大跨,薄壳结构

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1、5 薄壳结构5.1 概述 5.2 薄壳的曲面形式 5.3 圆顶薄壳 5.4 筒壳 5.5 双曲扁壳5 薄壳结构1起源 &人类远在数千年前早已找出了各式各样的日用壳体，如锅 、碗、坛、罐以后工业逐渐发达，造出了灯泡、钢盔、木舟、机壳等不胜枚举。 &壳体用于建筑结构虽为时较早，但工程界开始研究、分析 、试验已是19世纪，到20世纪初，壳体结构的发展一直缓慢，主要原因是计算繁琐。 &二战期间及战后壳体结构发展才迅速起来。 1只有空间受力的结构体系才能够很好地解决大跨度 屋盖的问题，而且只有空间体系的结构才能组成富 有造型特点的屋盖形式。Date25 薄壳结构1壳结构的演变 &两边支承的单向板只有一个

2、方向受弯，另一个方向的抗弯 能力根本没有利用； &如果把做成四边支承的双向板，那么，双向受弯，两向共 同受荷，则材料的抗弯潜力得到较充分的发挥。 相同荷载下，双向板比单向板的跨度可以大1.31.8倍。&双向板虽然是四边支承而起双向受力的作用，但还是平面 结构，它的内力还是弯矩。Date35 薄壳结构1壳结构的演变 &把平板做成曲板，曲板的内力就改变为受压为主，受压比 受弯更能发挥材料的性能，尤其是多向受压，处于空间状 态更加有利。Date45 薄壳结构1壳结构的演变 &横向受荷传力的梁起“担”的作用，不能材尽其用，并非经 济的结构形式；以曲梁承荷传力的拱起“顶”的作用，能进一步发挥财力，是较先

3、进的结构形式； &壳体与拱相仿，以曲板承荷传力，而且更进一步，它不像 拱是单向受荷传力的平面结构，而是双向受荷传力的空间 结构，起双向“顶”的作用。Date55 薄壳结构1壳结构的优点 &可覆盖大跨度空间而中间不设支柱； &内力比较均匀，节约材料，经济效果好； &自重轻、刚度大、整体性好，有良好的抗震和动力性能； &曲板的曲面多样化，可适用于各种平面，为建筑造型提供 丰富多彩的创造条件。造型美观，活泼新颖。 1壳结构的缺点 &现浇薄壳结构耗费大量模板；支模工程量大，施工不便； &体型复杂，板厚太小，隔热效果不好，长期日晒雨淋容易 开裂； &壳板天棚的曲面容易引起室内声音反射和混响，对声音效 果

4、要求高的大会堂、体育馆、影剧院等不宜采用。Date65.1 概述1定义 &壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构。 &两曲面间的距离，即壳体的厚度t。 t不随坐标变化时称为等厚度壳体，反之称为变厚度壳体。 &平分壳体厚度的曲面叫做壳体的中面。 1划分（按中面的曲率半径R） &薄壳max(t/R)1/20按照薄壳理论进行计算，结果与按厚壳理论计算结果相 比，误差一般不超过通常工程上所容许的计算误差5。 &厚壳max(t/R)1/20 &实际应用的壳体通常很薄，1/1000t/R1/50。 Date75.1 概述1薄壳的特点 &薄壳必须具备两个条件： 曲面， 刚性。 理解为四边支承的曲板

5、。 &主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重。 &形抵抗结构 强度和刚度主要依靠几何形状的合理性，而不是结构截 面尺寸得到。Date85.1 概述1薄壳的曲面构成 &在任意形状的壳的中面上某一点m可作法线mn。包含该法线可作一系列的平面，各平面与中面相交可得许多具有 确定方向的平面曲线，其中有两条相互垂直或正交的曲线 r和t的曲率具有极值，一条曲率最大，另一条曲率最小， 这两条曲线的曲率称为曲面在该点的主曲率，用k1、k2表示。 &曲面任意点上的高斯曲率KK k1k2。Date95.1 概述1薄壳的曲面分类 &K k1k20正高斯曲率曲面，椭圆抛物面、球 面 &K k1k20负高斯曲率曲面，双曲

6、抛物面 &K k1k2=0零高斯曲率曲面，圆柱面、圆锥面Date105.2 薄壳的曲面形式1按照形成的特点 &旋转曲面 &平移曲面 &直纹曲面 &复杂曲面Date115.2 薄壳的曲面形式1旋转曲面 &一平面曲线绕其所在平面上的轴旋转所形成的曲面，称为 旋转曲面。球形曲面椭球曲面旋转抛物面旋转双曲面Date125.2 薄壳的曲面形式1平移曲面 &一竖向曲线沿另一竖向曲线平移所形成的曲面称为平移曲 面。椭圆抛物面Date135.2 薄壳的曲面形式1直纹曲面 &1双曲抛物面一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。扭壳面双曲抛物面 扭壳面与双曲抛物面建造时容易制作， 工程应用较多Date145.2 薄壳的

7、曲面形式1直纹曲面 &2柱面与柱状面柱面由直母线沿沿着两根曲率相同的竖向曲导线移动而 形成的曲面。 柱状面由直母线沿着两根曲率不同的竖向曲导线移动， 并始终平行于一导平面而形成。柱面柱状面Date155.2 薄壳的曲面形式1直纹曲面 &3锥面与锥状面锥面是一直母线沿一竖向曲导线移动，并始终通过一定 点而形成的曲面。 锥状面是由一直母线沿一根直导线和一根竖向曲导线移 动，并始终平行于一导平面而形成的曲面。也称劈锥壳锥面锥状面Date165.2 薄壳的曲面形式1复杂曲面 &在上述的基本几何曲面上任意切取一部分或将曲面进行不 同组合。 交叉圆柱壳， 由锥扇形曲面形成的扇贝形圆屋顶。Date175.3

8、 圆顶薄壳1圆顶薄壳的特点 &旋转曲面、正高斯曲率； 球面壳、椭球面壳、旋转抛物面； &适用于平面形状为圆型的建筑； 杂技院、剧院、展览馆、天文馆、圆形水池顶盖 &是最早出现的一种古老型式。 &厚度薄、结构自重轻、节省材料； &壳体的径向和环向弯矩极小，可以忽略；壳体主要承受压 力，压力沿整个球面呈扩散均匀分布，可以充分利用材料 强度。Date185.3.1选型设计 11几何特性圆球壳 Date195.3.1选型设计 11几何特性椭圆球壳 Date205.3.1选型设计 11几何特性抛物面球壳 Date215.3.1选型设计 12选型设计 &（1）矢跨比 从力学特性和建筑功能上分析：当f/(2

9、ra)=1/2时，呈半球形，水平推力最小，但占用的建筑空间最大，可用于 有特殊要求的建筑中（如天文馆）； 当 f/(2ra)=1/5时，呈扁球壳，水平推力最大，但占用的建筑空间最小，节约空调费用，外形也美观； 当1/2 f/(2ra)1/5时，为一般球壳，水平推力中等，处理也较方便，在建筑功能及美观上一般。 某一建筑选用多大的矢跨比很大程度上取决于建筑功能 和外形的美观。Date225.3.1选型设计 12选型设计 &（2）线型选择从建筑外形衡量，以抛物线较好， 从方便施工角度看，以圆球形最方便。 建议选用圆弧曲线和f/(2ra)=1/41/6较合适Date235.3.2 圆顶结构组成和形式1

10、组成 &壳身 &支座环 &下部支撑构件Date245.3.2 圆顶结构组成和形式1组成 &圆顶的支承环箍可以直接支承在砖墙或钢筋混凝土柱上， 也可以支承在斜拱或斜柱上。 &斜拱或斜柱按正多边形布置，故可与相应的正多边形建筑 平面配合采用。 &立面处理上，常把斜拱或斜柱袒露而别具风格Date255.3.2 圆顶结构组成和形式1壳身 &根据壳板构造的不同，圆顶结构可分为 平滑圆顶 肋形圆顶 多面圆顶Date265.3.2 圆顶结构组成和形式1壳身 &平滑圆顶结构 实际工程中用的较多。 钢筋沿径线及沿同心圆放置；径向钢筋的数量朝圆顶点 方向根据圆顶周长的减少而减少； 当厚度大于80mm时，为避免收缩

11、及温度裂缝，应放置两层钢筋。 &肋形圆顶结构 当壳体受集中荷载作用； 当壳体厚度较小； 采用装配整体式结构时 经向肋系、环向肋系、壳面板Date275.3.2 圆顶结构组成和形式1壳身 &多面圆顶结构 由数个拱形薄壳相交而成； 与平滑圆顶结构相比，支座距离较大； 与肋型圆顶结构相比，可节省材料； &通风采光 在顶部开设圆形孔洞Date285.3.2 圆顶结构组成和形式1支座环 &是圆顶结构保持几何不变的保证； &作用类似于拱式结构中的拉杆； &对圆顶壳面起箍的作用，阻止圆顶结构在竖向荷载作用下 的裂缝开展与破坏； &主要承受环向拉力和弯矩 &保证壳体基本上处于受压状态；并实现结构的空间平衡。D

12、ate295.3.2 圆顶结构组成和形式1支撑构件 &1 圆顶结构通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上砖墙、钢筋混凝土柱 这时经向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件 仅承受经向推力的竖向分力。 受力明确，构造简单。 圆顶的跨度较大时由于经向推力很大，要求支座环的尺 寸很大。同时，其表现力也不够丰富活跃。Date305.3.2 圆顶结构组成和形式1支撑构件 &2 圆顶结构支承在斜柱或斜拱上。 通过壳体四周沿着切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱 ，把推力传给基础； 或通过沿壳缘切线方向的单式或复式斜拱，把经向报力 集中起来传给基础。 在平面上，斜柱、斜拱可按正多边形布置，以便与建筑 平面相协调

13、； 在立面上，斜柱、斜拱可与建筑围护及门窗重合布置， 也可暴露在建筑物的外面，以取得较好的建筑立面效果 。 这种结构方案清新、明朗，既表现了结构的力量与作用 ，又极富装饰性。但倾斜的柱脚或拱脚将使基础受到水 平推力的作用 Date315.3.2 圆顶结构组成和形式1支撑构件 &3 圆顶结构支承在框架上，利用圆顶下四周的围廊或圆顶周围的低层附属建筑的框架结构，把水平推力传给基础。 框架结构必须具有足够的刚度，以保证壳身的稳定性。 &4 圆顶结构直接落地并支承在基础上。落地的圆顶就像落地拱一样，经向推力直接传给基础。 若球壳边缘全部落地，则基础同时作为受拉支座环梁。 若是割球壳，只有几个脚延伸入地

14、，则基础必须能够承 受水平椎力，或在各基础之间设拉杆以平衡该水平力。Date325.3.2 圆顶结构组成和形式1支撑构件Date335.3.3 圆顶薄壳的内力状态1计算 &一般情况下，壳面的径向和环向弯矩较小可以忽略，壳面 内力可按无弯矩理论计算。 1受力 &在轴向（旋转轴）对称荷载作用下，圆顶径向受压，环向 上部受压，下部可能受压，也可能受拉，这是圆顶壳面中 的主要内力。由此，圆顶结构可以充分利用材料的强度。 &支座对圆顶壳面起箍的作用，所以支座环承受壳面边缘传 来的推力，其截面内力主要为拉力。Date345.3.3 圆顶薄壳的内力状态1受力壳面经向壳面环向支座环Date355.3.4 圆顶

15、薄壳的构造1壳板厚度 &一般由构造要求确定，取圆顶半径的1/600。 对于现浇钢筋混凝土圆顶，不应小于40mm； 对于装配整体式圆顶，不应小于30mm。 1配筋 &在壳板内的受压区域及主拉应力小于混凝土抗拉强度的受 拉区域内，可按不低于0.20的最小配筋率配置构造钢筋 ，其直径不小于4mm，间距不超过250mm。 &在主拉应力大于混凝土抗拉强度的区域，应按计算配筋， 主拉应力应全部由钢筋承担，钢筋间距不大干150mm。 &厚度不大于60mm的壳体，在弯矩较小的区域内，可采用 单层配筋，钢筋一般布置在板厚的中间。超过上述厚度或 当壳体受有冲击及振动荷载作用时，应采用双层配筋。Date365.3.

16、4 圆顶薄壳的构造1局部处理 &由于支座环对壳板边缘变形的约束作用，壳板的边缘附近 将会产生经向的局部弯矩。 &将壳板靠近边缘部分局部加厚，并配置双层钢筋。边缘加 厚部分须做成曲线过渡。加厚范围一般不小于壳体直径的 1/12l/10，增加的厚度不小于壳体中间部分的厚度。 &加厚区域内的钢筋宜径为410mm，间距不大于200mm。须注意上层钢筋受拉，应保证其有足够的锚固长度。 &大跨度时，支座环宜采用预应力钢筋混凝土Date375.4 筒壳1特点 &筒壳曲面呈单曲外形，也称柱面壳。 &零高斯曲率 &几何形状简单，模板制作容易，施工简单。 1组成 &壳身 &侧边构件 &横隔构件Date385.4 筒壳1壳身 &壳身横截面的边线可以是圆弧形、椭圆形或其它形状的曲 线，多采用圆弧，施工方便。 1侧边构件 &与壳身共同工作，整体受力。