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1、薄壳结构,冷乐 2010021227,1,建筑相关,薄壳结构,1.概述 2.薄壳的曲面形式 3.圆顶结构 4.筒壳结构 5.双曲扁壳结构,2,建筑相关,起源与发展 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。,3,建筑相关,发展,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世纪初叶壳体结构的发展一直缓慢 二战期间及战后壳体结构发展才迅速起来。 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。,4,建筑相关,壳结构的演变,
2、1. 两边支承的单向板只有一个方向受弯，另一个方向的抗弯能力根本没有利用； 2.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。 3.在相同荷载作用下，双向板比单向板的跨度可以大1.31.8倍。 4.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。,5,建筑相关,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。,6,建筑相关,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，能进一步发挥材力，是较先进的结构形式；
3、 壳体与此相仿，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。,7,建筑相关,定义,壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄璧结构。 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。 划分 设R为中面的曲率半径，在max(t/R)1/20的情况下，壳体可按照薄壳理论进行计算，所得结果与按厚壳理论计算所得结果比较起来，误差一般不超过通常工程上所容许的计算误差（5）。 根据上述不等式而将壳体划分成薄壳与厚壳两类。 实际应用的壳体通常是很薄的，多数在下列范围内
4、：1/1000t/Rl/50。,8,建筑相关,薄壳的特点,薄壳必须具备两个条件： 1.曲面 2.刚性 1.理解为四边支承的曲板。 2.主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重。 3.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。 4.空间整体工作性能良好，内力均匀，结构自重小； 5.强度高、刚度大、材料省、经济合理。 6.曲面多样化，丰富建筑造型。,9,建筑相关,特点,体型复杂； 现浇结构时费工费模板材料，施工不便； 板厚太小，结构厚度和保温隔热都靠这几公分厚的材料，隔热效果不好； 长期日晒雨淋容易开裂； 壳板的曲面容易引起室内声音反射和混响，对声音效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院
5、等不宜采用。,10,建筑相关,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K K k1k2。,11,建筑相关,薄壳结构的概念,1.中曲面 2.高斯曲率,12,建筑相关,按高斯曲率分类,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，双曲抛物面,K k1k2=0 零高斯曲率曲面，圆柱面、圆锥面,13,建筑相关,
6、按照形成的特点分为： 1.旋转曲面 2.平移曲面 3.直纹曲面,14,建筑相关,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。 该平面曲线可以有不同的形状，于是得到多种多样适应于圆形平面的穹窿（圆顶）屋盖,15,建筑相关,平移曲面,由一条竖向曲线做母线沿着另一条竖向曲线（导线）平行移动所形成的曲面,16,建筑相关,平移曲面,17,建筑相关,直纹曲面 双曲抛物面一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。,扭壳面与双曲抛物面,扭壳面,双曲抛物面,18,建筑相关,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
7、始终平行于一导平面而形成。,19,建筑相关,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。,20,建筑相关,圆顶薄壳,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。,21,建筑相关,圆顶的结构组成及结构型式
8、,22,建筑相关,支座环 1.是圆顶结构保持几何不变的保证； 2.作用类似于拱式结构中的拉杆； 3.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； 4.主要承受环向拉力和弯矩 5.保证壳体基本上处于受压状态；并实现结构的空间平衡。,23,建筑相关,支承结构的类型 支承在竖向承重构件上,支承在框架上,24,建筑相关,竖向承重构件 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。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。 斜柱或斜拱 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，
9、把经向推力集中起来传给基础 框架 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。 圆顶结构直接落地并支承在基础上 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，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,25,建筑相关,圆顶薄壳的内力状态,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 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
10、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。,26,建筑相关,圆顶的破坏 圆顶的薄膜内力,环向应力状态,27,建筑相关,支座环的受力,28,建筑相关,圆顶的工程实例罗马小体育宫,钢筋混凝土网肋形扁球壳结构,球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板，与壳板现浇成整体的肋形球壳,壳肋葵花图案 具有装饰性,采用36根Y字型斜柱支承 结构明朗 轻快 富有表现力,29,建筑相关,30,建筑相关,第三节 筒 壳,一 、筒壳的结构组成,边梁(侧边构件)：,是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别,横隔板,31,建筑相关,边梁的形式,a 最经济,b 适用于边梁下有墙或中间支承的
11、建筑,c 适用于小型筒壳,d 边梁可兼作排水沟,32,建筑相关,横隔板的型式,框架横隔,空腹桁架横隔,33,建筑相关,二 、筒壳的受力特点,是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别,筒壳,纵向 与梁类似 把上部竖向荷载传递给横隔,34,建筑相关,三、工程实例,我国许多纺织厂采用锯齿形的长筒壳，有利于采光,某礼堂,某飞机场,哥伦比亚塔基纳运动场的雨蓬,35,建筑相关,双曲扁壳,一 、双曲扁壳的组成,扁壳：,（微弯平板）,椭圆抛物面扁壳,优点：,矢高小，结构空间小，屋面面积相应减小，比较经济； 平面多变，适用于圆形、正多边形、矩形等建筑平面。,边缘构件,具有较大的刚度 在四角交接处应有可靠连接构造措施,要求
12、：,36,建筑相关,三 、工程实例,北京网球馆,扁壳中央隆起，适应网球在空中弧形轨迹，空间充分利用,37,建筑相关,二 、双曲扁壳的受力特点,薄膜内力为主,三个受力区,主要承受双向轴压力 按构造配筋 洞口开在此区,主要承受正弯矩 壳体下表面受拉，布置钢筋 壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小,主要承受顺剪力， 主应力为拉力配45度斜筋 主应力为压力局部增大混凝土厚度,边缘构件主要承受壳板边缘传来的顺剪力,38,建筑相关,三 、工程实例,北京火车站,39,建筑相关,薄壳的切割与组合实例,40,建筑相关,鸟瞰图,室内透视,室外透视,由三组壳体组成 每组有两个圆柱形曲面正交形成 建筑平面为四边形
13、每组壳面切割成八角形的覆盖平面丰富了建筑造型 两个柱形曲面的交线为十字形交叉拱，加强壳体，并将荷载传至支座 拱的断面突出壳面使室内形成光滑简洁的曲面 壳体边缘有加劲肋 三组壳体的相交处为采光带,美国圣路易航空港候机室,41,建筑相关,墨西哥霍奇米洛科餐厅,立面,平面,几何形体,建筑由八瓣鞍壳交叉组成，相交处加厚形成刚度极大的拱肋，直接支承在八个基础上 建筑平面为30m*30m的正方形，壳厚40mm 壳体的外围八个立面是倾斜的，整个建筑犹如一朵覆地莲花，造型别致室内采光、通风效果好,42,建筑相关,美国麻省理工学院礼堂,立面图,脚点处理,屋顶为球面薄壳，三角落地 薄壳曲面由1/8球面构成，这1/8球面是由三个与水平面夹角相等的通过球心的大圆从球面上切割出来的 薄壳平面形状为48m*41.5m的曲边三角形 薄壳的三个边为向上卷起的边梁，并通过它将壳面荷载传至三个支座。 支座为铰接。,43,建筑相关,一些薄壳结构建筑实例,44,建筑相关,台中路思义教堂,双曲薄壳结构 四片曲面完全分离，类似倒置船底，其上小下大的形状给人一种稳定的感觉，在对抗风力与地震力时甚为有力。,45,建筑相关,46,建筑相关,4
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