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1、壳体,圆顶,筒壳,折板,双曲扁壳,双曲抛物面壳,薄壳结构,一、薄壳结构的概念,壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构。这两个曲面之间 的距离称为壳体的厚度t。当厚度t远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。 一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。,在面结构中，平板结构主要受弯曲内力，包括双向弯矩和扭矩，薄壁空间 结构的壳体，它的厚度t远小于壳体的其它尺寸（如跨度）， 属于空间受力状态，主要承受曲面内的轴力（双向法向力）和顺剪力作用， 弯矩和扭矩都很小。,（a）平板结构,（b）曲面结构（壳）,薄壁空间结构，由于它主要承受曲面内的轴力作用，所以材料强度得到充分 利用；同时由
2、于它的空间工作，所以具有很高的强度及很大的刚度。薄壳 空间结构内力比较均匀，是一种强度高、刚度大、材料省、既经济又合理的 结构型式。薄壁空间结构常用于中、大跨度结构，如展览大厅，飞机库、 工业厂房、仓库等。在一般的民用建筑中也常采用薄壳结构。 薄壁空间结构在应用中也存在一些问题，由于它体形复杂，一般采用现浇 结构，所以费模板、费工时，往往因此而影响它的推广。同时在设计方面， 薄壁空间结构的计算过于复杂。,二、薄壳空间结构的曲面形式,1.旋转曲面,由一平面曲线（或直线）作母线绕其平面内的一根轴线旋转而成的曲面， 称为旋转曲面。,在薄壁空间结构中，常用的旋转曲面有球形曲面、旋转抛物（椭圆）面、 圆
3、锥曲面、旋转双曲面等。,旋转曲面,2直纹曲面,一根直母线，其两端各沿两固定曲导线（或为一固定曲导线，一固定直导线） 平行移动而成的曲面，称为直纹曲面。一般有：,（1）柱曲面,一根直母线沿两根曲率方向和大小相同的竖向曲导线移动而成或柱状曲面 （一根直母线沿两根曲率方向相同但大小不同的竖向曲导线始终平行于导平面 移动而成） 它们又都称单曲柱面。,（一根直母线一端沿一竖向曲导线，另端通过一定点移动而成）或锥状面 （同上，但另端为一直线，母线移动时始终平行于导平面）, 后者又称劈锥曲面。,（一根直母线在两根相互倾斜又不相交的直导线上平行移动而成）, 直纹曲面建造时模板易于制作，常被采用。,（2）锥面,
4、（3）扭面,直纹曲面,直纹曲面,平移曲面,3.平移曲面,由一根竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成。其中，母线与导线均为 抛物线且曲率方向相同者称椭圆抛物面，因为这种曲面与水平面的截交曲线 为一椭圆；母线与导线均为抛物线。,线。,4. 切割或组合曲面,由上述三类曲面切割组合形成的曲面，建筑师根据平面及空间的需要， 通过对曲面的切割或组合，形成千姿百态的建筑造型。,三、薄壳结构的内力,对于一般的壳体结构，中曲面单位长度上的内力一共有8对，它们是轴向力 Nx、Ny；顺剪力Sxy=Syx;横剪力Vx、Vy；弯矩Mx、My以及扭矩Mxy=Myx,a)壳体结构的内力,b）薄膜内力,内力可以分为两类，作用于
5、中曲面内的薄膜内力和作用于中曲面外的 弯曲内力。理想的薄膜在荷载作用下只能产生轴向力Nx、Ny和顺剪力 Sxy=Syx，因此，这三对内力通称为薄膜内力。,弯曲内力是由于中曲面的曲率和扭率的改变而产生的，它包括有横剪力Vx、Vy；弯矩Mx、My以及扭矩Mxy=Myx。理论分析表明：当曲面结构的壁厚t于其最小主曲率半径R的二十分之一并能满足下列条件时，薄膜内力是壳体结构中的主要内力： （1）壳体具有均匀连续变化的曲面； （2）壳体上的荷载是均匀连续分布的； （3）壳体的各边界能够沿着曲面的法线方向自由移动，支座只产生阻止曲面切线方向位移的反力。,四、筒壳结构,筒壳其外形似圆筒，故名圆筒壳，又似圆柱
6、体，故又名柱面壳。筒壳外形 简单，是单曲面壳体。其纵向为直线，有其横向刚度小的缺点，但它的几何 形状简单，模板制作方便，易于施工，省工省料。,（一）筒壳的结构组成,筒壳由壳身、侧边构件及横隔三部分所组成。,侧边构件可理解为壳体“边框”， 两个横隔之间的距离称为筒壳的跨度，以,表示；两个侧边构件之间的距离称为筒壳的波长，以,表示。沿跨度,方向称为筒壳的纵向，沿波长,方向则称为筒壳的横向。,筒壳壳身横截面的边线可为圆弧形、椭圆形，或其他形状的曲线，一般采用 圆弧形较多，它方便施工。壳身包括侧边构件在内的高度称为筒壳的截面高 度，以h表示。不包括侧边构件在内的高度称为筒壳的矢高，以f表示。,侧边构件
7、（边梁）与壳身共同工作，整体受力。 它一方面作为壳体的受拉区集中布置纵向受拉钢筋， 另一方面可提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移 及水平位移，并对壳身的内力分布产生影响。,横隔是筒壳的横向支承，缺少它，壳身的形体就要破坏。横隔的功能是承受 壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构上去。,常见的筒壳横隔型式,（二）筒壳的分类及受力特点,1. 长筒壳,当跨长,与波长,的比值,3时，称为长筒壳。,对于较长的壳体，因横隔的间距很大，纵向支承的柔性很大，壳体的变形 与梁一致。这时长筒壳结构中的应力状态和曲线截面梁的应力状态相似， 可以按照材料力学中梁的理论来计算。,长筒壳的受力特点,2. 短筒壳,当跨长,对
8、于短筒壳，因为横隔的间距很小，所以纵向支承的刚度很大。 这时壳体的弯曲内力很小，可以忽略不计，壳体内力主要是薄膜内力， 故可按照薄膜理论来计算。,当跨长,对于中长筒壳，壳体的薄膜内力及弯曲内力都应该考虑，用薄壳有弯矩 理论来分析它的全部内力。为简化计算，也可忽略其中较次要的纵向弯矩 及扭矩，用所谓半弯矩理论来计算筒壳内的主要内力。,（三）筒壳的结构布置,（1）短壳,短壳的壳板矢高一般不应小于波长的1/8。短壳的空间作用明显，壳体内力以薄膜 内力为主，弯矩极小，故壳板厚度与配筋均可按构造确定。当壳体跨度,=612m，,波长 30m时，在自重、雪荷载，及保温层荷载作用下，壳板厚度可取用510mm，
9、 壳板内配筋可采用 46100160mm的双向钢筋网，配筋率不应低于0.2。,（2）长壳,长壳的配筋应按计算确定，按梁理论计算所得的纵向受力钢筋应布置在侧边 构件内 。,（3）天窗的布置,筒壳的天窗孔及其他孔洞建议沿纵向布置于壳体的上部。在横向，洞口尺寸 建议不大于(1/411/3) 。在纵向，洞口尺寸可不受限制，但在孔洞四周,应设边梁收口并沿孔洞纵向每隔23m设置横撑加强。当壳体具有较大的 不对称荷载时，除设置横撑外，尚需设置斜撑，形成平面桁架系统。,2. 筒壳的结构布置方式,（1）折缝,单曲板的刚度虽比平板好。但不如双曲板。如何加强单曲板（筒壳）的 侧向刚度是个重要问题。正如前述的横隔和加
10、劲肋都为解决该缺点而设。 此外，还可形成折缝。平板的出平面刚度很小，若是折一下，在直线折缝 处，却能获得很大的刚度，可以作为平板的刚劲支座。同样，筒壳也可以 通过组合（如并列、交贯等）形成曲线或直线折缝，称为加劲折。,筒壳的折缝与形变,（2）形变,圆柱形筒壳的外形单调、缺乏活力。若在一个筒壳中，其波宽与矢高沿 纵向变化，或两端支座一高一低变化其形象，则筒壳的造型立时顿变， 显出无穷的活力。这一变化已经超出了筒壳，进入锥壳的范围,且能组成 圆周形平面。,（3）纵向悬挑,纵向悬挑筒壳可用于建筑屋顶的挑檐、雨篷、也可用作车站站台与大看台 的悬挑屋顶。,筒壳的纵向悬挑,（4）横向悬挑,横向悬挑可用于雨
11、蓬、站台、大看台、也可用于大厅和外墙采光多或开门特大 （如飞机库、车库）的建筑物。 悬挑横隔密排者为短筒壳，疏排者为长筒壳。,筒壳的横向悬挑,（5）并列组合,等宽筒壳并列可组成矩形平面 屋顶,也可组成水塔的圆柱形水 箱。锥形变宽筒壳并列可组成 扇形、环形平面屋顶，也可组成 水塔的锥形水箱, 并列筒壳相接 处形成刚劲有力的折缝。,筒壳的并列组合,（6）交贯组合,两个筒壳十字正交最典型的例子 是美国圣路易市航空港；另一个 是环形筒壳与周圈放射向锥形筒 壳交贯成一个环形平面的航空港 设计方案充分利用了由交贯筒壳 形成的加劲折缝。,筒壳的交贯组合,五、圆顶薄壳结构,（一）圆顶结构型式与特点,按壳面的构
12、造不同，圆顶结构可以分为平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶三种,（a）平滑圆顶,（b）肋形圆顶,（c）（d）多面圆顶,在实际工程中，平滑圆顶应用较多。当建筑平面不完全是圆形，或由于采光 要求需要将圆顶表面分成独立区格时，可采用肋形圆顶。肋形圆顶是由径向 肋系、环向肋系与壳板组成，与壳板整体连接。多面圆顶结构是由数个拱形 薄壳相交而成。有时为了建筑造型上的要求，也可将多面圆顶稍作修改。 多面圆顶结构与圆形圆顶结构相比，其优点主要是支座距离可以较大，同时 建筑外形活泼。多面圆顶结构比肋形圆顶结构经济，自重较轻。,（二）圆顶的结构组成,圆顶结构由壳身、支座环、下部支承构件 三部分组成。,圆顶的支承结构,圆
13、顶结构中的支座环对圆顶起箍的作用， 可有效地阻止圆顶在竖向荷载作用下的 裂缝开展及破坏，保证壳体基本上处于 受压的工作状态，并实现结构的空间平衡。 圆顶通过支座环搁置在支承构件上。 圆顶可以通过支座环直接支承在房屋的 竖向构件上（如砖墙、柱等），也可以 支承在外拱或斜柱上。斜拱或斜柱可以 按正多边形布置，并形成相应建筑平面。 在建筑处理上，通常将斜拱或斜柱外露， 使圆顶与斜拱形式协调，风格统一,（三）圆顶的受力特点,一般情况下壳面的径向和环向弯矩较小可以忽略，壳面内可按无弯矩理论计算。 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内力
14、, 从此可以看出，圆顶结构可以充分 利用材料的强度。,（a）圆顶受力破坏示意 （b）法向应力状态 （c）环向应力状态 （d）壳面单元体的主要内力,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。由于支座对壳面边缘变形的约束作用，壳面 的边缘附近产生径向的局部弯矩。,支座环对球壳内力的影响,（四）圆顶壳板的主要尺寸及构造要求,古代厚实的砖石圆顶，跨度可达3040m。现代球壳经济跨度可达100m， 是壳体结构中跨度最大者。目前世界上最大球壳跨度为207m。球壳矢高一般 取f=（1/51/2）L。球壳因内力不大，壳厚一般由构造要求与稳定确定。壳 厚很薄，一般取曲率
15、半径的1/600,但最薄50mm，通常为50150mm。 因壳底边缘与支座两者变形不协调而产生干扰，使壳边缘产生径向弯距，其值 不大，且衰减很快。为此需要采取下列措施： （1）在壳体边缘(1/51/12)L范围内，局部加厚混凝土到120150mm， 厚度应连续增加不能突变，并在此范围内应配双层钢筋。 （2）采用预应力混凝土支座环，能消减边缘干扰，节约钢材，对大跨球壳 意义尤大。壳内应采用径向配筋与环向配筋。,（五）圆顶的工程实例,1新疆某机械厂金工车间,2.罗马小体育宫,罗马奥林匹克小体育宫为钢筋混凝土网状扁球壳结构。球壳直径为59m。,3.德国法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅,德国法兰克福市
16、霍希斯特染料厂游艺大厅主要部分为一个球形建筑物， 系正六边形割球壳。该大厅可供10004000名观众使用，可举行音乐会、 体育表演、电影放映、工厂集会等各种活动。,六、折板结构,（一）折板结构的组成,折板结构是由许多薄平板，以一定角度相互整体联结而成的空间结构体系。 折板结构与筒壳相似，一般由折板、边梁和横隔三部分组成。,边梁的间距,折板主要起承重和围护作用。折板沿横向按简支板或连续板受力，沿纵向 按简支梁或连 续梁受力。边梁（或边棱）的作用是: 作为简支板或连续板的横向支座； 联结相邻的斜板，加强折板的纵向刚度； 增强折板的平面外刚度； 对折板起加劲的作用。 横隔的作用是： 保证折板结构为双向受力的空间结构体系； 作为折板梁的纵向支座，承受折板传来的顺剪力，并传给下部支承构件； 作为折板的板端边框，加强折板的横向刚度，并保持折板的几何形状不变。 边梁与横隔的构造与筒壳相似，因为折板结构的波长 一般在12m以内，,横隔的跨度较小，所以，横隔的构件多采用横隔梁、三角形框架梁等型式。,为折板的波长；,横隔的间距,为折板的跨
