网壳结构抗震设计方法探讨

【摘要】众所周知，网壳结构的应用日益广泛。目前有关网壳结构的静力稳定问题已经得到系统解决，而针对其抗震性能的研究还不够，网壳结构抗震性能不同于传统多高层结构和网架结构形式，因此,如何对大跨空间结构进行抗震设计，是工程实践中急待解决的问题，本文在大量数值分析的基础上,针对网壳结构地震作用下的响应规律进行系统研究，在理论分析和试验研究的基础上，总结网壳结构的倒塌及破坏机理，提出网壳结构动力破坏新概念以及适用于网壳结构的抗震设计方法。

【关键字】网壳结构，抗震，设计方法

中图分类号：U452.2+8 文献标识码：A 文章编号：

前言

地震是一种破坏性极大的突发性自然灾害，能够造成人员伤亡和社会物质财富的巨大损失，对社会生活和地区经济发展有着广泛而深远的影响。为减轻地震所造成的生命与财产损失，人类与之进行了长期不懈的斗争，虽然科学技术和工程技术的突飞猛进，地震工程的理论和实践得到了很大发展，但是，就近20余年来说，全球发生的许多大地震，仍然造成大量严重的工程破坏和惨重的生命财产损失。例如1976年我国的唐山地震、1994年美国的Northridge地震、1995年日本的阪神地震及1999年台湾的集集地震。随着城市现代化和经济的高度发展，地震所造成的损失，平均每几十年翻一番。因此，了解地震灾害的特点，采取正确的对策，方能保证防震减灾收到实效。鉴于地震预报和地震转移分散均不能很好的实现，因此，工程抗震成为目前最有效、’最根本的措施，建筑结构的抗震设计也成为当前最被关注的课题之一。

常见的建筑结构防震措施

目前，用于建筑结构防御地震的措施主要有:传统的抗震设计、结构控制理论(如减震、隔震等)。传统的抗震设计是适当增加结构的刚度，以抵抗地震作用，或合理布置结构的刚度，使结构部件在地震时不同步地进入非弹性状态，具有较大的延性，消耗地震能量。上述方法存在以下缺陷:

安全性难以保证。当突发地震超出设防烈度时，房屋会严重破坏

适应性有限制。当地震发生时，虽然结构本身的破坏可以控制，但是房屋内的重要设备可能会遭到破坏

经济性欠佳。它通过增大构件断面，加大配筋来抵抗地震。断面越大，刚度越大，地震作用也越大，所需断面及配筋也越大。如此恶性循环，大大提高了建筑造价，并且随着设防烈度的提高，造价也急剧增加，通过增加结构刚度来抵御地震作用，其材料用量大，不经济。一种主动的抗震策略是对结构施加控制系统，由控制系统和结构共同抵御地震作用，尽可能减轻对结构自身的损伤。这种主动策略也就是结构振动控制对于网壳结构进行振动控制是保证结构安全、减小地展灾容损失的一种重要途径。

三．网壳结构的广泛应用

网壳结构是一种曲面形结构，是大跨度空间结构中一种举足轻重的主要结构形式。网壳结构具有一系列突出的优点，大体可以归纳如下：

1、网壳结构兼有杆系结构和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理。

2、网壳结构的刚度大、跨越能力强，在跨度超过100m的结构中仍有大量的应用。

3、网壳结构可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制；而且现场安装简便，不需要大型的机具设备，因而综合技术经济指标较好。

4、网壳结构的设计分析可以借助于通用有限元计算程序和计算机辅助设计软件，不会有多大难度。

5、网壳结构造型丰富多彩，不论是建筑平面，还是空间曲面外形，都可以根据创作要求任意选取。正是因为以上这些优点，近几十年来，网壳结构在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、干煤棚等公共建筑中得到了广泛应用，尤其是近十年，我国的网壳结构向着跨度更大、体系更复杂、设备更昂贵的方向发展，这些建筑结构新颖、规模宏大，往往成为一个城市或国家的标志性建筑，并为世人瞩目。

四．网壳结构的特点

经以上网壳自振特性分析可知，与一般传统结构动力特征不同，网壳结构频率与振型具有以下特点:

1、网壳结构自振频率密集

单层球面网壳、柱面网壳的自振频率均非常密集，单层球面网壳还有数个周期相同的振型，这是由于结构有多个对称轴所致。由于频率密集，在网壳地震响应计算时应考虑各振型间的相关性。在用振型分解反应谱法进行动力分析时，若仍采用平方开方公式进行振型祸合则导致误差较大。

2、网壳以水平振型为主，第一振型一般为水平振型

网壳振型呈现水平振型与竖向振型参差出现，水平振型较多，一般网壳结构第一振型均为水平振型。这是由于网壳结构起拱后，其竖向刚度增大而水平刚度减弱的缘故。

3、地震响应贡献较大的振型出现较晚

一般框架动力计算可选前几个振型效应进行组合，即可满足使用精确度。而经过对网壳振型分析，网壳结构第一振型均为反对称振型，对地震响应贡献较大的对称振型出现较晚，所以采用振型分解法计算网壳地震响应时，不能仅取前几个振型，至少应选取前20阶振型进行组合，否则计算结果不安全。对复杂大跨度网壳，还需取超过20个振型响应进行组合。

五．网壳结构的形式与分类

油罐罐顶网壳招标有两种结构，分别为三角形结构和子午线结构。为了便于更好地选择满足现场及工期需要的投标单位，现对两种结构网壳进行如下比。

1、两种结构特点

（一）子午线式网壳结构

（1）工艺特点

子午线网壳主体由球面上分别以x轴及以z轴为旋转轴的两组子午线相交而成。网壳杆件全部采用不等边角钢。两组子午线网杆间采用搭接，搭接面采用连续满角焊；单根子午线的连接采用对接，须保证对接接头全焊透和全熔合以保证焊接质量。锥板是网壳的沿边构件，采用加厚钢板与罐壁顶板成20～30。角度焊接，将罐壁与罐顶连成整体。每道网杆的两端采用垫板及连接板将网杆与罐壁及边环梁连成一体；连接件采用钢板组焊而成。结构形式如图1所示。

图1：子午线网壳结构形式

（2）边节点及上、下网杆安装

照给出的各边节点的弧长值，在罐壁上作各边节点垂线长度为500mm，再用水准仪找出X、z轴水平基准面，与等分垂线交成十字线，十字中点就是连接件的交点位置，然后分别将A、B、C、D各连接件按编号点焊在位置上，同时检查通过中心的两只连接件是否完全一样。

拼接X方向的第一根长网杆，且按焊接要求焊接完成。

装X方向的第一根网杆着落在中间n根支撑杆上，测量各节点的Y值应为该节点的Y+DY值，差值允许±8ram，n根都测量合格后，网杆两端再边节点与罐壁板分段焊接。

然后分别x方向第二根、第三根以z轴为对称，两边安装；然后安装Z轴方向的第一根长网杆，节点1与X方向的长网杆节点l重合，依次的节点位置必须重合点焊固定，两端点也与边节点连接件点焊固定，分别用同样的方法，以X轴线为对称轴线两边对称安装点焊。

（二）三角形式网壳结构

（1）结构特点

三角形式网壳结构由长度相同的网杆承插组成三角形，三角形之间同样采用承插形式连接，网杆材料采用工字／槽钢等结构型钢，安装时从外向里逐罔进行安装，组装完毕后将最外侧与边梁连接进行焊接固定。结构形式如图2所示。

图2：三角形网壳结构形式

（2）现场安装

组装工作在搭建的脚手架上进行，脚手架必须牢固可靠，即保证安全，又要便于组装操作。由于节点种类多，为便于安装定位，按安装标记线组装。安装标记线是所在节点的球面切线，

此线垂直于顶部节点与该节点的连线，并指向所在1／6区域对称线，以此来确定毂形件的安装方位。网壳杆件的组顺序，由下而上，对称进行。局部超前不得多余一圈。三人为一组，分成三组。对称由下而上。注意边节点找正，根据图纸要求确定网壳直径及中心点，分六个区，首先确定的五个点，然后确定六区之间的中界点，最终确定一个区域P点。这时可根据第一圈杆件验证其点的位置。

六、两种网壳结构的防腐施工比较

1、子午线式结构网壳：网杆在安装过程中采用焊接方式连接，对防腐层的损害很大，因此一般在预制过程中不对网杆进行防腐处理，而是在网壳施工完后整体进行防腐。这种施工防腐给储罐施工增加了施工工序，且防腐施工难度较大。

2、三角形式结构网壳：网杆在预制完后立即进行防腐处理，到施工现场后只进行组装即可，然后对局部防腐层破坏位置进行补防处理，这种方式要求在运输过程中加强对防腐层的保护，对供货商的运输包装应提出要求。

七、网壳结构下的地震强度的变形验算

根据基于性能抗震设计思想，常遇地震作用下可对结构进行强度验算，而强震作用下应对结构进行多级性能水准的变形验算和性能评估。

1、常遇地震作用下的强度验算

鉴于地震内力系数法具有多方面优势，常遇地震作用下的强度验算可采用这种方法，但需要在原有基础上完善地震内力系数定义，考虑杆件的弯曲效应，具体计算公式如下：

截面验算时，取同类杆件中组合应力最大的杆件，乘相应的地震内力系数，即为地震荷载对杆件应力的放大值，加上静应力值，便可验算该类截面应力是否满足要求。改进的地震内力系数法，比振型分解反应谱法和时程分析法简便，可简化复杂计算，易于为工程设计人员接受。目前已有文献在大量参数分析基础上给出该方法定义的地震内力系数建议取值，可供常规网壳结构抗震设计参考使用。

2、罕遇地震作用下的变形验算

罕遇地震作用下网壳结构的抗震验算是网壳结构抗震设计的关键问题。研究表明，将动力强度破坏和动力失稳破坏两种失效模式建立在统一的动力破坏框架内，确定网壳结构的动力极限荷载及各级性能水准的量化验算指标是完全可行的。因此，设计时设计人员可参网壳结构进行全过程非线性动力响应分析，通过逐渐增大地震输入的烈度深入考察其在强震作用下的位移、能量、塑性发展程度等响应情况，确定对应不同性能水准的各项响应值，正确评估结构强震作用下的响应和损伤情况，判断其是否满足业主所期望的强度、刚度、延性等性能，并加以适当调整，最终达到设计目标。

基于对网壳结构弹塑性地震响应规律的理解，我们还可以通过有目的性的调整结构刚度分布，引导和控制这种高次超静定结构在地震作用下实现延性破坏机制，有效保证和达到结构抗震设防目标，使设计更为经济合理。综上所述，采用基于性能抗震设计思想，网壳结构抗震设计应遵循图1中的基本过程。

图3：网壳结构设计图

八．网壳结构基于性能抗震设计研究意义

基于性能的设计思想和投资一效益准则虽然已得到专家学者的广泛关注，并进行了大量的研究，但由于网壳结构的失效机理与其它结构差异很大，结构全寿命总费用计算和结构优化设计的方法都不尽相同，因此有必要结合网壳结构的具体特点进行深入研究。将基于性能的设计理论引入到网壳结构领域，可以深化网壳结构的设计理论，为网壳结构的抗震和抗风研究提供技术支持，为网壳结构的优化设计提供方法，为网壳结构的性能评估提供手段，以实现网壳结构更加科学合理的设计打下坚实的基础。将基于性能的设计思想引入到网壳结构的设计研究中，按基于性能的设计思想，对网壳结构进行系统的研究，建立科学合理的设计方法，研究出具体的设计方法和适用程序，将对社会生产提供良好的技术支持，取得巨大的经济与社会效益。

结束语

综上所述，子午线结构网壳施工工序相对较多，不利于变形控制，且网杆在长途运输过程中容易造成变形，且工期长，工人数量和工种比较多，因此本工程中采用三角形网壳的结构形式。通过详细介绍和对比两种网壳结构形式，向大家推荐在网壳选型时，采用三角形网壳的结构形式，特别是铝合金三角形网壳，即减轻重量，节省工期，又相对变形小，运输方便。

基于性能抗震设计研究的关键内容是对应多级性能水准的结构计算分析方法及性能水准的定性和定量描述。因此，今后需要通过试验和大量理论分析，改进不同阶段的结构计算分析方法，使其更为合理、简便；逐步完善网壳结构动力破坏准则，确定不同结构形式所对应的各级水准的量化性能标准；更为准确地评价结构性能和强震作用下的安全程度，实现网壳结构基于性能的抗震设计目标。

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