空腹网壳结构是由空腹网架结构发展而来的新型曲面形空间网格结构。国内外均有工程实例,国外在日本有上野县训练馆,为木材制作的空腹网壳(屋面材料为膜材)。国内有国家大剧院,为钢空腹网壳,贵阳市金阳水电科技园健身中心篮球训练馆为混凝土柱面空腹网壳。空腹网壳的结构形式众多,造型各异。既具有单层网壳简洁美观的特点,又具有双层网壳稳定性好的优点。不同的结构形式受力各异,本文主要以肋环形球面空腹网壳和肋环斜杆形球面空腹网壳为研究对象。这两种网壳的主要传力途径为径向,因此本文在分析具体结构之前还讨论了空腹拱架的力学性能。本文的研究方法主要为参数化分析,采用空间梁单元进行了大量算例计算,重点讨论了矢跨比、网格划分频数、弦层刚度、网壳厚度和支承条件等因素对结构静、动力性能的影响。结构的静力性能分析考虑的是竖向荷载,全部算例均基于荷载总量不变原则,以使计算结果具有相应的可比性。分析表明,球面空腹网壳的腹杆内力较小,在边界上、下弦节点均支承条件下,可以将球面空腹网壳看作两个单层网壳通过腹杆连接而共同工作,结构的静、动力性能明显受矢跨比的影响,过低的矢跨比将导致结构过高的应力和过大的变形。文中建议这种结构的合理矢跨比范围为1/4-1/6。对于肋环形球面空腹网壳,网格圈数的加密对结构高阶振型的频率影响较大,但对基频影响很小。静载作用下,加密网格圈数对结构强度和整体刚度的改善作用不大,但提高上、下弦层杆件的刚度后能够明显增强结构的整体刚度。因此跨度较大时可以采用上、下弦层均设置有斜杆的肋环斜杆形球面空腹网壳。静载作用下的计算表明,周边上、下弦节点均支承时,结构厚度的改变明显影响球面空腹网壳的强度和刚度。动力分析表明,结构的基频会随着结构厚度的增加而增加,但厚跨比大于1/40后,增加结构的计算厚度并不能有效提高结构的整体刚度。本文的计算主要考虑了两种支承条件,即边界上、下弦节点均固支和仅支承上弦边界节点。分析表明,在较小的厚跨比条件下,当仅支承上弦边界节点时,结构的受力性能类似于单层网壳,其内力和变形要明显大于边界上、下弦均支承的情况,因此厚跨比较小的结构中,球面空腹网壳的边界上、下弦节点均宜支承。动力特性计算表明,结构的频谱较为密集,对地震响应贡献较大的对称振型出现较晚。因此结构采用振型分解反应谱法进行抗震设计时,频率的截断及地震作用最大效应的计算是还需要深入研究的问题。本文最后指出了下一步研究中亟待解决的一些问题。