第1章 绪论
1.1网壳结构应用实践和发展前景
现代社会空间结构不但被公认为是社会文明的象征，而且由于采用了大量的新材料、新技术和新工艺，成为反映一个国家建筑科学技术水平的标志。国际壳体与空间结构协会创始人、西班牙薄壳结构工程专家托罗哈(Torroja)曾经说过，最佳结构有赖于其自身之形体而非材料之潜在强度。具有形状的空间网壳结构具有凭借其自身形状来抵抗外力作用的特质，正是这种“最佳结构”的一种恰当体现。空间网壳结构由杆件沿着某个有规律地布置而组成，以薄膜力为主要受力特征，又兼有杆系结构的特点，即荷载主要由网壳结构杆件的轴向力形式传递，具有建筑造型美、结构刚度好、覆盖跨度大、材料耗量小、制作安装快、经济指标优等优点，广泛应用于国内外体育场、展览馆、会议中心、购物中心、储物设施、农业设施以及铁路与航空交通枢纽等大型建筑[1]。
近50年来，各种形式的网壳结构在美国、瑞典、加拿大、日本等国家发展迅速。1975年建成的美国新奥尔良超级穹顶(Super Dome)采用K12型球面网壳结构，直径207m，矢高83m，厚度2.2m。1989年建成的瑞典斯德哥尔摩球形体育馆，采用球径110m的双层正放四角锥球面网壳结构，厚度为2.1m，是当时世界上最大的接近全球形的网壳结构。1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶(Sky Dome)，屋顶直径205m，覆盖面积32374m2，为平行移动和回转重叠式的空间开合钢网壳结构。整个屋盖由四块单独的钢网壳组成，其中三块可以移动：中间部分为两块筒状网壳，可水平移动；两端为两块1/4球壳，一块固定，一块可旋转移动180°。1993年建成的日本福冈体育馆，建筑平面为圆形，直径222m，屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、半开启和全开启三种状态，为世界上最大的可开合穹顶之一。
我国大跨度空间结构的研究起步较晚，基础较弱，但随着国家建设和社会发展的需要，也得到了比较迅猛的发展。1966年建成的浙江横山钢铁厂材料库，平面尺寸为24m×36m，采用带有纵向边桁架的五连跨单层圆柱面网壳结构，是我国最早建成的按空间结构工作原理设计的圆柱面钢网壳结构。1994年建成的天津新体育馆，平面为圆形，直径108m，挑檐13.5m，总直径达135m，是当时我国圆形平面跨度最大的球面网壳结构。2004年建成的重庆奥林匹克体育中心体育场是当时世界上跨度最大的网壳结构，直线距离312m，网壳纵向宽度78m，最大悬挑梁长度为68m，主拱高度为70.3m，网壳上下层弦杆高度为4.5m，单块网壳面积为17400m2，两块网壳是由3672只焊接球、 16500根钢管杆件组成的梭形网状结构，总质量为5670t，其制作、吊装、安装难度属空间结构。2007年建成的国家大剧院位于北京，在人民大会堂西侧，东西向长轴跨度212.20m，南北向短轴跨度143.64m，建筑高度46.285m，地下最深处.32.50m，椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，是当时国内最大的穹顶网壳结构。
2008年北京奥运会所使用的比赛及训练场馆广泛采用了空间结构形式。奥运场馆屋盖较多地采用网壳结构，如奥运会自行车比赛馆，共两层，场馆主体为圆形，直径124m，建筑物挑檐24m，最高点34m，是当时亚洲最大的室内自行车比赛馆。奥运会羽毛球比赛馆屋盖采用弦支球面网壳结构，最大跨度达93m，是世界上跨度最大的弦支穹顶。奥运会乒乓球比赛馆，结构支承点间的跨度为80m × 64m，该屋面除了中央矢高为7m和跨度为24m的中央网壳为球面外，其余屋面采用非解析构成的异形网壳。国家体育场南北长333m，东西宽294m，高69m，主体钢结构形成整体的巨型空间马鞍形钢桁架编织式“鸟巢”结构，它的建设标志着我国乃至世界建筑结构设计和施工技术水平迈上了一个新的高度。相信今后在我国乃至世界上将会涌现更多设计新颖的大跨度空间结构。
1.2网壳结构动力倒塌研究现状
1.2.1地震作用下网壳结构的动力倒塌研究现状
国内外对网壳结构在地震作用下的动力性能和稳定性能进行了大量的研究。在地震作用下落地网壳结构动力响应方面，国内孙建恒等[2，3]较早开展网壳结构在突加阶跃荷载、简谐荷载和三角形脉冲荷载下动力稳定性能的研究，修正了澳大利亚著名空间结构专家Meek教授的网壳结构梁单元几何非线性切线刚度矩阵。叶继红等[4]利用一致缺陷模态法和李雅普诺夫运动稳定理论，分析了初始缺陷对单层网壳结构在简谐荷载、阶跃荷载及三角形脉冲荷载下动力稳定性能的影响。陈军明等[5]以K8型单层球面网壳结构为研究对象，计算了网壳结构在地震作用下的地震响应，指出在单层球面网壳结构抗震设计中应考虑水平地震作用响应。曹资等[6]考虑不同矢跨比、荷载、跨度和支座刚度等多种因素的影响，研究了单层球面网壳结构在地震作用下的反应及其随各参数的变化规律，得出在单层球面网壳结构抗震设计中起控制作用的是水平地震作用而不是竖向地震作用；给出了由于阻尼比不同而需对引用现行抗震规范反应谱分析的网壳地震作用进行修正的建议。王策等[7]通过非线性有限元分析空间梁单元节点大位移、大转角产生的几何非线性，采用米泽斯(Mises)屈服准则和普朗特-罗伊斯(Prandtl-Reuss)流动法则模拟材料弹塑性本构关系，讨论网壳结构的弹塑性动力失稳机理。徐闻等[8]、姚洪涛等[9，10]、赵淑丽等[11，12]、路维等[13]、王尚麒等[14]先后研究了几何参数(矢跨比、初始几何缺陷、分析参数(时间迭代步长)等对不同网壳(点支承两向叉筒单层网壳、单层柱面正交异型网壳、 K8型单层球面网壳)结构的动力特性、地震响应和动力稳定性能的影响。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1网壳结构应用实践和发展前景 1
1.2网壳结构动力倒塌研究现状 2
1.2.1地震作用下网壳结构的动力倒塌研究现状 2
1.2.2风雪荷载作用下网壳结构的动力倒塌研究现状 3
1.3网壳结构动力倒塌研究意义 4
参考文献 5
第2章 地震作用下网壳结构动力响应及稳定分析 8
2.1地震作用下网壳结构的动力响应分析 8
2.1.1网壳结构的动力响应分析方法 8
2.1.2网壳结构的动力稳定分析方法 12
2.2单层球面网壳结构动力稳定分析 14
2.2.1地震波的输入与调整方法 14
2.2.2单层球面网壳结构基本设计参数 15
2.2.3矢跨比对单层球面网壳结构动力稳定的影响 16
2.3考虑杆件失稳单层球面网壳结构弹塑性动力稳定分析 24
2.3.1杆件动力失稳的判定准则 24
2.3.2单层球面网壳结构有限元计算模型 25
2.3.3杆件初始弯*对网壳结构动力稳定的影响 26
2.3.4加强肋杆截面网壳结构动力稳定分析 31
2.4下部支承钢柱对网壳结构动力稳定的影响分析 35
2.4.1下部支承钢柱与网壳结构刚接时结构动力稳定分析 35
2.4.2下部支承钢柱与网壳结构铰接时结构动力稳定分析 44
2.5下部支承混凝土柱对网壳结构动力稳定的影响分析 49
2.5.1混凝土支承对网壳结构动力稳定的影响 49
2.5.2下部支承刚度对网壳结构动力稳定的影响 51
2.5.3矢跨比对网壳结构动力稳定的影响 53
2.6本章小结 55
参考文献 56
第3章 带支承网壳结构地震模拟振动台试验 58
3.1地震模拟振动台设备参数 58
3.2六角星形单层网壳结构地震模拟振动台模型试验 58
3.2.1六角星形单层网壳结构模型制作 58
3.2.2六角星形单层网壳结构试验结果分析 63
3.3 K6型单层球面网壳结构地震模拟振动台模型试验 68
3.3.1 K6型单层球面网壳结构模型制作 68
3.3.2 K6型单层球面网壳结构试验结果分析 71
3.4本章小结 77
参考文献 77
第4章 雪荷载下网壳结构倒塌机理 78
4.1单层柱面网壳结构模型及倒塌参数分析 78
4.1.1单层柱面网壳结构模型 78
4.1.2单层柱面网壳结构雪荷载特性 83
4.1.3单层柱面网壳结构雪荷载分布方案 86
4.1.4单层柱面网壳结构倒塌参数分析 86
4.2单层球面网壳结构模型及倒塌参数分析 96
4.2.1单层球面网壳结构模型 96
4.2.2单层球面网壳结构雪荷载分布方案 97
4.2.3单层球面网壳结构倒塌参数分析 98
4.3本章小结 113参考文献 114
第5章 风荷载下网壳结构动力响应及倒塌分析 115
5.1风荷载特性及数值模拟 115
5.1.1风荷载特性 115
5.1.2风荷载数值模拟 120
5.2单层球面网壳结构风振系数及其参数分析 122
5.2.1单层球面网壳结构计算模型 122
5.2.2单层球面网壳结构风振响应分析 128
5.3单层柱面网壳结构风振系数及其参数分析 143
5.3.1单层柱面网壳结构计算模型 143
5.3.2单层柱面网壳结构风振响应分析 145
5.4单层球面网壳结构风致倒塌参数分析 151
5.4.1单层球面网壳结构计算模型 151
5.4.2矢跨比对单层球面网壳结构风致动力倒塌的影响 152
5.5单层柱面网壳结构风致倒塌参数分析 160
5.5.1单层柱面网壳结构计算模型 160
5.5.2矢跨比和长宽比对单层柱面网壳结构风致动力倒塌的影响 160
5.6本章小结 176
参考文献 177
第6章 风雪荷载共同作用下网壳结构倒塌机理研究 178
6.1单层柱面网壳结构动力倒塌分析 178
6.1.1单层柱面网壳结构计算模型 178
6.1.2单层柱面网壳结构雪荷载分布方案 179
6.1.3单层柱面网壳结构动力倒塌参数分析 181
6.2球面网壳结构动力倒塌分析 202
6.2.1单层球面网壳结构计算模型 202
6.2.2单层球面网壳结构雪荷载分布方案 203
6.2.3单层球面网壳结构动力倒塌响应分析 204
6.3本章小结 222
参考文献 224
