粘滯阻尼器減振系統(tǒng)在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范峰沈世釗哈爾濱

1、第三章網(wǎng) 殼 結(jié) 構(gòu)Reticular Shell,一、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),? 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式多樣，造型美觀,? 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)則是主要承受膜內(nèi)力的殼體，整體受壓為主，桿件受拉壓。,? 一般情況下，同等條件的網(wǎng)殼比網(wǎng)架要 節(jié)約鋼材,優(yōu)點(diǎn),國家大劇院, 211x143m，雙層空腹橢球殼,國家大劇院橢球面,嘉興電廠干煤棚，柱面網(wǎng)殼，跨度103m,存在的不足,桿件和節(jié)點(diǎn)幾何尺寸的偏差以及曲面的偏差對網(wǎng)殼的內(nèi)力和整體穩(wěn)定性的影響較大

2、，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了困難。另外，為減少初始缺陷，對于桿件和節(jié)點(diǎn)的加工精度應(yīng)提出較高的要求，節(jié)點(diǎn)和桿件在空間交匯角度必須計(jì)算準(zhǔn)確，拼裝時(shí)必須精確地測量和控制節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，這給制作加工增加了難度。這些缺點(diǎn)在大跨度網(wǎng)殼中顯得更加突出。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成大空間，但矢高很大時(shí)，增加了屋面面積和不必要的建筑空間，增加了建筑材料和能源的消耗。,二、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的類型,1、網(wǎng)殼的分類,單層網(wǎng)殼,（1）按層數(shù)分類,雙層網(wǎng)殼,高斯曲率,（2）按高斯曲率分類,零高斯曲

3、率的網(wǎng)殼 零高斯曲率是指曲面一個(gè)方向的主曲率為零；而另一個(gè)主曲率為某一數(shù)值，故又稱為單曲網(wǎng)殼。零高斯曲率的網(wǎng)殼有柱面網(wǎng)殼、圓錐形網(wǎng)殼等。正高斯曲率的網(wǎng)殼 正高斯曲率是指曲面的兩個(gè)方向主曲率同號(hào)，均為正或均為負(fù)，即k1·k2＞0。正高斯曲率的網(wǎng)殼有球面網(wǎng)殼、雙曲扁網(wǎng)殼、橢圓拋物面網(wǎng)殼等。負(fù)高斯曲率的網(wǎng)殼 負(fù)高斯曲率是指曲面兩個(gè)主曲率符號(hào)相反，即k1·k2＜0—馬鞍面。負(fù)高斯曲率的網(wǎng)殼有雙曲拋物面

4、網(wǎng)殼、單塊扭網(wǎng)殼等。,零高斯曲率,正高斯曲率,負(fù)高斯曲率,,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)按曲面外形，可以分為球面網(wǎng)殼、雙曲扁網(wǎng)殼（橢圓拋物面網(wǎng)殼） 、柱面網(wǎng)殼、扭面網(wǎng)殼等，下面對其中幾個(gè)主要形式進(jìn)行介紹：,球面網(wǎng)殼,橢圓拋物面,柱面網(wǎng)殼,（3）按曲面外形分類,雙曲扁網(wǎng)殼 矢高f較小。a＞b，a/b≤2，且f ≤1/5，高斯曲率＞0。該網(wǎng)殼適用矩形平面。,,(a) (b)雙曲扁網(wǎng)

5、殼示意圖,扭曲面網(wǎng)殼 扭曲面網(wǎng)殼包括單扭面網(wǎng)殼及雙曲拋物面網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)形式，此外扭面網(wǎng)殼也可以進(jìn)行組合形成扭面組合網(wǎng)殼。 雙曲拋物面網(wǎng)殼沿直紋兩個(gè)方向可以設(shè)置直線桿件。主要形式有： 1）正交正放類。組成網(wǎng)格為正方形，采用單層形式時(shí)，在方格內(nèi)設(shè)斜桿；采用雙層形式時(shí)可組成四角錐體。 2）正交斜放類。桿件沿曲面最大曲率方向設(shè)置，抗剪剛度較弱。如在第三方向全部或局部設(shè)置桿件，可提高它的抗剪剛度。,矩形平面

6、 菱形平面,雙曲拋物面之組合,雙曲拋物面網(wǎng)殼,,,正交正放類雙曲拋物面網(wǎng)殼,正交斜放類雙曲拋物面網(wǎng)殼,,第三方向設(shè)置桿件雙曲拋物面網(wǎng)殼,組合扭網(wǎng)殼,球面與柱面組合網(wǎng)殼,組合網(wǎng)殼,球面切割網(wǎng)殼(三角形),球面切割網(wǎng)殼(六邊形),單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于本身特有的曲面具有較大的剛度，因而有可能做成單層，這是它不同于平板型網(wǎng)架的一個(gè)特點(diǎn)。雙層網(wǎng)殼按鉸接桿系結(jié)構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)線位移來確定支承條件；單層網(wǎng)殼按剛接梁系結(jié)構(gòu)

7、每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)線位移和三個(gè)角位移來確定支承條件。因此，單層網(wǎng)殼支承條件的形式比雙層網(wǎng)殼的要多。,2、球面網(wǎng)殼,肋環(huán)型球面網(wǎng)殼,? 整體剛度差，適用于中、小型網(wǎng)殼,（1）單層網(wǎng)殼根據(jù)網(wǎng)格形式劃分,施威德勒型球面網(wǎng)殼(Schwedler),? 整體剛度好，適用于大、中型網(wǎng)殼,聯(lián)方型球面網(wǎng)殼,? 菱形網(wǎng)格，加環(huán)向桿，適用于大、中型網(wǎng)殼,三向網(wǎng)格球面網(wǎng)殼,? 受力性能好，外形美觀 適用于大、中型網(wǎng)殼,,凱威特型球面網(wǎng)殼（Kiewit

8、t）,? 網(wǎng)格大小勻稱，內(nèi)力分布均勻，適用于大、中型網(wǎng)殼,K8型,K6型,短程線型球面網(wǎng)殼,? 球內(nèi)接多面體網(wǎng)格，大小勻稱，受力性能好，適用于矢高比較大或超半球形網(wǎng)殼,雙層球面網(wǎng)殼可由交叉桁架體系和三角錐或者四角錐體系組成。,,肋環(huán)型四角錐球面網(wǎng)殼,（2）雙層網(wǎng)殼根據(jù)網(wǎng)格形式劃分,聯(lián)方型四角錐球面網(wǎng)殼,雙層球面網(wǎng)殼的形式,聯(lián)方型三角錐球面網(wǎng)殼,雙層球面網(wǎng)殼的形式,雙層球面網(wǎng)殼的形式,? 只要將單層網(wǎng)殼中每個(gè)桿件，用平面網(wǎng)片來代替，即

9、可形成雙層球面網(wǎng)殼，網(wǎng)片豎桿是各桿共用，方向通過球心,交叉桁架體系,柱面網(wǎng)殼是目前國內(nèi)常用的形式。它分為單層和雙層兩類，現(xiàn)按網(wǎng)格劃分方法分述它們的形式。（1）單層柱面網(wǎng)殼 單層柱面網(wǎng)殼按網(wǎng)格形式劃分有：單斜桿柱面網(wǎng)殼 首先沿曲線劃分等弧長，通過曲線等分點(diǎn)作平行縱向直線。再將直線等分，作平行于曲線的橫線，形成方格，對每個(gè)方格加斜桿，即單斜桿型。該類柱殼桿件數(shù)量少，連接易處理，但是剛度較差。適用于跨度小、輕質(zhì)屋面結(jié)構(gòu)。

10、,3、柱面網(wǎng)殼的網(wǎng)格劃分,,,單斜桿柱面網(wǎng)殼,將斜桿布置成人字形，也被稱為人字形柱面網(wǎng)殼,,,弗普爾型柱面網(wǎng)殼,每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)設(shè)有交叉斜桿，可以有效提高網(wǎng)殼的整體剛度。,,,雙斜桿型柱面網(wǎng)殼,雙斜桿型柱面網(wǎng)殼,所形成菱形網(wǎng)格，應(yīng)控制每個(gè)桿件夾角為30°~ 50°之間。聯(lián)方網(wǎng)格型桿件長度統(tǒng)一，連接方便，剛度差。,,,聯(lián)方網(wǎng)格型柱面網(wǎng)殼,聯(lián)方網(wǎng)格型柱面網(wǎng)殼,該類網(wǎng)格的形成可以看成基于聯(lián)方網(wǎng)格基礎(chǔ)上增加縱向桿件，均形成三角形網(wǎng)

11、格，如圖所示。該類網(wǎng)格剛度最好，桿件種類較少，經(jīng)濟(jì)合理。,,三向網(wǎng)格型柱面網(wǎng)殼,三向網(wǎng)格型柱面網(wǎng)殼,雙層柱面網(wǎng)殼形式很多，主要由交叉桁架體系和四角錐體系組成。,單層柱面網(wǎng)殼形式都可成為交叉桁架體系的雙層柱面網(wǎng)殼從桁架的擺放形式可以分為正放桁架和斜放桁架體系，分別如圖所示。,（2）雙層柱面網(wǎng)殼,交叉桁架體系,正放桁架,,斜放桁架,四角錐體系在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中共有六種，這幾種類型是否都可應(yīng)用于雙層網(wǎng)殼中，應(yīng)從受力合理性角度分析。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力比較明

12、確，對周邊支承網(wǎng)架，上弦桿總是受壓，下弦桿總是受拉，而雙層網(wǎng)殼的上層桿和下層桿都可能出現(xiàn)受壓。因此，對于上弦桿短、下弦桿長的這種類型網(wǎng)架形式，在雙層柱面網(wǎng)殼中，并不一定適用。,四角錐體系,正放四角錐柱面網(wǎng)殼,,,斜放四角錐柱面網(wǎng)殼,,抽空正放四角錐柱面網(wǎng)殼,,斜置正放四角錐柱面網(wǎng)殼,,三角錐體系,,抽空正放三角錐柱面網(wǎng)殼 抽空正放三角錐柱面網(wǎng)殼,三、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),單層網(wǎng)殼是剛接桿件體系，必須采用剛性節(jié)點(diǎn)，雙層網(wǎng)殼是鉸接桿件體系

13、，可采用鉸接節(jié)點(diǎn)。 鉸接模型—位移偏大，軸力偏大，可考慮幾何非線性。 以軸力和豎向位移為主，荷載沿殼面?zhèn)鬟f，彎曲作用較小，桿件以受壓為主，矢跨比是主要影響因素，大矢跨比位移小，軸力小。 剛接模型—彈性、彈塑性、線性、非線性；節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算繁瑣，通用程序輸入復(fù)雜，前后處理工作量大。,1、計(jì)算模型,2、網(wǎng)殼的主要尺寸,各類雙層網(wǎng)殼厚度的取值，當(dāng)跨度較小時(shí)可取跨度的1/20。當(dāng)跨度較大時(shí)可取1/50。厚度是指網(wǎng)殼上下弦形心之間的距離。網(wǎng)殼

14、結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格在構(gòu)造上可采用以下尺寸，當(dāng)跨度小于50m時(shí)，1.5～3.0m；當(dāng)跨度為50～100m時(shí)，2.5～3.5m；當(dāng)跨度大于100m時(shí)，3.0～4.5m，網(wǎng)殼相鄰桿件間的夾角宜大于30°。,3、基本荷載,1）自重（程序自動(dòng)計(jì)算）,永久荷載,2）屋面板/樓面板（包括連接檁條）,3）吊頂材料自重,4）懸掛設(shè)備、管道等自重,1） 屋面活荷（一般不上人屋面，0.5kN/m2）,可變荷載,2） 雪荷載（不與活荷同時(shí)考慮）,3） 風(fēng)荷載

15、,4） 積灰荷載,5） 吊車荷載,6） 溫度作用,7） 地震作用,4、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)溫度作用,? 網(wǎng)殼是超靜定結(jié)構(gòu)，在均勻溫度場變化作用下，由于桿件不能自由熱脹冷縮，桿件內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為網(wǎng)殼的溫度應(yīng)力。溫度場變化范圍是指施工安裝完畢（網(wǎng)殼支座與下部結(jié)構(gòu)連接固定牢固）時(shí)的氣溫與當(dāng)?shù)爻Ｄ曜罡呋蜃畹蜌鉁刂?。它的?jì)算方法有采用空間桁架位移法的精確分析法,? 可以考慮調(diào)整支座類型來考慮釋放溫度應(yīng)力,5、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震作用,? 地

16、震發(fā)生時(shí)，由于強(qiáng)烈的地面運(yùn)動(dòng)而迫使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，受迫振動(dòng)的網(wǎng)殼，其慣性作用一般來說是不容忽視的。正是這個(gè)由地震引起的慣性作用使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的地震內(nèi)力和位移，從而有可能造成結(jié)構(gòu)破壞或倒塌，或者失去結(jié)構(gòu)工作能力。因此在地震設(shè)防區(qū)必須對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算。,? 采用時(shí)程分析法和振型分解反應(yīng)譜法求解，按兩階 段進(jìn)行設(shè)計(jì),振型分解反應(yīng)譜法， 3n個(gè)振型，第j振型 {Xj1, Yj1, Zj1，… Xjn, Yjn, Zjn}

17、 第j振型參與系數(shù)：,6、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)裝配應(yīng)力,? 由于網(wǎng)殼對裝配應(yīng)力極為敏感，一般都通過提高制作精度、選擇合適安裝方法和控制安裝精度使網(wǎng)殼的節(jié)點(diǎn)和桿件都能較好地就位，裝配應(yīng)力就可減少到可以不予考慮。,? 裝配應(yīng)力往往是在安裝過程中由于制作和安裝等原因，使節(jié)點(diǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)坐標(biāo)位置，造成部分節(jié)點(diǎn)間的距離大于或小于桿件的長度。在采用強(qiáng)迫就位使稈件與節(jié)點(diǎn)連接的過程中就產(chǎn)生了裝配應(yīng)力。,? 當(dāng)需要計(jì)算裝配應(yīng)力時(shí)，也應(yīng)采用空間桿系有限單元法，采用

18、的基本原理與計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)相仿，即把桿件長度的誤差比擬為由溫度伸長或縮短即可。,7、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算,? 網(wǎng)殼失穩(wěn)現(xiàn)象的分類：整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn),? 整體失穩(wěn)是幾乎整個(gè)結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)偏離平衡位置而 發(fā)生很大幾何變位的一種失穩(wěn)現(xiàn)象,? 單根桿件失穩(wěn)是網(wǎng)殼中經(jīng)常發(fā)生的局部失穩(wěn)現(xiàn)象， 點(diǎn)失穩(wěn)則是另一種局部失穩(wěn)現(xiàn)象。網(wǎng)殼的整體失穩(wěn) 往往是從局部失穩(wěn)開始并逐漸形成的,? 結(jié)構(gòu)的初始缺陷包括：結(jié)構(gòu)外形的幾何偏差、桿件

19、的初彎曲、節(jié)點(diǎn)的初偏心、桿件的材料缺陷以及桿 件和節(jié)點(diǎn)中的殘余應(yīng)力等等。由于網(wǎng)殼是一種缺陷 敏感性結(jié)構(gòu)，初始缺陷的存在將會(huì)明顯地降低網(wǎng)殼 的穩(wěn)定性。,? 影響網(wǎng)殼穩(wěn)定性的因素極其復(fù)雜，除所用材料的 物理特性如彈性模量、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的幾何形體組 成，桿件的截面尺寸、支承條件以及荷載類型外， 還與結(jié)構(gòu)的初始缺陷和對網(wǎng)殼穩(wěn)定性進(jìn)行分析所 采用的方法有關(guān)。,很早以前人們就開始采用線性理論分析網(wǎng)殼的

20、穩(wěn)定性，但是用線性理論求得的臨界荷載都得不到試驗(yàn)的證實(shí)，大大高于試驗(yàn)所得到的臨界荷載。? 隨著非線性理論的發(fā)展，目前非線性理論在網(wǎng)殼穩(wěn)定性分析中得到了廣泛的采用。它不但可以考慮材料非線性而且能夠考慮結(jié)構(gòu)變形的影響，在不斷修正的新的幾何位置上建立平衡方程式，還可以考慮應(yīng)變中高階量的影響和初應(yīng)力對結(jié)構(gòu)剛度的影響。另外在分析中也便于把結(jié)構(gòu)的初始缺陷計(jì)入。因此所得到臨界荷載和失穩(wěn)現(xiàn)象都比較接近試驗(yàn)結(jié)果。,7、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算,? 臨界荷

21、載及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 用非線性理論分析網(wǎng)殼穩(wěn)定性時(shí)，關(guān)鍵是臨界荷載的確定。確定臨界荷載最常用的方法就是取結(jié)構(gòu)剛度矩陣[K]的行列式之值等于零作為確定臨界荷載的準(zhǔn)則。,7、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算,? 這是一個(gè)常用而且可靠的條件，剛度矩陣[K]則應(yīng)包含所有的非線性因素,使det|K|=0時(shí)對應(yīng)的荷載即為臨界荷載 {P}cr。,Dii稱為穩(wěn)定系數(shù)，Dii增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加，Dii減小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，Dii接近于零時(shí)為臨界點(diǎn)，Dii為負(fù)值時(shí)結(jié)構(gòu)失

22、穩(wěn)。跟蹤[D] 矩陣對角元素Dii值。,將切線剛度矩陣[K]分解成三角矩陣：[K]=[L][D][L]T,單層球面網(wǎng)殼,,單層橢圓拋物面網(wǎng)殼，四邊鉸支在剛性橫隔,,?規(guī)范推薦—— 網(wǎng)殼穩(wěn)定容許承載力公式對網(wǎng)殼穩(wěn)定性進(jìn)行初步計(jì)算時(shí)，其容許承載力標(biāo)準(zhǔn)值[nks]可按下列公式計(jì)算。,,單層圓柱面網(wǎng)殼,1）當(dāng)網(wǎng)殼為四邊支承，即兩縱邊固定鉸支（固結(jié)），而兩端鉸支在剛性橫隔上時(shí),,當(dāng)圓柱面網(wǎng)殼的長寬比L/B≤1.2時(shí)，由上式算出的容許承載力尚應(yīng)乘

23、以下列考慮荷載不對稱分布影響的折減系數(shù)μ,,2）當(dāng)網(wǎng)殼僅沿兩縱邊支承時(shí),,,,,,3）當(dāng)網(wǎng)殼為兩端支承時(shí),對于桁架式邊梁，其水平方向和豎向的線剛度,荷載不對稱分布的影響，其折減系數(shù)μ,?等效剛度計(jì)算,,? 網(wǎng)殼是一種缺陷敏感性結(jié)構(gòu)，初始缺陷將明顯地降低網(wǎng)殼的臨界荷載。許多試驗(yàn)和理論分析也證實(shí)結(jié)構(gòu)外形的幾何偏差會(huì)降低臨界荷載30％—40％。由于初始缺陷除了結(jié)構(gòu)外形的幾何偏差以外，還有其他多種類型，這些類型初始缺陷的影響雖不如幾何偏差顯著