球网壳结构的设计与应用

球网壳是由环向和径向（或斜向）交叉曲线杆系（或桁架）组成的单层（或双层）球形网壳。球网壳的建筑平面为圆形或正多边形，底部必须设置环梁以承担球网壳传来的荷载。环梁从受力来看为受弯构件。球网壳的关键问题在于球面的规则划分，球面划分基本要求有两个：①杆件规格尽可能少，以便制作与装配；②形成的结构必须是几何不变体。

1.单层球网壳

单层球网壳的主要网格形式有以下几种。

1）肋环型网格

肋环型网格只有经向杆和纬向杆，无斜向杆，大部分网格呈四边形，如图1.57所示。它的杆件种类少，每个节点只汇交4根杆件，节点构造简单，但节点一般为刚性连接。

图1.57　肋环型球面网壳

2）施威特勒（Schwedler）型网格

施威特勒型网格由经向网肋、环向网肋和斜向网肋构成，如图1.58（a）所示。其特点是规律性明显，内部及周边无不规则网格，刚度较大，能承受较大的非对称荷载，可用于大中跨度的穹顶。

图1.58　施威特勒型和联方型网格

3）联方型网格

联方型网格由左斜肋与右斜肋构成菱形网格，两斜肋的夹角为30°～50°，如图1.58（b）所示。为增加刚度和稳定性，也可加设环向肋，形成三角形网格。联方型网格的特点是没有径向杆件，规律性明显，造型美观。其缺点是网格周边大，中间小，不够均匀。联方型网格网壳刚度好，可用于大中跨度的穹顶。

4）凯威特（Kiewitt）型网格

凯威特型网格是先用n根（n为偶数，且不小于6）通长的径向杆将球面分成n个扇形曲面，然后在每个扇形曲面内用纬向杆和斜向杆划分成比较均匀的三角形网格，如图1.59（a）所示。在每个扇区中各左斜杆相互平行，各右斜杆也相互平行，故也称为平行联方型网格。这种网格由于大小均匀，避免了其他类型网格由外向内大小不均的缺点，且内力分布均匀，刚度好，故常用于大中跨度的穹顶中。

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图1.59　凯威特和三向型网格

5）三向型网格

由竖平面相交成60°的三族竖向网肋构成，如图1.59（b）所示。三向型网格特点是杆件种类少，受力比较明确。可用于中小跨度的穹顶。

2.双层球网壳

1）双层球网壳的形成

当跨度较大时，从稳定性及经济性的方面考虑，双层网壳要比单层网壳好得多。双层球壳是由两个同心的单层球面通过腹杆连接而成。各层网格的形成与单层网壳相同，对于肋环型、施威特勒型、联方型、凯威特型等双层球面网壳，通常多选用交叉桁架体系。三向型网格等双层球面网壳，一般均选用角锥体系。

北京科技馆穹幕影院为一个内径32m，外径35m，高25.5m的3/4双层球网壳，如图1.60所示。

图1.60　北京科技馆穹幕影院

2）双层球网壳的布置

已建成的双层球网壳大多数是等厚度的，即内外两层壳面是同心的。但从杆件内力分布来看，一般情况下，周边部分的杆件内力大于中央部分杆件的内力。因此，在设计时，为了使网壳既具有单双层网壳的主要优点，又避免它们的缺点，既不受单层网壳稳定性控制，又能充分发挥杆件的承载力，节省材料，可采用变厚度或局部双层网壳。

3.球网壳结构的受力特点

球网壳是格构化的球壳，其受力状态与圆顶的受力相似，网壳的杆件为拉杆或压杆，节点构造也须承受拉力和压力。球网壳的底座可设置环梁，也可不设环梁。但一般情况下，设置环梁有利于增强结构的刚度。

随网壳支座约束的增强，球网壳内力逐渐均匀，且最大内力也相应减小，同时整体稳定系数也不断提高。因此球网壳周边支座节点以采用固定刚接支座为宜。

单层球网壳为增大刚度，也可再增设多道环梁，环梁与网壳节点用钢管焊接。