网壳结构与下部支承体系协同工作研究综述

王琨

摘要：随着网壳结构的广泛应用，其力学性能的研究日益受到重视。针对目前分析网壳结构所采用方法中存在的不足，本文综合论述了网壳结构与下部支承体系协同工作的研究现状，对需要进一步开展的工作进行了探讨。

关键词：网壳结构；下部支承体系；协同工作；综述

一、引言

随着生活水平的提高，人们需要有最大自由空间及最小内支撑干扰的结构，如体育馆、会展中心、飞机场、工业厂房等来满足社会活动和生产劳动的需求。由于结构形式的限制，一般平面结构，如刚架、桁架、拱等已很难跨越更大的空间来满足飞速发展的社会需求。空间结构具有三维空间形状及三维受力特性，可跨越更大空间，能适应不同建筑造型和功能的要求，正好能满足大跨度建筑结构的要求。

近年来随着计算机技术的飞速发展，空间结构在形体研究的计算方法上有了新的突破，使形体与受力完美结合成为可能。但由于几何形状的独特性和约束条件的不规则，网壳结构需采用三维有限元的分析模型，同时实际设计中计算设计软件等方面存在局限，常常需要将上部网壳屋盖结构与下部支承结构分别计算，对结构杆件内力和节点位移产生影响。在强震作用下，下部支承结构振动将对上部网壳结构的杆件产生较大的地震作用，影响网壳本身的承载能力。

二、研究现状综述

在网壳结构力学计算的初始阶段，为了简化计算，常把上部的网壳结构与下部的支承体系分开考虑，大多以简支或固支边界来模拟网壳结构的支承情况[1-3]，进行独立的力学性能计算。但在进行抗震分析时，地震作用通过地面运动传给支承结构，而后由支承结构传给网壳，支座刚度对于网壳的杆件内力及节点挠度均会产生影响。若不考虑上部网壳与下部支承结构协同工作的影响来进行网壳结构抗震性能的研究，将会与实际情况产生较大的偏差。

近年来，一些研究和设计已经采用弹性支座模型来分析网壳。文献[4]采用弹性支座模型对单层球面网壳的地震反应进行研究，指出支座刚度的改变明显影响网壳地震内力，并建议有下部支承结构时，考虑网壳与支承结构的共同作用。文献[5]提出了考虑网壳结构与下部结构协同工作的简化处理方法，将支承结构简化为弹簧和附加质量，进而考虑下部支承结构的弹性效应和附加惯性效应。建议在进行网壳屋盖设计时，不应孤立地设计网壳，而应整体地考虑网壳在结构体系中的作用及它与下部结构的相互联系。文献[6]结合成都双流机场候机楼屋面大跨度单层柱面网壳，将网壳与顶层支承梁、柱协同计算，对弹性支承的大跨单层柱面网壳结构的稳定性进行了分析，认为对于支承于梁、柱上的单层柱壳的稳定分析和挠度计算必须与下部支承梁柱系统分析才能得到正确结果。文献[7]结合重庆市袁家岗体育中心跳水、游泳馆屋面网壳，探讨了不同支座弹性刚度对网壳内力的影响，认为支座弹性刚度对网壳杆件内力有明显的影响，在采用弹性支座模型分析网壳时支座檀香刚度的确定非常重要，将直接影响网壳设计是否安全、经济。

鉴于上部网壳与下部支承结构协同工作具有重要的工程意义，曹资、张毅刚、薛素铎等人开始对网壳与下部支承组合体系的协同工作性能进行了初步的探索和研究。文献[8]以双层柱面网壳为研究对象，系统地研究了网壳屋盖与下部支承结构共同工作问题。通过对固定铰支座、弹性支座和整体分析模型多个网壳结构计算结果的对比，指出若不考虑支承刚度而按固定铰支承进行分析将使设计存在极大的安全隐患，而按弹性支座网壳模型进行分析，在内力分布规律和内力大小上与整体模型分析都比较接近，论证了以弹性支座模型替代整体分析模型的可行性。文献[9]对框支式竖向网架结构按照整体模型、固定铰支承模型和弹性铰支承模型分别进行了静力、动力特性及水平地震反应的对比分析，指出固定铰支承模型是不安全的，弹性支承模型是适宜的选择。

由于很少把网壳与下部支承体系作为一个整体来进行研究，对于刚网壳与混凝土支承体系不同材料组合体系的阻尼比的计算就成了考虑整体协同工作的空间结构研究发展所要突破的一大难题。近年来，对不同材料组成的组合结构的阻尼比的研究有了巨大突破【8，10,11】。其中位能加权平均法就是一种很好的方法之一，能够简便合理地计算组合结构的阻尼比。对于位能加权平均法的详细算法，可参考文献[8]，此处不再赘述。

三、需要进一步研究的问题

1.在工程设计中，由于计算设计软件等方面的限制，对于大跨网壳结构常常需要将上部网壳屋盖结构与下部支承体系分别计算。下部结构的共同作用改变了网壳杆件受力变化规律，在工程设计中应充分考虑下部结构共同作用对网壳整体的影响。

2.钢-混凝土组合体系阻尼比的计算方法仍不成熟，争论较多，怎样才能统一计算方法，编写相对应的计算程序来方便工程设计人员应用有待进一步探讨。

3.工程设计现有条件下，大多利用弹性支承模型来替代整体模型进行结构内力的相关计算，支承刚度的确定关乎计算结果是否能与整体模型的结果一致。对支承刚度的选择尚需通过大量算例统计分析解决。

参考文献:

[1] 任小强, 孙建恒, 夏亨焘等. 带边桁架

单层柱面异型网壳的静力特性分析[J]. 河北农业大学学报, 2002, 25(3)：96-101.

[2] 徐闻, 孙建恒, 姚洪涛等. 单层柱面正交异型网壳的动力特性研究[J]. 河北农业大学学报, 2005, 28(1): 83-88.

[3] 陈联盟, 赵阳, 董石麟. 单层脊线式叉筒网壳结构性能研究[J]. 浙江大学学报(工学版）, 2004, 38(8): 971-977.

[4] 曹资, 张毅刚. 单层球面网壳地震反应特征分析[J]. 建筑结构, 1998, 7.

[5] 陈应波, 陈明军. 网壳与下部结构协同工作地研究[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2004, 3, 32(3): 49-53.

[6] 郭海山, 沈世钊, 蒋晓莹等. 弹性支承单层柱面网壳稳定性[J]. 空间结构, 2002, (02).

[7] 冯远, 王立维, 李立达. 重庆市游泳、跳水馆网壳设计[J]. 建筑结构, 2004, (07).

[8] 曹资, 张超, 张毅刚等. 网壳屋盖与下部支承结构动力相互作用研究[J]. 空间结构, 2001, 7(2): 19-26.

[9] 张毅刚, 朱虹. 框支式竖向网架与下部支承结构的共同作用与简化计算[A]. 管结构技术交流会论文集, 2001.

[10] 王依群, 李忠献. 不同阻尼特性材料组合结构的弹塑性动力时程响应计算[J]. 地震工程与工程振动, 1999, 6, 19(2): 76-80.

[11] 李田. 结构时程动力分析中的阻尼取值研究[J]. 土木工程学报, 1997, 30(3):68-73.