网壳结构关键技术问题探讨

庞小龙

摘要：网壳结自重轻、跨度大、造型优美、受力合理等特点，兼具薄壳结构和杆系结构的固有特性，是在国内外城市应用较广泛的一类中、大跨度空间结构。本文基于网壳结构的研究现状，探讨网壳结构在研究与应用中需解决的若干关键技术问题，为后期网壳结构的发展方向提供一些借鉴意见。

关键词：网壳结构；受力特点；计算方法；关键技术问题；

0 引言

网壳结构作为大跨度空间结构的一种主要形式，在体育场馆、会展中心、机场等公共建筑中大量应用。网壳结构由杆件拼接而成，兼具薄壳结构和杆系结构的固有特性，三维空间受力,刚度大，杆件利用率高。网壳结构可塑性较强，可以适应建筑不同造型的需要,实现无柱的开阔大空间。尤其，随着计算分析技术快速发展，结构受力与建筑形体相融合，美与力的结合，相得益彰，使结构更合理，更节省材料。网壳结构对于现代建筑已产生重大影响,甚至成为衡量一个国家建筑科学技术水平的标志之一。

至今，网壳结构技术日渐成熟，国内外优秀代表作品穷出不尽[1]，但关于网壳结构的研究乃有不完善之处，比如计算方法、稳定性、节点连接、温差影响及抗震性能等方面均存有不足。基于目前的研究现状，文中探讨网壳结构在研究与应用中需解决的若干关键技术问题，为后期网壳结构研究方向提供一些借鉴意见。

1 网壳结构的受力特点及结构类型

网壳结构是从薄壳穹顶结构中演变而来，剔除了冗余部分结构，形成一种新型的镂空杆系网格造型。故网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的优点，通过合理的曲面形状设计可均匀三向传递力流，杆件间三维协调受力，内力分布均匀。相比二维结构，网壳受力更合理，跨越能力强，整体稳定性高，更节省材料。

典型的网壳结构型式，比如肋环型、施威德勒型球面网壳、联方型球面网壳、凯威特型球面网壳、三向格子型球面网壳、柱面网壳、双曲抛物面型等，均已在实际工程中得到成功的验证。

但如今，随着各种新奇建筑方案的出现，典型的网壳结构不再适用，然而一些结构也为了迎合建筑造型，建造出了许多畸形结构，构件利用率低，浪费严重。适应建筑外形的变化，做到受力合理、经济节省，是网壳结构面临的挑战。采用形体找形的理论计算方法对建筑体型优化设计，将建筑外形融入到受力骨架设计中，实现力与美的结合，且经济合理，是网壳结构突破性发展的一方向。

2 网壳结构计算方法

网壳结构的计算方法主要是基于杆系有限元分析理论的离散结构法。有限元方法计算理论成熟，可以精确的计算出结构每构件的内力、应力和挠度等响应值，且相关的有限计算软件也是越来越智能化。

由于网壳造型朝复杂化发展，如何实现快速建模、计算、优化是一难题。传统建模方法重复性工作繁琐，每一次建筑方案修改，都会引起结构模型的反复调整，甚至出现颠覆性修改，严重影响了进展。然而，联动参数化建模+有限元计算可有效解决这一难题，比如通过Grasshopper平台与有限元软件SPA2000的联动[2]，在GH中参数化完成建模、材料属性赋值、荷载加载等工作后，可直接调动有限元软件进行计算，并可通过参数化的方式调整、优化结构体系，甚至可编制自动优化算法进行智能优化[3]。这种联动分析提高了效率，更是使结构合理化，有利于空间结构的发展，应加深这方面的研究。

3 网壳结构关键技术问题

3.1 稳定性问题

网壳结构稳定性影响到结构的整体安全性，是网壳设计中的关键点。网壳整体失稳一般是从局部失稳开始并逐渐形成的，影响结构稳定性的因素极为复杂，进而导致稳定性分析的艰难性。可采用荷载-位移全过程曲线来表示网壳结构失稳过程，计算理论采用非线性理论。研究证明，非线性理论考虑了材料非线性、几何非线性初始缺陷的影响，其最终计算的临界荷载和失稳现象都比较接近于试验实测值。

影响网壳稳定性的因素有很多[4]，国内外对各种因素进行了大量的研究，也积累了许多成果:初始缺陷对单层球面网壳结构的稳定性影响重大，需考虑初始变形缺陷因子的影响；在考虑材料非线性、几何非线性后，网壳结构的稳定承载力明显下降，说明必须考虑材料、几何非线性影响；不对称荷载因子对单层球面网壳结构的弹塑性稳定承载力并没有造成显著影响；节点力学假设模型对结构稳定性影响较大。因此，网壳设计中需充分考虑这些因素的影响。

3.2 节点问题

网壳结构中节点为各构件的交汇点，承担各种内力作用，应力复杂且至关重要。网壳结构中应用最广的节点有实心球状节点、空心螺栓节点等。

节点刚度对结构承载力、稳定性、抗震性有着重要影响，正确的节点假设模型，是准确计算结构响应的前提。一般设计中网壳节点均假设为铰接或固接节点，但实际网壳节点多为半钢接[5]。半钢接节点有一定抗弯能力，节点的抗弯刚度可从实验测试或模拟试验中获得。由于一节点连接多杆件，节点应力状态复杂，而节点抗弯刚度是在一定假设条件下测得的，故容易造成简化后的假设条件与实际情况不相符合，从而得到的节点刚度数据不能正确、全面的反映节点特性。对于半刚接节点的计算假设模型研究，需进一步探讨。

3.3温度效应问题

随着跨度增大、屋面透光性增强，大跨空间结构面临着一个很严峻的温度效应问题。超长大跨网壳结构中，温度作用对纵向长度的支座水平反力、杆件轴力影响较大，会降低结构承载力和稳定性，温度作用可能成为控制作用。设置隔震支座是释放结构温度应力一种常用方法。

然而，工程中温度荷载一般当做一种简化等效荷载[6]，没充分考虑其复杂性，对非均匀温度场作用机理不清晰，导致理论计算不能真实反映实际受力。因此，对于温度效应问题，除了要研究降低温差应力影响的应对措施，更应探究温差应力的准确计算方法。

3.4 地震作用问题

网壳结构抗震性能研究尤为重要。网壳结构需要满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震性能目标[7]。以前的抗震方法主要是通过增强结构自身的刚度来抵御地震作用，满足抗震设防目标，但遇到强烈地震时结构的主受力构件容易屈服,造成结构不可恢复的损伤。为了降低结构损伤，需采取减隔震措施，目前主要有下部结构加设阻尼器、设置耗能减震支座、网壳屋盖结构加耗能减震等措施。实际工程已证明以上措施均已取到较好的减震效果，但也有存在着局限性，需要进一步的研究。

网壳结构抗震、隔震的研究存有以下问题：强震下网壳结构的失效机理研究仍欠缺；隔震技术难实现多维隔减震效果；土体—下部结构—网壳的协同工作问题；多维多点地震激励下的分析理论不成熟；网壳结构振动控制的优化分析问题等。以上问题都需要进一步的解决。

4总结

基于网壳结构现有的研究成果基础上，重点解决网壳结构中存在的若干关键技术问题，将会更加丰富网壳结构的技术研究理论，网壳结构设计将更加合理，抗震性能更高，这对于推进大跨空间结构发展具有重要意义。

参考文献：

[1]薛素铎,张毅刚,曹资等.中国空间结构三十年抗震研究的发展和展望[J].工业建筑,2013,43(06):105-116.

[2]朱鸣,王春磊.使用犀牛软件及Grasshopper插件实现双层网壳结构快速建模[J].建筑结构,2012,42(S2):424-427.DOI:10.19701/j.jzjg.2012.s2.092.

[3]施永安. 超椭球大跨空间网壳参数化设计及优化[D].大连理工大学,2018.

[4]丁伟伦,任庆英,贾连光等.吕梁新城体育中心体育场大开孔单层网壳静力稳定性分析[J].建筑结构,2019,49(S1):281-284.DOI:10.19701/j.jzjg.2019.S1.058.

[5][范峰,马会环,马越洋.半刚性节点网壳结构研究进展及关键问题[J].工程力学,2019,36(07):1-7+29.

[6]宝曙光. 超大跨度网壳日照非均匀温度场及其效应数值模拟研究[D].哈尔滨工业大学,2019.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.006614.

[7]聂桂波,刘坤,支旭东等.网壳结构基于性能的抗震设计方法研究[J].土木工程学报,2018,51(S1):8-12+19.DOI:10.15951/j.tmgcxb.2018.s1.002.