空间网格结构非线性稳定分析-网壳设计

浅谈网架与网壳结构的区别与联系陈露（东南大学09级土木工程学院结构1班）摘要：空间结构以前轻巧的外形及合理的受力受到了广泛运用，本文对两种主要的空间结构——网架结构与网壳结构作了一些简单的比较，通过对组成、内力、动力下的特点等方面的比较，加深对网架与网壳结构的认识，希望对网架与网壳的研究、分析与设计有所帮助。

关键字：网架网壳比较目前，大跨空间结构发展迅速，空间结构以其优美的建筑外形和良好的受力性能被广泛运用于工程实践中。

网架与网壳是空间结构的主要形式，他们有许多类似的地方，同时又有各自的特点。

(前言)1.网架与网壳的定义网格结构是由很多杆件通过节点，按照规律的几何图形组成的空间结构。

网格结构中，双层或多层平板形网格结构称为网架结构，而曲面形网格称为网壳结构。

网架与网壳结构都属于空间网格结构范畴，结构形式较为新颖，杆件的布置形式都具有很强的规律性。

2.网架与网壳结构的组成与连接网架结构形似一块大板，一般分为平行桁架系网架、四角锥体系网架、三角锥体系网架、混合型三层网架等；网壳结构为空间曲面形式，分为单层和双层网壳两种，单层网壳结构依靠单层杆件找形，双层网壳依靠上弦杆件找形，腹杆和下弦杆可按相应的平面桁架体系、四角锥体系或三角锥体系。

根据其组成可以判断，网架结构及双层网壳结构的节点允许采用铰接或刚接形式，而单层网壳结构中，杆件之间的节点只允许采用刚接，否则将使单层网壳形成机构。

空间铰接杆系的一个节点有三个自由度，在网架为几何不变的前提下，可用下式判断整个结构的超静定次数。

W=3J-B-S (1) J——网架的节点数B——网架的杆件数S——支座约束数假设某双层正交正放网架上弦的网格数为N×N，下弦网格数为(N-1)×(N-1),则节点数为2N2+2N+1,网架杆件数为8N2，W=-2N2+6N+3-S。

对于大跨结构，一般情况下N较大，设N=10,且上弦点支承,约束数为S=4N，则W=-177.超静定次数为177.可见，网架和双层铰节点网壳结构的冗余度较大，具有较高的安全储备。

复杂曲面单层网壳结构的非线性稳定性分析的开题报告一、选题背景与意义网壳结构由于其高效的空间结构性能广泛应用于建筑、桥梁、航空航天、海洋工程等领域。

随着结构设计的复杂化和工程应用的推广，网壳结构受到的内外力和环境荷载也变得越来越复杂和严峻，因此研究网壳的非线性稳定性分析成为必要和重要的研究方向。

复杂曲面单层网壳结构是一种弯曲表面无刚心的结构形式，该结构形式的研究涉及到其静力学、动力学、热力学、稳定性等多方面的问题。

其中，非线性稳定性分析是网壳结构研究的重要方向之一。

非线性稳定性分析主要是研究结构在极限状态下的工作性能和结构稳定性，以及各种加载情况下的结构响应和变形分析。

通过分析、验证复杂曲面单层网壳结构的非线性稳定性，可以用于优化结构设计，提高其承载能力与抗震能力，提高其施工质量和安全性能。

二、主要研究内容和方案本课题旨在研究复杂曲面单层网壳结构的非线性稳定性分析，主要包括以下内容：1.建立复杂曲面单层网壳结构的数值模型，考虑其几何形态、材料力学特性和结构受力情况，采用ANSYS等软件进行有限元计算，并进行参数分析探究其内在稳定性。

2.对建立的数值模型进行线性稳定性分析，这是非线性稳定性分析的基础。

采用不同的计算方法，如P-DELTA效应、形心偏移法、极限负载法等进行单项和综合计算，并进行比较分析，以验证模型结构的线性稳定性。

3.基于线性稳定性分析结果，通过增大荷载和变形边界条件等方式，探究其非线性稳定性表现。

并结合实际工程案例进行分析与验证，提取有效的设计思路以优化结构方案。

四、拟采用的研究方法和技术路线本研究方案将采用以下方法和技术路线：1.建立复杂曲面单层网壳结构的数值模型，使用有限元软件进行建模分析（如ANSYS），考虑材料力学特性、结构形态和受力情况等因素，以建立较为实际的结构。

2.基于建立的数值模型，进行线性稳定性分析。

采用各种计算方法，如P-DELTA效应、形心偏移法、极限负载法等进行单项和综合计算。

空间网壳结构稳定分析概述发表时间：2016-04-18T14:00:31.153Z 来源：《工程建设标准化》2015年12月供稿作者：徐飞[导读] 河北正元化工工程设计有限公司空间网格结构由于其重量小、抗震性能好、空间性能优、外型美观等特点.（河北正元化工工程设计有限公司，河北，石家庄，050000）【摘要】概述影响网壳稳定的因素，线性屈曲与非线性屈曲的区别及联系。

【关键字】稳定分析内容；非线性稳定；荷载--位移曲线。

1．简述空间网格结构由于其重量小、抗震性能好、空间性能优、外型美观等特点，使其能够很好的满足建设方对功能、造型的要求，广泛应用于机场、体育场馆、高速公路收费站、大型储煤设施等跨度较大的建筑物，由于其充分发挥了材料的强度及外形优势，使其取得了良好的经济效益和社会效益。

由于跨度大，网壳结构在竖向荷载作用下，整体变形较大，荷载与变形之间的行为已经呈现出非线性特征，根据《空间网格结构技术规程》（JGJ 7-2010）[1]规定，单层网壳以及厚度小于跨度 1/50 的双层网壳均应进行稳定性计算。

一般双层网壳均能满足此条件，所以网壳稳定实际上就是单层网壳稳定的问题。

2．稳定状态特点网壳稳定分有约束稳定和变形稳定两种。

约束稳定是由于约束不足引起整体位移或大位移，主要靠支座约束来解决，而目前所讲的网壳稳定为变形稳定问题，即在特定外荷载作用下几何形状的改变。

网壳的稳定性分析分为两类，第一类为理想化分析，即达到某种荷载时，除结构原来的平衡状态外，还可能出现第二个平衡状态，称为平衡分岔失稳或分支点失稳，在数值分析上称为求特征值问题，为线性分析，得到的荷载为屈曲荷载，荷载——位移曲线见图1。

线性屈曲的静力平衡方程可以写成下列形式： [K﹢λKG]{U}＝{P}[K]: 结构的弹性刚度矩阵 [K]: 结构的结合刚度矩阵 {U}: 结构的几何位移向量 {U}: 结构的外力向量 λ：特征值（临界荷载）λ＜λcr :不稳定平衡状态; λ＝λcr :不稳定状态; λ＞λcr : 稳定状态第二类分析表现为结构失稳时，变形迅速增大，而不会出现新的变形形式，即平衡状态不发生质变，称为极值点失稳，为非线性分析，考虑结构几何非线性和材料非线性，此时的荷载称为极限荷载，荷载——位移曲线见图2。

空间网壳结构的非线性稳定分析
王东亮
【期刊名称】《科技创新导报》
【年(卷),期】2007(000)030
【摘要】本文采用目前常用的有限元分析软件ANSYS对40m跨度的凯威特单层球面网壳进行了分析,用空间梁单元进行模拟,考虑了弯矩作用及结构非线性.通过跟踪网壳结构的非线性荷载-位移全过程响应,完整地了解了该结构在整个加载过程中的稳定性以及刚度的变化历程,合理确定其稳定承载力,通过分析对单层网壳的静力稳定特性有了较全面的了解.
【总页数】2页(P144-145)
【作者】王东亮
【作者单位】兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州,730070
【正文语种】中文
【中图分类】TU33
【相关文献】
1.基于APDL的网壳结构非线性稳定分析 [J], 龙期亮;刘树堂;王国杰;侯贯泽
2.基于ANSYS的单层球面网壳结构非线性稳定分析 [J], 刘文洋;陈小刚;蒋小芳
3.基于稳定度的压电网壳结构非线性动力稳定分析 [J], 朱军强;李必雄;张彬;周双科
4.施威德勒型球面网壳结构非线性稳定分析 [J], 计静;杨涛;张文福;刘迎春
5.郑州南站混凝土多跨连续网壳结构非线性稳定分析 [J], 周鹏飞;刘传平;吴晓涵;宋红召
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

网格结构是在20世纪中叶以来特别是近30多年发展最快的空间结构形式，它是将多根杆件，按照某种有规律的几何图形，通过节点连接成的一种网格状的三维杆系结构。

空间网格结构的外形可以成平板状，也可以呈曲面状。

前者称为平板网架结构，常简称为网架；后者称为曲面网架或壳形网架结构，常简称为网壳。

网格结构是网架与网壳的总称。

网架与网壳结构统称为空间网格结构。

网格结构在国内外应用广泛且发展速度很快，这主要是由于其具有以下优点：
（1)网格结构为三向受力的空间结构，受力合理，可以跨越较大的跨度，节约钢材。

网架结构比单向受力的平面结构（如平面桁架）自重轻、钢材用量少。

网壳结构中虽然曲面多样化，但从整体上来看主要承受压力，通过增大刚度，减小变形，精心设计可使网壳受力合理均匀，同样达到节省钢材的目的。

（2)工业化程度高，施工工期短，综合经济指标较好。

网格结构的组成特点是用小构件组成跨度很大的空间结构，其构件和节点比较单一而且定型化，网格可以做成标准尺寸的预制单元、预制节点和零件，加工制作机械化程度高，可全部工厂化生产，成品质量高、工期短；预制单元和节点零件尺寸小、重量轻，便于存放、装卸、运输、拼装；节点连接简便可靠，现场施工安装操作简单快捷、灵活，且质量可靠，尤其网架结构，现场仅需简单的拼装，技术简单，工作量小，安装不需要大型起重设备。

（3)网格结构应用范围广泛，适用于各种跨度的工业建筑、体育建筑、公共建筑，满
足建筑功能或工艺灵活和复杂的各种要求，且网格结构可拆可装、便于建筑物的扩建、改建或移动搬迁。

而且，网架结构中，可利用其上下弦之间的空间布置各种设备及管道等，能有效地利用空间，经济合理且使用方便。

网壳结构的整体稳定分析姓名:张秀斌学号:10121270指导教师:张勇网壳结构的整体稳定分析摘要网壳结构的稳定性是网壳、特别是单层网壳分析中的一个关键问题，复杂曲面单层网壳结构的稳定性问题更值得重视。

如何准确计算结构的稳定极限承载力和确定各种因素对稳定性的影响程度是结构设计必须考虑的问题。

本文简单介绍了网桥结构稳定分析的两种方法拟壳法和有限元法，并展望了网壳稳定分析的发展趋势。

关键词：网壳结构失稳有限元法几何初始缺陷目录网壳结构的整体稳定分析 (2)关键词：网壳结构失稳有限元法几何初始缺陷 (2)1绪论 (3)1.1网壳结构的特点 (3)1.2网壳结构的分类 (3)1.3 国内外网壳结构应用概况 (3)2网壳结构稳定性分析的理论和基础 (4)2.1稳定分析的必要性和目的 (4)2.2失稳和屈曲 (5)2.3网壳结构的失稳模态 (5)2.4影响网桥结构整体稳定性的因素 (7)3网壳结构的稳定分析方法 (8)3.1拟壳法 (8)3.2有限元法 (9)3.21有限元法的特点： (9)3.2.2有限元分析的关键问题 (9)3.3有缺陷网壳的相关分析方法 (10)3.3.1随机缺陷模态法 (10)3.3.2一致缺陷模态法 (10)4网壳稳定分析趋势与展望 (11)参考文献 (12)1绪论1.1网壳结构的特点网壳结构是一种曲面形网格结构，有单层网壳和双层网壳之分，是大跨空间结构中一种举足轻重的主要结构形式。

网壳结构的优点和特点，大致可归纳如下：(1)网壳结构兼有杆系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、跨越能力大，往往当跨度超过l00m时，便很少采用网架结构，而较多的采用网壳结构。

(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，走工业化生产的道路，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)网壳结构的分析计算借助于通用程序和计算机辅助设计，现已相当成熟，不会有多大的难度。

浅谈网壳结构的稳定性分析浅谈网壳结构的稳定性分析【摘要】稳定性是网壳结构（尤其是单层网壳结构）分析设计中的关键问题。

在设计网壳结构时，除了按常规设计规范验算网壳结构构件强度、稳定性及结构刚度外，还应该进行结构整体稳定性以及对初始缺陷的敏感性验算[2]。

本文对影响网壳稳定性的因素和研究方法做了综述，从而有助于设计人员对网壳稳定性的研究。

【关键词】网壳；稳定性；缺陷网壳结构的稳定性能可能从其荷载-位移全过程曲线中得到完整的概念。

结构的失稳（屈曲）类型分为两种：一种是极值点屈曲，另一种是分枝点屈曲，其中分枝点屈曲又分为稳定分枝点屈曲和不稳定分枝点屈曲。

网壳结构根据不同的曲面形式对初始缺陷的敏感程度不同。

对初始缺陷敏感的网壳，结构稳定承载力会因为初始缺陷的存在而降低，同时，初始缺陷还会导致分枝屈曲问题转化极值点屈曲问题。

分枝点屈曲只发生在理想完善的结构，实际结构都是有初始缺陷的，所以其失稳都极值点屈曲而不是分枝点屈曲。

网壳失稳模态有很多种类型，通常有两种分类方法：一种是根据网壳结构失稳时，结构失稳的变形范围可以分为局部失稳和整体失稳；另一种是根据结构失稳时，构件是否发生塑性变形可以分为弹性失稳和塑性失稳。

局部失稳就是结构在荷载作用下失稳时，如果只有某个或某些局部区域结构偏离了初始平衡位置的失稳变形，而其他区域没有发生偏离初始平衡位置的变形。

结构的局部失稳又可以分为局部节点失稳和局部杆件失稳，局部节点失稳主要表现为结构局部一个或多个节点偏离了其初始平衡位移，这种节点的偏离平衡位置有两种，第一种是节点仍在它初始平衡位置上，但节点已经出现了绕某个自身轴的转动变形，这样的转动变形有可能会造成连接在此节点上的杆件弯曲变形。

第二种是节点偏离了它的初始平衡位置。

局部失稳一般容易发生在结构整体刚度分布不均匀，存在较薄弱的区域或者在结构上某区域作用过大的集中荷载。

整体失稳就是结构在荷载作用下失稳时，结构的大部分或几乎整个结构都偏离了初始平衡位置的失稳变形。

关于四种空间结构类型的建筑材料的比较一，网格结构外形呈平板状的叫平板网架，简称网架；外形呈曲面状的叫曲面网架，简称网壳。

网格结构空间刚度大，整体性和稳定性好，有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果，适用于各种支承条件和各种平面形状、大小跨度的工业和民用建筑。

由于网格结构具有多向受力性能和内力重分布的特点，可用于地基条件较差而可能出现不均匀沉降的建筑。

网格结构杆件和节点比较单一，便于制作，安装也较方便。

此种结构主要采用钢材，结构自重轻。

具有用钢量节省的优点。

二，膜结构膜结构(Membrane)是20世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，膜结构车棚是由多种高强薄膜材料及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。

膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式，自从1970年代以来，膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。

膜结构是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件（钢架、钢柱或钢索）通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。

膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。

充气膜结构是靠室内不断充气，使室内外产生一定压力差（一般在10㎜～30㎜水柱之间）,室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。

张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型。

膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。

通过体形设计确定建筑平面形状尺寸、三维造型、净空体量，确定各控制点的坐标、结构形式，选用膜材和施工方案。

初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。

由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度，抗剪强主芤很差，因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高，对膜结构而言，任何时候不存在无应力状态，因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡，并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。

网格壳结构的设计与实现在建筑领域中，网格壳结构是一种流行的设计，它的基本形式就是由多个交错的网格组成的壳体结构。

这种结构具有很高的抗压能力和适应性，同时也能够提供良好的空间效果和视觉效果，因此在大型体育馆、展馆等场合中广泛应用。

网格壳结构的设计需要从多个方面考虑，包括材料选择、节点设计、力学性能等等。

其中，材料选择是十分重要的一环。

通常情况下，网格壳结构采用钢材或铝材作为材料，这些材料不仅强度高，而且还有良好的加工性能和耐腐蚀性能，能够保证结构的长期稳定性。

在节点设计方面，网格壳结构的节点通常采用钢板焊接或者螺栓连接，以确保节点的稳固性和耐久性。

此外，为了提高结构的整体性能，还可以采用预应力技术进行加固，提高结构的抗震能力和承载能力。

在力学性能方面，网格壳结构的特点是具有较高的自重和荷载能力，需要通过优化设计、加强节点等措施来提高承载能力和抗震能力。

此外，还需要对结构进行多次模拟计算，验证设计方案的合理性和安全性。

除了设计方面，实现网格壳结构也需要考虑多种因素。

首先，需要充分分析建筑场地的地形、气候、环境等因素，确保结构能够适应现场的环境和条件。

其次，需要选择合适的施工工艺和施工队伍，以确保建筑质量和工期的双重要求。

最后，需要注意结构的维护和管理。

网格壳结构作为一种特殊的建筑结构，需要定期进行检查和维护，以保证其长期稳定性和安全性。

此外，还需要对结构进行防火、防腐、防盗等措施，确保其在使用期间能够保持正常运行和使用。

综上所述，网格壳结构作为一种新型建筑结构，在现代建筑中有着广泛的应用。

对于设计师来说，需要从多个方面进行考虑，确保结构的合理性和安全性。

对于施工方和管理方来说，也需要加强建筑质量和安全管理工作，确保结构的长期稳定性和安全性。