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1、第五第五章章 空间薄壁结构空间薄壁结构第一节第一节 概述概述 一、发展简况一、发展简况广泛存在于自然中广泛存在于自然中种子，果壳，蛋壳，种子，果壳，蛋壳，贝壳等。贝壳等。广泛存在于日常生活广泛存在于日常生活中中锅，碗，帽，锅，碗，帽，灯泡，乒乓球。灯泡，乒乓球。1958.1958.北京火车站北京火车站上右：上右：1964.1964.北京北京网球馆网球馆下左：下左：1954.1954.北京北京展览馆展览馆2 2、优缺点、优缺点优点优点：（1 1）材料省材料省经济经济 （2 2）自重轻自重轻大跨大跨 （3 3）曲面多样曲面多样建筑造型丰富建筑造型丰富缺点：缺点： （1 1）施工复杂，费模板施工复杂
2、，费模板 （2 2）保温隔热效果不好，易开裂保温隔热效果不好，易开裂 （3 3）曲面易引起混响与反射，不适曲面易引起混响与反射，不适合于音响效果要求高的大会堂，影剧院等。合于音响效果要求高的大会堂，影剧院等。多用于市场、食堂、博物馆、车站、航站多用于市场、食堂、博物馆、车站、航站楼、机库、体育馆等。楼、机库、体育馆等。3 3、常见型式、常见型式薄壳结构分为薄壳结构分为球壳球壳、筒壳筒壳、扁壳扁壳和和扭壳扭壳这这四种主要结构类型。四种主要结构类型。 球壳球壳 筒壳筒壳3 3、常见型式、常见型式 扁壳扁壳 扭壳扭壳二、曲面二、曲面理论相关知识理论相关知识 1基本概念：基本概念：（1）薄壳薄壳：壳体
3、结构一般是由上、下两个几何：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。当曲面构成的空间薄壁结构。当不随坐标位置不随坐标位置的不同而改变时，称为的不同而改变时，称为等厚壳等厚壳；反之，称为；反之，称为变厚度壳变厚度壳。两个曲面之间的距离称为壳体的。两个曲面之间的距离称为壳体的厚度厚度，当壳体结构的两个曲面之间的距离当壳体结构的两个曲面之间的距离 （厚度）远远小于壳体的最小曲率半径（厚度）远远小于壳体的最小曲率半径R时，称时，称为为薄壳薄壳结构结构。（。（ 一般要求一般要求/R1/20）（2）中曲面中曲面：等分壳体各点厚度的几何曲面称：等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的为壳体的中曲面
4、中曲面。薄壳结构，可以仅以中曲。薄壳结构，可以仅以中曲面的方程描述整个结构的变形及内力。面的方程描述整个结构的变形及内力。（3）高斯曲率高斯曲率：曲面上任意一点上的高斯曲：曲面上任意一点上的高斯曲率等于该点两主曲率的乘积：率等于该点两主曲率的乘积：K=k1k2=1/R1R2 A正高斯曲率：正高斯曲率： K=k1k20 B负高斯曲率：负高斯曲率： K=k1k251 49 时时圆顶环向圆顶环向上部受压，上部受压，下部受拉下部受拉。（2）壳板的构造）壳板的构造A.厚度：球壳因内力不大，壳厚一般由构造厚度：球壳因内力不大，壳厚一般由构造要求与稳定确定。壳厚要求与稳定确定。壳厚很薄，取圆顶半径很薄，取圆
5、顶半径的的1/600。钢筋混凝土圆顶钢筋混凝土圆顶： 4040装配整体式圆顶：装配整体式圆顶： 3030B.受压区域，按受压区域，按0.2的构造配筋。的构造配筋。C.由于支座环对边缘有约束作用，壳板边缘由于支座环对边缘有约束作用，壳板边缘附近将会产生局部弯矩。因此，壳板边缘在附近将会产生局部弯矩。因此，壳板边缘在（1/121/10）D（壳体直径）的范围内，（壳体直径）的范围内，壳厚加厚，并壳厚加厚，并配置双层钢筋配置双层钢筋。加厚部位曲线。加厚部位曲线过渡。过渡。2.支座环受力特点及构造支座环受力特点及构造（1）受力特点：）受力特点：壳体传来的推力使支座环受拉，壳体传来的推力使支座环受拉，在竖
6、向受弯、剪。在竖向受弯、剪。（2）构造要求：）构造要求：A.对普通混凝土梁，对普通混凝土梁，钢筋要求焊接。钢筋要求焊接。 B.采用预应力环梁。采用预应力环梁。 （用于大跨度圆顶结构）（用于大跨度圆顶结构） 3.壳体顶部开洞的构造要求：壳体顶部开洞的构造要求：应在设置环梁予以加强。环梁与壳边连接部位应在设置环梁予以加强。环梁与壳边连接部位产生局部弯矩，布置双层钢筋，壳板与上环梁产生局部弯矩，布置双层钢筋，壳板与上环梁的连接方式如下：的连接方式如下：由于圆顶上部受压，故环梁内的轴向力为由于圆顶上部受压，故环梁内的轴向力为压力压力。第三节第三节 筒壳与锥壳筒壳与锥壳由于其外形似圆柱体，故又叫柱面壳。
7、筒壳由于其外形似圆柱体，故又叫柱面壳。筒壳外形简单，是外形简单，是单曲面壳体单曲面壳体，零高斯曲率壳，零高斯曲率壳，其纵向为直线，有其纵向为直线，有横向刚度小横向刚度小的的缺点缺点，但其，但其最大的最大的优点优点是是可以使用直模板可以使用直模板，施工方便，施工方便，省工省料，这也是其在历史上最早出现，至省工省料，这也是其在历史上最早出现，至今仍大量应用的原因。今仍大量应用的原因。一一. .筒壳结构的组成与形式筒壳结构的组成与形式1.组成：筒壳一般由组成：筒壳一般由壳板壳板、边梁边梁和和横隔横隔三部分三部分组成。组成。两横隔两横隔之间的距里之间的距里L1称为筒壳的称为筒壳的跨度跨度；两侧边构两侧
8、边构件件（边梁）之间的水平距里（边梁）之间的水平距里L2称为筒壳的称为筒壳的波长波长；跨度方向称为纵向，沿波长方向称为横向。不包跨度方向称为纵向，沿波长方向称为横向。不包括侧边构件在内的高度称为筒壳的括侧边构件在内的高度称为筒壳的矢高矢高 。包括包括侧边构件在内的高度称为筒壳的侧边构件在内的高度称为筒壳的截面高度截面高度h。（1）.壳板壳板：筒壳壳板的曲线线型可以是圆弧：筒壳壳板的曲线线型可以是圆弧形、椭圆形、抛物线形等，一般都采用圆弧形。形、椭圆形、抛物线形等，一般都采用圆弧形。（2）.侧边构件侧边构件：其与壳板共同工作，整体受：其与壳板共同工作，整体受力，减少壳体的竖向及水平位移。常用的边
9、梁力，减少壳体的竖向及水平位移。常用的边梁形式如图所示：形式如图所示：边梁的作用如下：边梁的作用如下：A.作为壳板的纵向边框。因壳板很薄，其边缘作为壳板的纵向边框。因壳板很薄，其边缘应予以加强。应予以加强。B.减少壳板纵向边缘的竖向与侧向变形。减少壳板纵向边缘的竖向与侧向变形。C.作为筒壳的一部分，承受壳板传来的力。作为筒壳的一部分，承受壳板传来的力。D.可与挑檐、女儿墙、天沟等结合一起设计。可与挑檐、女儿墙、天沟等结合一起设计。（3）横隔横隔：是筒壳的纵向支承。其作用：是筒壳的纵向支承。其作用：A.保持壳体的形状保持壳体的形状B.形成筒壳的空间刚度并保证筒壳的空间工作形成筒壳的空间刚度并保证
10、筒壳的空间工作C.作为筒壳的支座承受由壳板传来的顺剪力作为筒壳的支座承受由壳板传来的顺剪力常见的横隔形式如下：常见的横隔形式如下：A.弧形横隔弧形横隔梁梁B.等高横隔等高横隔梁梁C.拉杆拱拉杆拱D.拱形刚架拱形刚架E.桁架桁架F.悬挑桁架悬挑桁架G.空腹桁架空腹桁架H.框架横隔框架横隔2.型式：根据型式：根据L1/L2比值的不同，分为比值的不同，分为长壳、短长壳、短壳、中长壳壳、中长壳二二. .筒壳的受力特点及构造：筒壳的受力特点及构造：筒壳是空间结构，内力计算比普通结构要复杂筒壳是空间结构，内力计算比普通结构要复杂的多。其在横向以拱的形式承荷和传力，在的多。其在横向以拱的形式承荷和传力，在曲
11、面内产生横向压力；在纵向以纵梁的形式曲面内产生横向压力；在纵向以纵梁的形式把荷载传给横隔。因此，把荷载传给横隔。因此，筒壳是横向拱与纵筒壳是横向拱与纵向梁共同作用的空间结构向梁共同作用的空间结构。当。当L1/L2不同时，不同时，筒壳的受力整体也不同。筒壳的受力整体也不同。1.长壳（长壳（L1/ L2 3) ：（1）受力状态受力状态：由于跨度很大，纵由于跨度很大，纵向支承柔性很大，向支承柔性很大，即认为壳板与边梁即认为壳板与边梁共同工作，相当于共同工作，相当于曲面截面梁，两端曲面截面梁，两端横隔是梁的支承。横隔是梁的支承。可按材料力学中的可按材料力学中的“梁理论梁理论”计算。计算。“梁梁”在纵向
12、均布荷载作用下，在纵向均布荷载作用下，壳板主要处于受压状态，壳板主要处于受压状态，相当于梁截面的受压区，相当于梁截面的受压区，边梁主要处于受拉状态，边梁主要处于受拉状态，壳板和边梁的顺剪力则壳板和边梁的顺剪力则传给横隔。传给横隔。（2 2）主要）主要尺寸及构造：尺寸及构造：A、一般情况下，长筒壳的适用跨度、一般情况下，长筒壳的适用跨度L140M，波长波长L220M。跨度越大，壳体较厚，边梁偏高，。跨度越大，壳体较厚，边梁偏高，不经济；波长过长，横向弯矩大，也不经济。不经济；波长过长，横向弯矩大，也不经济。B、壳板厚、壳板厚（1/3001/500）L2，但不小于，但不小于50mm，由于壳板与边梁
13、连接处横向弯矩过大，由于壳板与边梁连接处横向弯矩过大，靠近边梁附近的壳板宜加厚。靠近边梁附近的壳板宜加厚。C、矢高、矢高 （1/81/81/61/6）L L2 2， hh（1/151/151/10)L1/10)L1 1，否则，将影响壳体的强度和刚度；壳体边缘坡否则，将影响壳体的强度和刚度；壳体边缘坡度不宜超过度不宜超过4040度，否则，混凝土浇注时塌落，度，否则，混凝土浇注时塌落，沥青流淌。沥青流淌。2.短壳（短壳（L1/L20.5）：）：（1）受力特性：由于筒壳的横隔间距很小，）受力特性：由于筒壳的横隔间距很小，筒壳横向的拱作用明显，而纵向梁的传力筒壳横向的拱作用明显，而纵向梁的传力作用很小
14、，因此近似于拱的作用。即认为作用很小，因此近似于拱的作用。即认为壳体内的薄膜内力以顺剪力为主，类似嵌壳体内的薄膜内力以顺剪力为主，类似嵌固在横隔上的拱板。固在横隔上的拱板。（2）构造：）构造：A A、矢高、矢高 B B、配筋可按构造确定。、配筋可按构造确定。C C、当、当L L1 16 612M12M，L L2 2 30M时，壳板的厚度时，壳板的厚度随横隔间距的不同而不同。参见表随横隔间距的不同而不同。参见表5.1281L 3.中长壳（中长壳（0.5L1/L23） 其受力介于长、短壳之间，其受力时拱和梁的其受力介于长、短壳之间，其受力时拱和梁的作用都明显，壳体既存在薄膜内力又存在弯曲应作用都明
15、显，壳体既存在薄膜内力又存在弯曲应力，计算复杂。力，计算复杂。三、壳体屋顶天然采光与洞口处理三、壳体屋顶天然采光与洞口处理 由于筒壳覆盖面积大，需要通过四周外墙和中由于筒壳覆盖面积大，需要通过四周外墙和中部天窗天然采光。而壳体是个整体，天窗洞口会部天窗天然采光。而壳体是个整体，天窗洞口会直接影响到筒壳的受力，室内空间与结构造型，直接影响到筒壳的受力，室内空间与结构造型，通常有下列解决的方法：通常有下列解决的方法：横隔的间距（横隔的间距（m）6789101112壳板的厚度（壳板的厚度（m m ）56677889101.外墙开侧窗：框架作为横隔，在壳端山墙外墙开侧窗：框架作为横隔，在壳端山墙上开采
16、光侧窗，但要注意不破坏端横隔。上开采光侧窗，但要注意不破坏端横隔。2.玻璃砖采光孔：在筒壳混凝土中直接镶嵌与筒壳壳玻璃砖采光孔：在筒壳混凝土中直接镶嵌与筒壳壳板等厚的小尺寸玻璃砖。（玻璃砖不受力，故尺寸板等厚的小尺寸玻璃砖。（玻璃砖不受力，故尺寸不能太大）。不能太大）。3.纵向天窗：必须不破坏筒壳的受力性能。天窗宽不纵向天窗：必须不破坏筒壳的受力性能。天窗宽不能太大。短壳：能太大。短壳：B L2/3， 长筒壳长筒壳BL2/4，纵向长度不，纵向长度不限，但在孔洞四周应设边梁收口并沿孔限，但在孔洞四周应设边梁收口并沿孔洞纵向每隔洞纵向每隔23M设置横撑加强。开天窗设置横撑加强。开天窗后，剩下的每侧
17、短筒壳要求其宽度后，剩下的每侧短筒壳要求其宽度B21/3L1/3L2 2 ，且，且B2 L L1 1（当（当B2 L L2A.若采用短筒壳，通常短向若采用短筒壳，通常短向L2为横隔跨度。为横隔跨度。B.当建筑平面短边当建筑平面短边L2较大时，应改用长向布置较大时，应改用长向布置的多波单跨长筒壳。但这时室内仍将出现几条的多波单跨长筒壳。但这时室内仍将出现几条长边梁。长边梁。C.长向布置长筒壳并不合理，一般应该短向长向布置长筒壳并不合理，一般应该短向布置多波单跨长筒壳。布置多波单跨长筒壳。D.遇开间宽、进深浅的车库、飞机库一类建遇开间宽、进深浅的车库、飞机库一类建筑物，最好的方案是采用单波或多波多
18、跨短筑物，最好的方案是采用单波或多波多跨短筒壳。筒壳。筒壳结构布置筒壳结构布置 总之，单曲面筒壳的根本特点是曲面的纵向总之，单曲面筒壳的根本特点是曲面的纵向是直线。它既有利，又有弊。是直线。它既有利，又有弊。“直直”利于模板利于模板的制作、架设、拆除与重复使用。然而，正由的制作、架设、拆除与重复使用。然而，正由于其纵向是直线，其横向的抗弯强度与刚度非于其纵向是直线，其横向的抗弯强度与刚度非常弱，与壳体结构的优越性很不相称。这也是常弱，与壳体结构的优越性很不相称。这也是所有的单曲面壳（包括筒壳、锥壳、劈锥壳等所有的单曲面壳（包括筒壳、锥壳、劈锥壳等通病。故此，人们尝试着走双曲面壳的路。在通病。故此，人们尝试着走双曲面壳的路。在这条路的一开始，很自然的就与建筑物的圆顶这条路的一开始，很自然的就与建筑物的圆顶联系在一起了。联系在一起了。工程实例：1、巴黎戴高乐机场第二空港楼、巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅厅所在地：巴黎所在地：巴黎建造时间：建造时间：1992年建筑设计：保罗建筑设计：保罗. .安德鲁安德鲁结构类别：结构类别：上部结构是混凝土筒壳2、同济大学大礼堂、同济大学大礼堂3、金贝尔、金贝尔美术馆美
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