网格壳屋面
网状的壳体结构
网格壳屋面简称网壳结构,网壳结构即为网状的壳体结构,是格构化的壳体,或者说是曲面状的网架结构。
内容简介
网壳结构即为网状的壳体结构,是格构化的壳体,或者说是曲面状的网架结构。20世纪中叶,欧美人工费剧增,壳体施工需要的模板与脚手架费料、费工,其应用受到了影响。此时适逢焊接技术趋于完善,高强钢材不断出现,计算机技术突飞猛进发展,给网壳准备了物质基础;更为重要的是网壳结构具有其非凡的优越性,因而得到了迅猛的发展。网壳结构多用于大跨度建筑物,已经成为大跨度结构中应用普遍的结构形式之一。
网壳结构的杆件主要承受轴力,结构内力分布比较均匀,可以充分发挥材料的强度;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;网壳结构中网格的杆件可以用直杆代替曲杆,具有与薄壳结构相似的良好力学性能,又便于工厂制造和现场安装。
分类
网壳分为筒网壳、球网壳、扭网壳等。
筒网壳
外形是圆柱面筒形,又称柱面网壳。它覆盖的平面为矩形,其整体的抗衡与传递外荷的方式与筒壳类似。短筒壳以拱式受压为主,长筒壳以梁式受弯为主,在其壳板曲面内,内力的大小和方向是随筒壳的长短边比例而变化的。简网壳则不然,由于把壳板镂空做成了格构式网格,网肋的受力方向就固定为网肋的轴线方向,不论筒网壳的长短边如何变化,网肋的受力方向不变,仅改变其量值大小。按传荷方式的不同,筒网壳可分为两类:一类是拱式受压的筒网壳,类似于短筒壳;另一类是梁式受弯的筒网壳,类似于长筒壳。
拱式筒网壳的受力特征是以受压为主的平面拱,作为单向抗衡并传递外荷的平面结构,需要解决拱脚推力问题。
梁式筒网壳的受力特征相似于格构化折板壳,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平面内的横向力来抗衡的。若每块平面折板代之以一榀平面桁架,且相邻两桁架的上下弦杆合二为一,就成了梁桁架筒网壳,即梁式筒网壳,其矢高为f=(1/4~1/8)L。
球网壳
球网壳即网穹,分为单层球面网壳和双层球面网壳。网肋布置形式有肋环型、交叉斜杆型、联方型、三向网格型。世界上容纳观众最多的美国新奥尔良“超级穹顶”体育场采用的是球网壳,它是直径为207.3m的圆形平面,馆内设72000个座位。“超级穹顶”的施工采用充气气球作满堂脚手架,在气球顶部开始安装网格,再逐渐向下、向外安装;随球网壳逐渐变大将气球充气,使之逐渐升高,直到安装完毕,最后将气球放气撤除。北京天文馆是一个半圆球网壳,直径为25m,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在一起,采用钢栓夹板连接。
球网壳的关键在于对球面的划分,球面划分的基本要求有两点:①使杆件规格尽可能少,以便制作与装配。②必须是几何不变体系。
网格的形状可以是三角形、菱形或六角形,最好是三角形,因为三角形在平面上是几何不变体系,菱形或六角形在平面上虽然是几何可变体系,但构成球面网壳后,因为是一个双曲面,即使都是几何可变体,也具有很大的刚度。
从数学上可以证明,圆球内接正多面体有正四面体正六面体正八面体正十二面体正二十面体,圆球内接的最大正多面体为正二十面体。根据边长小,正多边形面积小、几何不变性好(最好是三角形)等要求,选用球内最大正多面体——正二十面体是合理的。
扭网壳
反向双曲的扭网壳具有的最大优势是双向直纹。在直纹方向可以毫无阻碍的设置单根肋杆或桁架式网肋,因此能构成双曲扭面。其布置方式有正交正放类、正交斜放类、正交正放设斜杆类、正交斜放设斜杆类。近年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。钢板主要承受薄膜剪力,弯曲应力可忽略不计。这种结构在工业产品上已普遍应用,从20世纪50年代开始应用于建筑屋盖,充分显示出其轻质、高强、经济、合理的优越性。
选型
网壳结构的种类和形式很多,在设计中选择的范围较广,选型影响因素很多,既要考虑使用功能、美学、空间的特点,又要考虑结构跨度大小、刚度要求、平面形状、支承条件、制作安装和技术经济指标等因素,因此,应根据工程的实际情况,通过技术经济比较,合理确定网壳的结构形式。
(1)网壳设计特别是高、大跨网壳设计,应与建筑师密切配合,在满足建筑使用功能的前提下,使网壳与周围环境相协调,整体比例适当。
(2)网壳适用于各种形状的建筑平面。如为圆形平面,可选用球面网壳、组合柱面或组合双曲抛物面网壳等。如平面为方形或矩形,可选用柱面、双曲抛物面和双曲扁网壳。
(3)单层网壳构造简单。重量轻,但由于稳定性差,适用于中小跨度的屋盖。对于跨度较大(一般40 m以上)时,往往采用双层网壳。
(4)为使网壳结构的刚度选取恰当,受力比较合理,网壳的平面尺寸、矢高大小、双层网壳的厚度及单层网壳的跨度。根据国内外的工程实际经验,给出网壳结构几何尺寸选用范围,以供工程设计中参照应用。
(5)网壳结构除竖向反力外.通常有较大的水平反力.应在网壳边界设置边缘构件来承受这些反力。
(6)小跨度的球面网壳的网格布置可采用肋环型,大跨度的球面网壳宜采用能形成三角形网格的各种网格类型。小跨度圆柱面网壳的网格布置可采用联方网格型,大中跨度圆柱面网壳采用能形成三角形网格的各种网格类型。双曲扁网壳和扭网壳的网格选型可参照圆柱面网壳的网格选型。
参考资料
最新修订时间:2023-03-29 19:07
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