網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)ppt課件

3.3網(wǎng)殼,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及特點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式一般計(jì)算原則結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析網(wǎng)殼桿件的設(shè)計(jì)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,內(nèi)容提示,1）網(wǎng)殼的應(yīng)用,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，兼有桿系結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單和薄殼結(jié)構(gòu)受力合理的特點(diǎn)，因而具有跨越能力大，剛度好、材料省、桿件單一、制作安裝方便等特點(diǎn)，是大跨空間結(jié)構(gòu)中一種舉足輕重的結(jié)構(gòu)形式，也是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的一種空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展式和人類生活、生產(chǎn)的需要、科學(xué)技術(shù)水平以及物質(zhì)條件密切相連的。,3.3.1網(wǎng)殼的應(yīng)用及特點(diǎn),意大利羅馬小體育宮,日本的名古屋體育館單層網(wǎng)殼工程，圓形平面，直徑為187.2米，1996年建成，是目前世界上跨度最大的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。,日本的福岡穹頂(FukuokaDome)球面網(wǎng)殼工程。該工程于1993年建成，直徑為222米，是目前世界上最大的球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。球形屋蓋由三片扇形網(wǎng)殼組成，根據(jù)需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開啟，可以全開、半開和全閉合狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程大約需要20分鐘的時(shí)間。,我國(guó)的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)50年代初就有所應(yīng)用，但特別是我國(guó)近年來(lái)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)得到了突飛猛進(jìn)得發(fā)展，并以每年遞增的事態(tài)發(fā)展。目前已建成大量的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。而正由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎的結(jié)構(gòu)外形，這種結(jié)構(gòu)已成為各地區(qū)的標(biāo)志性建筑。如北京國(guó)家大劇院、天津體育館、上海萬(wàn)人體育館等。,國(guó)家大劇院（肋環(huán)型空腹雙層網(wǎng)殼）,上海萬(wàn)人體育館,天津市體育館（這是我國(guó)跨度突破100m大關(guān)的首例球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)）,甘肅省嘉峪關(guān)氣象塔工程,2）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)兼有桿件結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的主要特性，受力合理，可以跨越較大的跨度。具有優(yōu)美的建筑造型，無(wú)論是建筑平面、外形和形體都能給設(shè)計(jì)師以充分的創(chuàng)作自由。應(yīng)用范圍廣泛，即可用于中、小跨度的民用和工業(yè)建筑，也可用于大跨度的各種建筑，特別是超大跨度的建筑?？梢杂眉?xì)小的構(gòu)件組成很大的空間，而且桿件單一，這些構(gòu)件可以在工廠預(yù)制實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，安裝簡(jiǎn)便快速，速度快，適應(yīng)采用各種條件下的施工工藝，不需要大型設(shè)備，因此綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。計(jì)算方便。目前我國(guó)已有許多適用于多種計(jì)算機(jī)類型的各種語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)軟件，為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算、設(shè)計(jì)和應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)呈曲面形狀，形成了自然排水功能，不需像網(wǎng)架結(jié)構(gòu)那樣采用小立柱找坡。,3)制約因素：,桿件和節(jié)點(diǎn)幾何尺寸的偏差以及曲面的偏離對(duì)網(wǎng)殼的內(nèi)力、整體穩(wěn)定性和施工精度影響較大，這給網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成大空間，但當(dāng)矢高很大時(shí)，曲面外形增加了屋面面積和不必要的建筑空間，有些空間是不能用的，并增加建筑材料和能源消耗，屋面構(gòu)造也比較復(fù)雜，某些形體的網(wǎng)殼若建筑上不加妥善處理，則會(huì)影響其音響效果。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，只要精心設(shè)計(jì)，精心施工，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)和問題是不難解決的。,4）網(wǎng)殼的發(fā)展,1.利用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特造型2.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的跨度越來(lái)越大3.可移動(dòng)或可開啟的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)4.新型空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)減震體系5.新型屋面材料的發(fā)展,3.3.2結(jié)構(gòu)的形式,分類方法：,按網(wǎng)殼層數(shù)：,單層網(wǎng)殼,雙層網(wǎng)殼：,按曲面外形：,球面網(wǎng)殼,柱面網(wǎng)殼,雙曲扁網(wǎng)殼,扭曲面網(wǎng)殼,單塊扭網(wǎng)殼,按結(jié)構(gòu)材料：,鋼網(wǎng)殼,木網(wǎng)橋,鋼筋混凝土網(wǎng)殼,組合網(wǎng)殼,單層和雙層網(wǎng)殼,單層柱面網(wǎng)殼,單塊扭網(wǎng)殼,雙曲拋物面網(wǎng)殼,球面和柱面組合網(wǎng)殼,球面網(wǎng)殼,球面網(wǎng)殼又包括：肋環(huán)型球面網(wǎng)殼、施威德勒（Schwedler）型球面網(wǎng)殼聯(lián)方型球面網(wǎng)殼、凱威特型球面網(wǎng)殼、短程線球面網(wǎng)殼等,肋環(huán)型球面網(wǎng)殼,聯(lián)方型球面網(wǎng)殼,施威德勒型球面網(wǎng)殼,凱威特型,短程線型,3.3.3網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)原則,1）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在各種作用下的內(nèi)力、位移及整體穩(wěn)定計(jì)算除工作荷載外，還應(yīng)根據(jù)具體情況考慮包括地震、溫度變化、支座沉降及施工荷載等效應(yīng)。,2）計(jì)算荷載：,永久荷載,網(wǎng)殼自重和節(jié)點(diǎn)自重,屋面和吊頂自重,設(shè)備管道等自重,可變荷載,屋面活荷載,雪荷載,風(fēng)荷載,兩者取大值,3）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)幾何尺寸,4）強(qiáng)度、剛度分析,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移可按彈性階段進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)根據(jù)網(wǎng)殼類型、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，設(shè)計(jì)階段可分別選用不同的方法進(jìn)行內(nèi)力、位移計(jì)算：,1）雙層網(wǎng)殼宜采用空間桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算,2）單層網(wǎng)殼宜采用空間梁系有限元法進(jìn)行計(jì)算,3）對(duì)單、雙層網(wǎng)殼在進(jìn)行方案選擇和初步設(shè)計(jì)時(shí)可采用擬殼分析法進(jìn)行估算。,5）穩(wěn)定性分析,網(wǎng)殼的穩(wěn)定性可按考慮幾何非線性的有限元分析方法（荷載位移全過(guò)程分析）進(jìn)行計(jì)算，分析中可假定材料保持為線彈性。用非線性理論分析網(wǎng)殼穩(wěn)定性時(shí)，一般采用空間桿系非線性有限元法，關(guān)鍵是臨界荷載的確定。單層網(wǎng)殼宜采用空間梁系有限元法進(jìn)行計(jì)算。,6）抗震分析,在設(shè)防烈度為7度的地區(qū)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行豎向抗震計(jì)算，但必須進(jìn)行水平抗震計(jì)算。在設(shè)防烈度為8度、9度地區(qū)必須進(jìn)行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)水平與豎向抗震計(jì)算。,對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震效應(yīng)計(jì)算時(shí)可采用振型分解反應(yīng)譜法，按此法分析宜取前20階振型進(jìn)行網(wǎng)殼地震效應(yīng)計(jì)算；對(duì)于體形復(fù)雜或重大的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。,在抗震分析時(shí)，宜考慮支承結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在單排的獨(dú)立柱、框架柱或承重墻上時(shí)，可把支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為彈性支座。對(duì)于網(wǎng)殼的支承結(jié)構(gòu)應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震計(jì)算。,3.3.4結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析,1）網(wǎng)殼的受力性能與一般結(jié)構(gòu)相比，具有許多特點(diǎn)，因而它的計(jì)算也有許多特殊性。,網(wǎng)殼是一個(gè)高次超靜定結(jié)構(gòu)，只有在對(duì)其所有桿件的截面進(jìn)行初步設(shè)計(jì)后才能進(jìn)入計(jì)算，計(jì)算的結(jié)構(gòu)又將對(duì)初步設(shè)計(jì)的截面進(jìn)行修改，截面的修改又將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化，又需要重新計(jì)算；網(wǎng)殼的受力，特別是它的整體穩(wěn)定性對(duì)結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)的變動(dòng)特別敏感，因此計(jì)算和設(shè)計(jì)之間存在緊密的內(nèi)在聯(lián)系，往往需要經(jīng)歷設(shè)計(jì)計(jì)算再設(shè)計(jì)直至滿足為止的過(guò)程,網(wǎng)殼設(shè)計(jì)中優(yōu)或劣的評(píng)定準(zhǔn)則，除用料經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，還必須考慮其它多種因素，如網(wǎng)殼是否對(duì)某種因素敏感，達(dá)到極限承載力的安全儲(chǔ)備的大小，網(wǎng)殼的延性指標(biāo)，網(wǎng)殼是否便于施工安裝等等。以上這些必須通過(guò)計(jì)算才能確定。,網(wǎng)殼桿件之間的連接，從計(jì)算圖式的角度，可分為鉸接連接和剛接連接兩大類。在一般情況下，雙層網(wǎng)殼多采用鉸接連接，單層網(wǎng)殼應(yīng)采用剛接連接。,對(duì)于鉸接連接網(wǎng)殼：采用空間鉸支桿單元有限元法,對(duì)于剛接連接網(wǎng)殼，宜采用空間梁-柱有限單元法。,1.確定網(wǎng)殼的計(jì)算單元。2.對(duì)計(jì)算單元的節(jié)點(diǎn)和桿件進(jìn)行編號(hào)。3.建立各桿的單元切線剛度矩陣。4.建立網(wǎng)殼總剛矩陣,2）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),對(duì)網(wǎng)殼這種復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)由于強(qiáng)烈的地面運(yùn)動(dòng)而迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，引起地震內(nèi)力和位移，就有可能造成結(jié)構(gòu)破壞和倒塌，因此在地震設(shè)防區(qū)必須對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。,網(wǎng)殼的抗震分析宜分兩階段進(jìn)行。第一階段為多遇地震作用下的分析。網(wǎng)殼在多遇地震作用時(shí)應(yīng)處于彈性階段，因此應(yīng)作彈性時(shí)程分析，根據(jù)求得的內(nèi)力，按荷載組合的規(guī)定進(jìn)行桿件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。第二階段為罕遇地震作用下的分析。網(wǎng)殼在罕遇地震作用下處于彈塑性階段，因此應(yīng)做彈塑性時(shí)程分析，用以校核網(wǎng)殼的位移以及是否會(huì)發(fā)生倒塌。對(duì)網(wǎng)殼抗震分析時(shí)，當(dāng)采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)時(shí)，宜取前20階振型進(jìn)行網(wǎng)殼地震效應(yīng)計(jì)算；對(duì)于體型復(fù)雜或重要的大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。,3）穩(wěn)定性計(jì)算,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是網(wǎng)殼分析設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題，單層網(wǎng)殼和厚度較小的雙層網(wǎng)殼都存在失穩(wěn)的可能性。隨著網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，跨度不斷增大，穩(wěn)定問題顯得更為突出。,影響的主要因素：,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì),對(duì)單層的球面網(wǎng)殼、圓柱面網(wǎng)殼和橢圓拋物面網(wǎng)殼（即雙曲扁殼）以及厚度較小的雙層網(wǎng)殼均應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。,（球面網(wǎng)殼的厚度為跨度（平面直徑）的1/301/60。圓柱面網(wǎng)殼的厚度為寬度的1/201/50。橢圓拋物面網(wǎng)殼的厚度為短向跨度的1/201/50。）,網(wǎng)殼規(guī)程提供的實(shí)用計(jì)算公式,分析方法：,（單層球面網(wǎng)殼）,特征根分析方法,幾何非線性全過(guò)程分析,雙重非線性全過(guò)程分析,當(dāng)單層球面網(wǎng)殼跨度小于45m，單層柱面網(wǎng)殼寬度小于18m,單層橢圓拋物面網(wǎng)殼跨度小于30m，或?qū)W(wǎng)殼穩(wěn)定性進(jìn)行初步估算時(shí)，其容許承載標(biāo)準(zhǔn)值可按網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ61-2003)第4.3.5條規(guī)定計(jì)算。,3.7.5網(wǎng)殼桿件的設(shè)計(jì)與節(jié)點(diǎn)構(gòu)造,1.網(wǎng)殼桿件的材料和截面形式與網(wǎng)架一樣，主要有鋼和鋼，截面為圓管、由兩個(gè)等肢角鋼組成的T型、兩個(gè)不等肢角鋼組成的T型、單角鋼、H型鋼，方管和矩形管等。網(wǎng)殼桿件的計(jì)算長(zhǎng)度和容許長(zhǎng)細(xì)比可按下表取用。,表1雙層網(wǎng)殼桿件的計(jì)算長(zhǎng)度,表2單層網(wǎng)殼桿件的計(jì)算長(zhǎng)度,表3網(wǎng)殼桿件的容許長(zhǎng)細(xì)比,2.桿件設(shè)計(jì),網(wǎng)殼的內(nèi)力分析以后，可以根據(jù)桿件所受的最不利內(nèi)力進(jìn)行桿件截面設(shè)計(jì)。網(wǎng)殼桿件的受力一般有兩種狀態(tài)：一種為軸心受力；另一種為拉彎或壓彎。,當(dāng)網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型為鉸接且荷載都作用于節(jié)點(diǎn)時(shí)，桿件只承受軸向拉力或軸向壓力。此時(shí)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件截面設(shè)計(jì)同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件設(shè)計(jì)。,當(dāng)網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型為剛接時(shí)，網(wǎng)殼的桿件除承受軸力外，還承受彎矩作用。此時(shí)應(yīng)按拉彎桿件或壓彎桿件設(shè)計(jì)。,網(wǎng)殼一般不宜直接在桿件上加載，應(yīng)將荷載直接作用在節(jié)點(diǎn)上，否則將使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變的復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)殼的穩(wěn)定性十分不利。,3.3.5網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與設(shè)計(jì),當(dāng)網(wǎng)殼的桿件采用圓管時(shí)，鉸接節(jié)點(diǎn)一般采用螺栓球節(jié)點(diǎn)，剛接節(jié)點(diǎn)一般采用焊接空心球節(jié)點(diǎn)。當(dāng)相交桿件不多時(shí)，剛接節(jié)點(diǎn)也可采用直接匯交節(jié)點(diǎn)。當(dāng)桿件采用角鋼組成的截面時(shí)，一般采用鋼板節(jié)點(diǎn)。,1）內(nèi)部節(jié)點(diǎn),網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)主要有焊接空心球節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)和嵌入式節(jié)點(diǎn)等，其中用得最廣泛的是前兩種。對(duì)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的螺栓球節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)完全相同。焊接空心球當(dāng)直徑為120900mm時(shí)，其受壓和受拉承載力設(shè)計(jì)值可統(tǒng)一按以下公式計(jì)算：,對(duì)于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，空心球承受壓彎或拉彎的承載力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：,2）支座節(jié)點(diǎn),網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)保證傳力可靠、連接簡(jiǎn)單，并應(yīng)符合計(jì)算假定。通常支座節(jié)點(diǎn)的形式有固定鉸支座、彈性支座、剛性支座以及可以沿指定方向產(chǎn)生線位移的滾軸鉸支座等。,固定鉸支座,適用于僅要求傳遞軸向力與剪力的單層或雙層網(wǎng)殼的支座節(jié)點(diǎn)。,球鉸支座,弧形鉸支座,適用于大跨度或點(diǎn)支承網(wǎng)殼,適用于較大跨度、落地的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)