空间网壳钢结构的研究与发展

空间网壳钢结构的发展与应用主讲人：石起振1目录：1.穹顶结构、网壳结构钢结构的发展2.空间网壳钢结构的发展3.空间网壳钢结构的优点4.网壳计算方法的发展5.网壳结构发展趋势与建议6.网壳结构的施工安装方法

21.穹顶结构、网壳结构与钢结构的发展

穹顶结构（网壳结构的雏形）是欧洲古代建筑的重要标识之一，是一种最具代表性也最被欣赏的欧洲古代的建筑形式（以最小的材料表面封闭出最大的空间，耗用的材料最经济）。31.穹顶结构、网壳结构与钢结构的发展古代，穹顶用石料建造，后来用砖石结构取代。例如：古罗马万神殿（典型代表）41.穹顶结构、网壳结构与钢结构的发展

中世纪，木材成为穹顶的主要覆盖材料。到19世纪,铁的应用为穹顶的发展开创了一个新纪元,使覆盖大跨度建筑物成为可能。近代,钢筋混凝土结构理论的出现及应用使穹顶的厚度大大降低,薄壳穹顶受到人们的极大关注,从而开辟了结构工程新领域。例如：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51.穹顶结构、网壳结构与钢结构的发展早期穹顶如图：61.穹顶结构、网壳结构与钢结构的发展

第二次世界大战以后，特别是近40多年来，网壳结构得到空前的重视和发展。原因是：（1）网壳结构在施工时，采用的是在工厂中预制的构件，重量轻，安装简易；（2）建筑构件的工业化为网壳结构的发展注入了强大的生命力，特别是发明了多种节点体系和自动化程度较高的生产方法，既提高了生产效率，降低了成本，又保障了安装精度；（3）随着电子计算机技术的不断发展，广泛应用于杆系结构的有限单元法和网壳结构的成型技术等，更促进了网壳结构的应用和发展。71.穹顶结构、网壳结构与钢结构的发展随着科技的发展，材料强度的不断增强。原有穹顶结构的壁厚越来越薄，跨度越来越大形成了网壳结构。这时由于钢材大量应用于建筑材料中，钢结构诞生了。82.空间网壳钢结构的发展

建筑结构通常按维度可分为二维的平面结构和三维的空间结构两大类。其中由众多钢制杆件按照一定规律拼接而成的壳体，并具有三维受力特征的结构形式称为空间网壳钢结构。

空间网壳结构的形式早已摆脱早期单一的结构形式，向着多元化形式方向发展。一般可分为两类：92.空间网壳钢结构的发展(1)按高斯曲率划分：零高斯曲率的网壳、正高斯曲率的网壳、负高斯曲率的网壳。(2)按曲面外形分类：（肋环型和施威德勒型、联方型、凯威特型、短程线型、二向格子、三向格子型、应力表皮）球面网壳、单块扭网壳、双曲扁网壳、柱面网壳、双曲抛物面网壳、圆锥面网壳、扭曲面网壳和切割或组合形成面网壳。102.空间网壳钢结构的发展

空间网壳钢结构在我国起步较晚,较早的有建成于1931年的广州中山纪念堂钢穹顶;建成于1973年的天津市体育馆。但我国网壳钢结构近30年来发展迅速，并后来者居上成为世界网壳钢结构施工技术的领头羊和探索者。已建成的有代表性的建筑有：国家大剧院、沈阳奥林匹克体育中心、昆明长水国际机场、深圳大运中心体育场、江阴市民水上活动中心、中国民航博物馆等。这些大面积网壳钢结构的建成，集中体现了我国空间网壳钢结构高超的施工技术。112.空间网壳钢结构的发展123.空间网壳钢结构的优点

（1）具有优美独特的建筑造型

：无论是平面布局，还是外观形体都能给设计师无限想象的空间。在平面布局上可以选用多种形态。三角形、圆形、矩形、多边形、扇形以及各种不规则的平面布局。球体、椭圆体、圆锥体、规则图形组成的不规则形体等。

133.空间网壳钢结构的优点(2)可以标准化构件拼装

：

这些标准化构件（如：杆件和节点）可以在工厂预制，从而实现工业化、数字化生产，提高了空间网壳钢结构的经济性。

(3)应用范围广：

由于空间网壳结构是由众多构件拼接而成跨度不受施工手段的限制，所以它适合各种规格的建筑物。

143.空间网壳钢结构的优点(4)重量轻，施工简便、快捷

：

由于钢材强度大，空间钢结构的结构形式合理使单位面积上的结构自重较轻，再加上结构拼装特性使得现场安装灵活性大，极大的方便了现场拼装工程，甚至不需要大型的机具设备就可以完成拼装工程。153.空间网壳钢结构的优点(5)分析计算成熟：

随着计算机与有限元在空间网壳钢结构中的不断推广。通常可采用网壳钢结构计算软件，便能完成空间网壳结构的设计。极大简化了空间网壳钢结构的设计难度，降低了空间网壳钢结构在施工施工过程中的不确定性。我国目前已有众多空间网壳钢结构有限元及辅助设计软件，极大缩短了设计与施工时间。164.网壳计算方法的发展网壳结构的计算方法大致有两类:（1）基于连续化拟壳理论的拟壳法：

拟壳法的基本假设是，用一等效的匀质连续体来代替由铰接或刚接杆件组成的实际构架体系。该法是一种近似方法，可近似算出杆件的内力、节点的位移和结构的稳定性，适合于中小跨度的网壳计算。适合人工计算的间接方法，在计算机不发达的早期和现在进行初步设计时，拟壳法都是一个理性方法。174.网壳计算方法的发展（2）基于杆系有限元分析理论的离散结构法。

用该法可以精确的计算出网壳结构的内力和挠度。而且还编制了通用或专用的计算机程序,进行内力计算,并绘出弯矩、剪力和变形图,甚至进行自动设计,选出杆件截面和节点规格。185.网壳结构发展趋势与建议（1）坚持对网壳结构的非线性理论的创新，

通过理论和试验研究，提出一些新的稳定计算公式。（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）开发网壳结构的专门计算程序和简化计算方法，

达到计算、设计和生产的计算机化与自动化。

195.网壳结构发展趋势与建议（3）改进和发展网壳结构的施工方法，进一步有效的利用小型的提升和吊装设备来安装大型网壳结构。（4）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。205.网壳结构发展趋势与建议（5）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。

（6）改进和发展网壳结构的施工方法，

进一步有效的利用小型的提升和吊装设备来安装大型网壳结构。216.网壳结构的施工安装方法(1)高空散装法：小型拼装单元或散件（单一杆件或节点）直接在设计指定位置进行总拼的方法。高空散装法又分为全支架法(满堂脚手架)和悬挑法两种。全支架法多用于散件拼装，而悬挑法则多用于在高空下的小拼单元拼装，或者球面网壳三角形网格的拼装。226.网壳结构的施工安装方法(2)单元安装法：将网架分成若干条状或块状单元，分别用吊装设备吊装至设计指点位置安装就位，然后再拼装连接杆件形成整体的安装方法。这里条状单元是指：网架沿长跨方向分割为若干区段，每个区段的宽度可以现场情况而定，其长度则为短跨的跨度。而块状单元是指：网架按照一定几何规律分割为若干规则图形的单元，如长方形单元和正方形单元。每个单元的重量不超过现有吊装设备的起重能力。236.网壳结构的施工安装方法(3)高空滑移法：将网架单元依次安装在事先设置滑轨的支撑上，并利用滑轨滑移到设计指定位置拼接成整体的安装方法。这些单元可以在地面拼装成型后利用吊装设备吊至支撑上，也可用高空散装法在高空拼装平台上拼接成滑移单元。246.网壳结构的施工安装方法(4)网壳整体吊装法：网架在地面总拼后，采用拔杆或吊装设备进行整体一次性吊装就位的施工方法。(5)整体提升法:在结构柱上安装提升设备对网架实施提升，或伴随柱子滑模施工进行提升的施工方法。256.网壳结构的施工安装方法(6)搬起法：首先，建立逐级增高的临时支撑体系，使其形成一个巨大的斜面，用以减少初始时刻的起搬应力值。第二，在结构底步设置旋转起扳柱脚，并架设柱脚与基础完全铰接的提升结构，如a形支承架。第三，在临时支撑体系上拼装预搬起结构，并在关键节点上进行加固以满足搬起过程中的结构刚度需要。