网壳，顾名思义即为网状壳体，是格构化的壳体。

网架，与网壳相仿，是格构化的板，即网板。

（—）网壳

20世纪中叶，欧美人工费剧增，壳体施工需用的模板与脚手架费料、费工，其应用受到了影响。

适逢焊接技术更趋完善，高强钢材不断出现，电算技术突飞猛进，给网壳准备了物质基础；但更为重要的是网壳结构具有其非凡的优越性，故发展迅猛。

网壳结构多用于大跨度，目前已经发展成为大跨结构中应用普遍的结构形式之一。

网壳分为筒网壳、球网壳、扭网壳。

”

1．筒网壳

外形是圆柱面筒形，又叫柱面网壳。

它覆盖的平面为矩形，横向短边为端边（l2），纵向长边为侧边（l1），其整体传递外荷的方式与筒壳类似，按网肋构成与传荷方式的不同，网壳可分为两类，一类是拱式受压的筒网壳（类似短筒壳）；另一类是梁（桁架）式受弯的筒网壳（类似长筒壳）。

拱式筒网壳见图10-70，其受力特征是以受压为主的平面拱，为单向抗衡并传递外荷的平面结构。

既然梁可以构成双向的井字梁，同样拱也可以实现空间多向抗衡并传递外荷的空间结构——多向拱，多向拱具有良好的空间刚度，能抵抗纵向侧力，无需支撑。

梁式筒网壳见图10-71，其受力特征——格构化折板壳，折板壳的受力状态与长筒壳一样，其折缝上的竖载是由相邻折板以板平面内的横向力来抗衡。

若每块平面折板代之以一榀平面桁架（称平桁架），且相邻两桁架的上、下弦杆合二为一，这就成了梁桁架（或称桁架式）筒网壳，即梁式筒网壳，矢高

2．球网壳

球网壳即网穹。

世界上容纳观众最多的美国新奥尔良“超级穹顶”体育馆为直径207．3m圆平面，设72000m座位，采用的是球网壳。

施工用充气气球作满堂脚手架，在气球顶部开始安装网格，逐渐向下向外安装，随后网壳逐渐变大而气球充气逐渐升高，直到安装完毕，放气撤球。

北京天文馆是直径为25m的半圆球网壳，采用竖向扁钢的短网肋，其三角形网格的每个节点都有六根网肋汇集，采用钢栓夹板联结。

球网壳及其架设法见图10-72。

3，扭网壳反向双曲的扭壳具有最大的优势是双向直纹。

在直纹方向可以毫无阻碍的设置单根肋杆或桁架式网肋，就能构成双曲扭面，扭网壳就是这样构成的。

近年来，又出现了一种应力蒙皮结构，它是把薄钢板固定在骨架上以很高的抗剪强度与骨架协同工作，共同抗衡外荷。

网板主要受薄剪力，弯曲应力可略去不计。

这种结构在工业产品已普遍应用，如轮船、龟机外壳，20世纪50年代后应用于建筑屋盖，充分显示出其轻质、高强、经济、合理的优越性。

（二）网架

网架与网壳相比，其最大优点是网肋规格很少（长度只有几种），节点规格也不多（窄间规格划一简单），施工更为方便。

因此它一出现，就风行一时，我国自70年代以来已大量应用。

网架从总体体型划分，其外形为平板者，称平板形网架；外形为折板者，称折板形网架。

网架多采用钢结构，但也有钢筋混凝土网架的。

网架可分为下列两类（图10-73和图10-74），共六种。

1．交叉平面桁架

（1）正方格网架，即双向正交正放平面桁架，见图10-73（

（2），这种网架适用于正方形、近似方形、正多边形、圆形或椭圆形的建筑。

（2）斜方格或菱形格网架，见图10-73（b）、（c），这种网架较美观，适用于建筑平面为较短的矩形，其双向桁架的正弯矩要比方格者小，比较经济。

（3）三角格网架，即三向平面桁架，见图10-73（d），为简化构造与计算，一般三向桁架互成60°角交叉，其平面呈三角形格。

虽节点构造复杂，有十余根杆交汇，但具有良好的平面适应性，建筑平面灵活多样。

2．交叉立体桁架

交叉立体桁架与交叉平面桁架不同，属角锥体系，成为真正的空间杆件体系一空间桁架，见图10-74。

分以下三种：

（1）正四角锥网架

正四角锥网架属双向正交正放立体桁架，其受力状态完全与双向正交正放平面桁架是一样的，故亦适用于正方形、近似正方形、正多边形、圆形与椭圆形平面，其构造简单，受力均匀，见图10-74（a）。

（2）斜四角形网架

斜四角形网架是双向正斜放立体桁架，其受力状态与双向正交斜放平面桁架类似，能够适用于多样建筑平面。

斜四角锥网架是较经济的形式，为防止支承网架受力后节点失稳转动，必须设边桁架或圈梁，见图10-74（b）。

（3）三角锥网架

三角锥网架是三向60°交叉立体桁架。

上、下弦均呈相同的正三角格，刚度最好，受力均匀、分散，具有良好的平面适应性。

见图10-74（c）。

网架的高度直接影响网架的空间刚度，以及杆件内力、腹杆长度、结构空间和围护结构等各个方面。

30m跨以内取（1／10～1／15）l，30～60m跨取（1／12～1／15）l；60m跨以上取（1／14～1／18）l。

网架材料，杆件采用圆形空心截面——钢管为最好，因其具有良好的物理力学性能、刚度大、抗压曲、抗扭、抗震均佳以及承载力高；其用材亦最合理，省料、自重轻、经济；其截面也非常简单，节点处理，并易于焊接，因此钢管是理想的选材。

网架的优越性：

1）能够发挥出来极高次超静定空间结构的优势；

2）结构自重轻；

3）制作符合标准化、系列化；

4）装配与架设简单、迅速、经济；

5）平面适应性强，造型表现力亦强。

网架并非完美无缺，目前有待探索解决的问题有二：

1）网架内力变化大，差值大，为了减少构件规格型号，很多杆件不能材尽其用；

2）杆件与节点制作、装配精度要高，过高精度要求是与技术经济指标相矛盾的。

网壳结构技术验收的规定

1网壳结构的制作、拼装和安装的每道工序均应进行检查。

凡未经检查，不得进行下一工序的施工。

安装完成后必须进行交工检查验收。

焊按球、螺栓球、杆件、高强度螺栓、柱状毂体、杆端嵌入件等均应有出厂合格证及检验记录。

2交工验收时，应检查网壳的若干控制支承点间的距离偏差和高度偏差。

控制支承点间的距离偏差容许值应为该两点间距离的1/2000，且不应大于30MM。

高度偏差，当跨度小于或等于60M时不得超过设计标高±20MM，当跨度大于60M对不得超过设计标高±30MM。

3安装完成后，应测量网壳若干控制点的竖向位移，所测得的竖向位移值应不大于相应荷截作用下设计值的1.15倍。

竖向坐标观测点的位置应能反映结构性能与变形规律，由设计单位与施工单位根据变形计算结果协商确定。

4网壳工程验收应具备下列文件：

网壳施工图、竣工图、设计变更文件、施工组织设计、所用钢材及其他材料的质量证明书和试验报告，网壳的零部件产品合格证书和试验报告、网壳拼装备工序的验收记录、焊工考核合格证明、焊缝质量检验资料、总拼就位后几何尺寸误差和竖向位移值记录。