网壳结构是曲面型的网格结构

网壳结构是曲面型的网格结构, 它不仅具有受力合理、刚度

大、重量轻、覆盖面积大、造价低等优点, 且兼有杆系结构和薄壳网壳结构应用范围广，既可用于中、小跨度的民用和工业建筑，也可用于大跨度或超大跨度的

各种建筑。在建筑平面上能适应各种形状

网壳目前在我国多用于仓库、商场和展览馆等建筑中

结构的固有特性, 结构型式丰富, 造型美观, 既可以突出结构美,

同时又具有艺术表现力, 是一种国内外颇受关注、有广阔发展前

景的空间结构。近50多年来，网壳结构受到重视和飞速发展，主要原因是：第一，钢筋混凝

土薄壳施工时需要大量的模板，制作困难，劳动量大，费用高，高空浇筑或吊装

费工费时。而网壳结构在施工时，采用的是在工厂中预制的构件，重量轻，安装

简易。第二，建筑构件的工业化为网壳结构的发展注入了强大的生命力，特别是

发明了多种节点体系和自动化程度较高的生产方法，既提高了生产效率，降低了 成本，又保证了安装精度。实际的网壳结构不可避免的具有各种缺陷，属于缺陷敏感结。从实用角度

考虑, 关于与杆件特性有关的一些缺陷, 如杆件的初弯曲、初始内

应力、杆件对结点初始偏心等, 在按规范规定选择杆件截面时实

际上已作了适当考虑。这样设计出来的网壳结构, 杆件稳定性与

整个网壳稳定性的耦合作用不是一个主要因素。对网壳稳定性

来说, 曲面形状的安装偏差, 即各结点位置的偏差就成为起主要

影响作用的初始缺陷因素。采用 一致缺陷模态法 来研

究这一因素的影响, 即认为初始缺陷按最低阶屈曲模态分布时

可能具有最不利影响。对这一方法的合理性和有效性进

行过仔细论证。当采用这一方法进行分析时, 即使遇到分枝点的

情形, 均能自动完成正确的平衡路径跟踪。事实上, 初始缺陷通

常使分枝问题转化为极限问题。

缺陷是相对于计算模型的理想结构而言的，任何不符合理想模型的地方均可称之为缺陷。因而，

实际结构中缺陷的种类繁多。概括起来，网壳结构的缺陷有以下几类。

1)材料性能的缺陷

材料性能的缺陷是指计算模型所用材料的物理性能与实际结构所用材料性能之间的差异。例如

材料的应力一应变关系，为了计算的方便，常把实际的曲线关系简化为理想的弹塑性、双线性、三

线性关系。

2)结构的节点位置偏差

节点位置偏差一般是由结构构件的制作误差及安装偏差引起的，许多文献研究表明，节点位置

偏差对网壳结构临界力影响甚大，是主要的几何缺陷之一。

3)构件的初挠曲

杆件的初挠曲一般指杆件轴线的偏差，产生于杆件的制作和运输的过程中，是主要的几何缺陷

之一。

4)残余应力

网壳结构中的构件在制作和装配过程中将不可避免地产生一定程度的残余应力。与其它类型的空

间网格结构如平板型网架不同，网壳结构对这种应力的反应是很敏感的。

5)节点刚度偏差

目前，计算模型中对节点的处理方式一般只有两种，即铰接点和刚性结点，还没有采用弹性(半

刚性)节点进行计算的，而实际结构中的节点从严格意义上来讲则全部是弹性节点。由于采用弹性

节点进行计算太复杂费时，不能满足实际需要。

6)．边界条件的偏差

在进行结构稳定性分析时，常采用简支、固支等理想边界条件来代替实际边界条件。而实际上任

何一种约束都是弹性约束，理想边界条件不是过于刚硬就是过于柔软，对结构的稳定性带来或大或

小的影响。

7)荷载缺陷

荷载缺陷指实际分布的荷载与理论荷载之间的偏差，包括荷载作用点，作用方向和分布方式的偏

差。例如，对荷载的实际分布常用矩形、三角形分布来代替，或是将小范围的分布力简化成一个点

作用力。

除了上述缺陷之外，结构的位移、应力理论描述中的基本假定与实际情况的偏差，采用不同的

综合分析结构的缺陷是极其复杂的，有些缺陷问题还未能得到解决。，以

下几种初始缺陷是影响网壳结构稳定性能的最主要的因素 (1)结构的非线性稳定性承载能力对有些初始缺陷模

式和荷载分布形式非常敏感，而且在特定的荷载作用

下，结构总是沿着最不利的平衡路径失稳由于结

构初始缺陷的分布和尺寸大小受施工条件、施工工艺

等许多因素的影响，在结构建造之前是未知的，因此

为保证结构设计的安全性．必须考虑可能产生的最不

利初始缺陷的影响。

确定最不利初始缺陷有很大难

度，主要在于：对动力问题，荷载是未知的(因为惯

性力和阻尼力与结构切线刚度、自振频率，加速度、

速度和位移等有关)；确定最不利初始缺陷时还要面

临矩阵的全部特征值和特征模态的求解问题，解决这

些问题存在很大的团难。本文以完善结构的静力失稳

模态作为结构的初始缺陷模式，来分析其对结构动力

稳定性的影响，分析结果表明，这种初始缺陷模式对

结构动力稳定性承载能力的影响是非常显著的。

结构的初始缺陷总体来说可分为几何缺陷和物理缺陷，也

有人将其分为单元缺陷和结构整体缺陷结构的

静、动力稳定性能对这些缺陷极其敏感。 研究发现，单根杆件的缺陷可使结构稳定性承载能力

降低20％研究表明结构整体缺陷可使稳定

性临界荷载下降35％。要睫稳定性理论分析结果和

结构的实际性能相吻合，必须采取有效措施把这些因

素考虑进去。分析带有初始缺陷的结构常采用两种方

法⋯，第一种是精确方法，就是在建立结构切线刚度

矩阵时把这些缺陷的影响考虑进去。第二种是近似方

法，即通过对单元刚度的折减或对结构附加‘个等效

虚荷载来近拟考虑缺陷的影响。重点研究初始几

何缺陷对结构稳定性承载能力的影响。考虑这种缺陷

时面临两个必须解决的问题，即如何确定最不利初始

缺陷的模式；第二是如何确定缺陷的尺寸。结构的稳 定性承载能力取决于其承受的荷载和初始缺陷的分

布，对应不同的荷载分布：侈式，其蛀不利初始缺陷的

模式也不同。在进行静力；隐定问题分析时，荷载分布

是已知的，因此确定最不利初始缺陷分布是可行的，

而对于动力稳定性问题，咕构承受的荷载是随时问变

化的，而且还需考虑惯性力和阻尼力的影响，荷载的

大小还与未知位移、时问、结构切线刚度矩阵、固有

频率和阻尼系数等有关，因此也是一个未知量，确定所谓初始缺陷是指：结构外形的几何偏差，在

结构工作之前已由于各种原因而产生的杆件初偏心或初弯曲而导致结构产生初应

力，存在于结构杆件中的材料缺陷，外荷载作用点的初偏心，结构支座的偏差等。

值得强调的是初始缺陷的存在将会削弱网壳结构的承载能力。从实用角度考虑，

关于与杆件设计有关的一些缺陷，如杆件的初弯曲、初始内应力、杆件对结点初

始偏心等，在按规范规定选择杆件截面时实际上已经作了适当的考虑。这样设计 出来的网壳结构，其杆件特性对网壳稳定性的影响自然就被限制在一定范围内；

也就是说，杆件稳定性与整个网壳的稳定性的耦合作用已经不是一个主要的因素。

对于整个网壳的稳定性来说，嗑面形状的安装偏差，即各结点位置的偏差是一个结构最不利缺陷有很大的难度。在静力稳

定性分析中考虑初始缺陷影响的方法是：首先对完善

结构进行非线性稳定分析，确定结构的静力失稳模

态，然后以此失稳模态所对应的各结点的竖向位移分

布作为结构初始缺陷模式，再对结构进行静力稳定性

分析。分析表明，这种缺陷对结构的稳定性承载力非

常不利。在结构初始缺陷未知的情况下，以完善结构

的静力失稳模态作为结构的初始缺陷模式来近似分析

初始缺陷对结构动力稳定性承载能力的影响也是比较

实用的

节点约束是弹性约束而非理想的无摩擦铰，从而引起力不通过刚心而形成偏心荷载，影响结

构的刚度和最大承载力;第二类为几何缺陷，指部分(或全部)结构与原设计有偏差，将改变网 壳的初始几何形状从而大大影响网壳的屈曲行为。研究指出，将模拟缺陷结构的屈曲荷载与

原理想结构相比，第二类缺陷的变化更为敏感，而第一类缺陷对其影响不大。缺陷分析的典

型方法有:一致缺陷模态法和随机缺陷模态法[1]~[4] 。本文将应用有限元软件，利用几何非线

性有限元理论，借助弧长法，对六角网壳进行了几何非线性全过程跟踪计算。然后引入随机

缺陷模式，得到带随机安装缺陷六角穹顶结构的极限承载力概率分布，并与一致缺陷模态法

得到的结果进行比较。

显然在工程设计时，随机缺陷方法能够较为真实地反映实际结构的工作性能。与确定性

方法相比比较科学，所求得的临界荷载结果更能客观地反映所设计结构的情况，但由于需对

不同缺陷分布进行多次的非线性计算，计算工作量比较大，这是随机缺陷法应用的最大障碍。

但进一步分析，不同样本的非线性分析计算是相似的，它们的荷载条件、支座约束、求解方 式、收敛准则等均相同或相似，因此我们完全可以开发相应的程序。让程序产生随机数以模

拟结点的位置偏差，生成那个初始缺陷分布模式，按次序循环往复地将各个初始缺陷分布叠

加到原结构上，非线性分析以求得各样木的临界荷载，这样就可以将人的工作转化为计算机

的工作，从而大大减少人的工作，这是本文随机缺陷法的指导思想和方向。稳定性分析是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关

键问题。理论分析和工程实践表明: 网壳结构的设计通常受其稳

定性控制。网壳结构稳定分析的目的是计算网壳结构的临界荷

载; 分析网壳结构对初始缺陷的敏感性, 从而提出合理的安全系

数和设计临界荷载。网壳稳定性是一个比较复杂的几何和材料

非线性问题, 对此同时还要考虑初始缺陷的影响, 要合理选取稳

定性安全系数。

判别一个结构体系所处的平衡状态是否稳定的最基本准则

是: 对处于平衡状态的结构体系施加一个微小的扰力, 如果将这

个微小的扰力撤去后, 结构体系仍然回复到原来的平衡位置, 则

该平衡状态是稳定的。反之, 该平衡状态是不稳定的。根据这个

基本准则, 在对结构体系稳定性判别中通常采用能量准则和静

力准则。

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随着我国经济和建设事业的迅猛发展, 近十余年来网壳结

构的应用日益增多, 且结构形式逐渐多样化, 跨度也越来越大。