淺談網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的區(qū)別與聯(lián)系

1、淺談網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的區(qū)別與聯(lián)系陳露（東南大學(xué)09級(jí)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)1班） 摘 要：空間結(jié)構(gòu)以前輕巧的外形及合理的受力受到了廣泛運(yùn)用，本文對(duì)兩種主要的空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)作了一些簡(jiǎn)單的比較，通過對(duì)組成、內(nèi)力、動(dòng)力下的特點(diǎn)等方面的比較，加深對(duì)網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，希望對(duì)網(wǎng)架與網(wǎng)殼的研究、分析與設(shè)計(jì)有所幫助。 關(guān)鍵字：網(wǎng)架 網(wǎng)殼 比較 目前，大跨空間結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速，空間結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的建筑外形和良好的受力性能被廣泛運(yùn)用于工程實(shí)踐中。網(wǎng)架與網(wǎng)殼是空間結(jié)構(gòu)的主要形式，他們有許多類似的地方，同時(shí)又有各自的特點(diǎn)。(前言)1.網(wǎng)架與網(wǎng)殼的定義 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是由很多桿件通過節(jié)點(diǎn)，按照規(guī)律的幾何圖形組成的空間結(jié)構(gòu)。

2、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，雙層或多層平板形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)稱為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，而曲面形網(wǎng)格稱為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)都屬于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)范疇，結(jié)構(gòu)形式較為新穎，桿件的布置形式都具有很強(qiáng)的規(guī)律性。2.網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的組成與連接網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形似一塊大板，一般分為平行桁架系網(wǎng)架、四角錐體系網(wǎng)架、三角錐體系網(wǎng)架、混合型三層網(wǎng)架等；網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為空間曲面形式，分為單層和雙層網(wǎng)殼兩種，單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)依靠單層桿件找形，雙層網(wǎng)殼依靠上弦桿件找形，腹桿和下弦桿可按相應(yīng)的平面桁架體系、四角錐體系或三角錐體系。根據(jù)其組成可以判斷，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)允許采用鉸接或剛接形式，而單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，桿件之間的節(jié)點(diǎn)只允許采用剛接，否則將使單層網(wǎng)殼形成機(jī)構(gòu)

3、?？臻g鉸接桿系的一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，在網(wǎng)架為幾何不變的前提下，可用下式判斷整個(gè)結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)。W=3J-B-S (1)J網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)數(shù)B網(wǎng)架的桿件數(shù)S支座約束數(shù)假設(shè)某雙層正交正放網(wǎng)架上弦的網(wǎng)格數(shù)為N×N，下弦網(wǎng)格數(shù)為(N-1)×(N-1),則節(jié)點(diǎn)數(shù)為2N2+2N+1,網(wǎng)架桿件數(shù)為8N2，W=-2N2+6N+3-S。對(duì)于大跨結(jié)構(gòu)，一般情況下N較大，設(shè)N=10,且上弦點(diǎn)支承,約束數(shù)為S=4N，則W=-177.超靜定次數(shù)為177.可見，網(wǎng)架和雙層鉸節(jié)點(diǎn)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的冗余度較大，具有較高的安全儲(chǔ)備。3.網(wǎng)架與網(wǎng)殼的內(nèi)力網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)均為一種空間桿系結(jié)構(gòu)，具有三維受力特點(diǎn)，能承受各

4、方向的作用，空間整體性比較好。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件及鉸接二層網(wǎng)殼的桿件均為二力桿；單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件需做成剛接，能夠傳遞彎矩。平板網(wǎng)架對(duì)支座無水平推力或是拉力，而網(wǎng)殼一般不同，網(wǎng)殼需要較大的邊緣構(gòu)件來約束它。網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受溫度作用產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)支座約束類型比較敏感，約束數(shù)越多、越強(qiáng)，溫度應(yīng)力就越大。在豎向荷載作用下，網(wǎng)架的上下弦桿在跨中內(nèi)力較大，支座處的弦桿內(nèi)力相對(duì)小些，支座處的腹桿內(nèi)力較大，跨中腹桿內(nèi)力較小，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以采用簡(jiǎn)化計(jì)算公式估算內(nèi)力，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于曲面形式多樣，內(nèi)力分布與曲面形狀相關(guān)，沒有統(tǒng)一的近似計(jì)算公式。4.網(wǎng)架與網(wǎng)殼的內(nèi)力分析方法網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和雙層鉸接網(wǎng)殼計(jì)算一般采用空間桁架位移法，假

5、定節(jié)點(diǎn)為鉸接、桿件只承受軸力，服從小變形及線彈性理論，且網(wǎng)架只承受節(jié)點(diǎn)荷載；而對(duì)于剛接的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，宜采用空間剛架位移法，假定梁?jiǎn)卧獮榈冉孛骐p軸對(duì)稱直桿、變形后梁截面仍為平面，同時(shí)服從小變形及線彈性理論。在空間桁架位移法計(jì)算過程中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的單剛矩陣的建立有所區(qū)別。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，單剛矩陣沒有考慮桿件伸的影響，桿長(zhǎng)取為原長(zhǎng)，局部坐標(biāo)系下直接建立單剛矩陣： (2)再轉(zhuǎn)換到整體坐標(biāo)系下的單剛矩陣。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般考慮網(wǎng)殼變形對(duì)網(wǎng)殼內(nèi)力的影響，網(wǎng)殼的平衡方程建立在變形后的位置上。所以，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的單元切線剛度矩矩陣建立在整體坐標(biāo)系下： (3)單元切線剛度矩陣單元線彈性剛度矩陣單元幾何剛度矩陣單元的初位

6、移矩陣然后，建立整體坐標(biāo)下的總剛矩陣，根據(jù)外荷載、邊界條件求解方程組，得到位移，再計(jì)算桿件內(nèi)力。5.網(wǎng)架與網(wǎng)殼的地震動(dòng)特性網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的頻譜非常密集。網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的第一周期隨短向跨度的增大而增大。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的剛度受網(wǎng)架高度影響較大，相應(yīng)地，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的剛度受網(wǎng)殼的厚度影響較大。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，若不帶入下部結(jié)構(gòu)，得到的對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)周期的振型一般都是豎向振型。帶入下部結(jié)構(gòu)計(jì)算后，若柱子抗側(cè)剛度較小，一般首先出現(xiàn)水平振型。而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的振型與矢跨比有關(guān)，矢跨比越小，第一振型越容易出現(xiàn)豎向振型，在工程運(yùn)用中，矢跨比一般都較大，以水平振型為主。對(duì)于一般網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，第一振型對(duì)應(yīng)的圓頻率近似公式采用瑞

7、雷法： (4)網(wǎng)架基頻，Hz重力加速度第一振型i節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)重力荷載代表值，KN第一振型i節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位移,m對(duì)于常用的雙層圓柱面網(wǎng)殼，基頻可按下式估算： (5)圓柱面網(wǎng)殼基頻，Hz圓柱面網(wǎng)殼矢高，m圓柱面網(wǎng)殼波寬，m圓柱面網(wǎng)殼厚度，m圓柱面網(wǎng)殼長(zhǎng)度，m從公式反映出，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基頻直接受自重、荷載，間接受網(wǎng)架剛度的影響；而雙層柱面殼基頻計(jì)算公式只與網(wǎng)殼的幾何參數(shù)相關(guān)。6.網(wǎng)架與網(wǎng)殼的穩(wěn)定性比較網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題不是特別明顯，有相當(dāng)一部分網(wǎng)架的破壞由支座的破壞導(dǎo)致，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定需要特別關(guān)注，工程中的網(wǎng)殼破壞，特別是單層網(wǎng)殼，主要是由殼體的局部失穩(wěn)開始。對(duì)于單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在荷載作用下容易出現(xiàn)局部穩(wěn)定問題

8、，而且其穩(wěn)定受到初始缺陷、非線性、曲面形狀、網(wǎng)殼密度與厚度、結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)剛度、荷載分布邊界條件等因素的影響，較為復(fù)雜。7.網(wǎng)架與網(wǎng)殼的構(gòu)造網(wǎng)架與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)主要對(duì)桿件截面、長(zhǎng)細(xì)比，一般節(jié)點(diǎn)的形式和支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提出了要求。節(jié)點(diǎn)應(yīng)該形式簡(jiǎn)單，傳力可靠。在網(wǎng)架與網(wǎng)殼的計(jì)算中，引入了許多假定，構(gòu)造設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量滿足這些假定。例如對(duì)于鉸接節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)架與網(wǎng)殼的桿件不能太短，桿件越短，對(duì)假定的偏離就越大；也不能太長(zhǎng)，長(zhǎng)細(xì)比過大，桿件就容易失穩(wěn)。對(duì)于剛接節(jié)點(diǎn)，8.總結(jié)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)都屬于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其理論水平已近成熟，近年來發(fā)展迅速。它們有很多相似的地方，但又由于形態(tài)與組成上的差別，使得其在受力特性、內(nèi)力分析方法、地震動(dòng)特性等方面出現(xiàn)了一些差異。在進(jìn)行分析時(shí)