结构选型薄壳结构PPT课件
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t/R≤1/20的壳体定义为薄壳）。
第一节 概 述
一 、薄壳结构的概念 ➢概念 • 壳体结构
➢比较
• 等厚度壳
• 薄壳
双轴力 顺剪力
平板
双弯矩 扭矩
➢优点
壳体
空间受力 薄膜内力
薄膜内力
很大的强度、刚度 材料强度充分利用
一 、薄壳结构的概念
➢中曲面
➢高斯曲率
Kk1k2
1 1 R1 R2
(1)
法
截
线
肋形圆顶
多面圆顶
第二节 圆 顶
一 、圆顶的结构组成及结构形式
2.支座环
作用： 阻止裂缝开展 保证壳体处于受压工作状态 实现结构的空间平衡
支座环
一 、圆顶的结构组成及结构形式
3.支承结构的类型
•支承在竖向承重构件上 •支承在斜柱或斜拱上
•支承在框架上
斜拱
•象落地拱直接落地并支承在基础上
二 、圆顶的受力特点
➢中长壳 1/2l1/l23 拱和梁的作用都明显。 存在薄膜内力和弯曲内力，按弯矩理论或半弯矩理论计算
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
第四节 双曲扁壳
扁壳： f /l 1/5（微弯平板） 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。
一 、双曲扁壳的组成 ——椭圆抛物面扁壳
➢边缘构件
•种类： 带拉杆的拱，拱形桁架，薄腹梁， 拱形刚架
•要求： 具有较大的刚度 在四角交接处应有可靠连接构造措施
二 、双曲扁壳的受力特点
➢薄膜内力为主 ➢三个受力区
1 中央区： 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
1.圆顶的破坏
2.圆顶的薄膜内力
壳面单元体的主要内力
经向应力状态
环向应力状态
二 、圆顶的受力特点
3.支座环的受力
支座环
三、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 施工时起重机安装在中央天窗处 十分合理
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别 筒壳 横向 与拱类似 壳身产生环向压力
纵向 与梁类似 把上部竖向荷载传递给横隔
➢长壳 l1/l2 3 横向拱的作用小；纵向梁传力显著。近似梁作用 按梁理论计算
➢短壳 l1/l21/2 横向拱的作用明显；纵向梁传力作用很小。近似拱作用 内力主要为薄膜内力，按薄膜理论计算
薄壁空间结构
启发
自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的 薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬
的外壳，以抵御外界的侵袭。 以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形式存在， 在蛋壳上施加均布力，一般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位， 但实际情况结构产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如 果一枚鸡蛋的横径在4厘米左右，那么蛋壳厚度就只有0.38毫米 ，二者的比值接近1：105。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然 而，蛋壳的形状可以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均 匀散开。特别是当它均匀受力时，抗压性就更大了，远不是看 上去的那么脆弱。可见薄壳结构运用到大跨度建筑中，能够达 到满应力设计准则的要求。人们从这些天然壳体中受到启发， 利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，创造出各种形式的薄 壳结构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
➢边梁(侧边构件)： ➢横隔板
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
➢边梁的型式
a 最经济
b 适用于边梁下有墙或中间支承的建筑 c 适用于小型筒壳
d 边梁可兼作排水沟
一 、筒壳的结构组成
➢横隔板的型式
框架横隔
空腹桁架横隔
二 、筒壳的受力特点
一 、薄壳结构的概念
➢按高斯曲率分类
0
Kk1k2
0
0
零高斯曲率 正高斯曲率 负高斯曲率
零高斯曲率
正高斯曲率
负高斯曲率
二 、薄壳结构的曲面形式
➢旋转曲面
由一条平面曲线绕着该平面内某一指定的直线旋转一周所 形成的曲面
二 、薄壳结构的曲面形式
➢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
四周有拱形高窗，采光充分 检票口通廊： 五个双曲扁壳，中间的为21.5m*21.5m，其余16.5m*16.5m
矢高3.3m，厚度60mm，每个顶盖均可采光
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
第五节 双曲抛物面扭壳
扭面也可以认为是从双 曲抛物面中沿直纹方向 截取的一部分，如abcd
2 边缘区： 壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小
3 四角区：
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
三 、工程实例 ➢北京火车站
中央大厅顶盖、检票口通廊——双曲扁壳 中央大厅顶盖：35m*35m，f=7m，厚度80mm；
椭圆抛物面
双曲抛物面
二 、薄壳结构的曲面形式
➢平移曲面
椭圆抛物面
双曲抛物面
二 、薄壁结构的曲面形式
➢直纹曲面
由一段直线（母线）的两端分别沿着二固定曲线（导线） 移动所形成的曲面
扭曲面
柱面
扭面也可认为是从双曲 抛物面中沿直纹方向截 取的一部分
二 、薄壁结构的曲面形式
➢直纹曲面
•锥面:
由一段直线（母线）沿一竖向曲线（导线）移动并始终通过 一定点形成的曲面
双弯矩 扭矩 横向剪力
➢薄膜内力为主要内力的情况：
四、薄壳结构的施工方法
➢现浇混凝土壳体 ➢预制单元、高空装配成整体壳体 ➢地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升 ➢装配整体式叠合壳体 ➢采用柔膜喷涂成壳
北京天文馆
第二节 圆 顶
一 、圆顶的结构组成及结构型式
壳身 支座环
1.壳身结构
下部支承
平滑圆顶
➢壳体稳定性好 上凸——薄拱（受压）
下凹——索网（受拉）
•劈锥曲面 由一段直线（母线）沿一直导线和一根竖向曲导线移动并始 终平行于一导平面形成的曲面
劈锥曲面
锥面
曲面的组合
双曲扁壳 柱壳
扭壳
劈锥壳
Fra Baidu bibliotek
锥形壳
三、薄壳结构的内力
壳体结构的内力
薄膜内力：
N x N y Sxy Syx
双轴力 顺剪力
弯曲内力：
薄膜内力
M x M y Mxy Myx V x V y
第一节 概 述
一 、薄壳结构的概念 ➢概念 • 壳体结构
➢比较
• 等厚度壳
• 薄壳
双轴力 顺剪力
平板
双弯矩 扭矩
➢优点
壳体
空间受力 薄膜内力
薄膜内力
很大的强度、刚度 材料强度充分利用
一 、薄壳结构的概念
➢中曲面
➢高斯曲率
Kk1k2
1 1 R1 R2
(1)
法
截
线
肋形圆顶
多面圆顶
第二节 圆 顶
一 、圆顶的结构组成及结构形式
2.支座环
作用： 阻止裂缝开展 保证壳体处于受压工作状态 实现结构的空间平衡
支座环
一 、圆顶的结构组成及结构形式
3.支承结构的类型
•支承在竖向承重构件上 •支承在斜柱或斜拱上
•支承在框架上
斜拱
•象落地拱直接落地并支承在基础上
二 、圆顶的受力特点
➢中长壳 1/2l1/l23 拱和梁的作用都明显。 存在薄膜内力和弯曲内力，按弯矩理论或半弯矩理论计算
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
第四节 双曲扁壳
扁壳： f /l 1/5（微弯平板） 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。
一 、双曲扁壳的组成 ——椭圆抛物面扁壳
➢边缘构件
•种类： 带拉杆的拱，拱形桁架，薄腹梁， 拱形刚架
•要求： 具有较大的刚度 在四角交接处应有可靠连接构造措施
二 、双曲扁壳的受力特点
➢薄膜内力为主 ➢三个受力区
1 中央区： 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
1.圆顶的破坏
2.圆顶的薄膜内力
壳面单元体的主要内力
经向应力状态
环向应力状态
二 、圆顶的受力特点
3.支座环的受力
支座环
三、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 施工时起重机安装在中央天窗处 十分合理
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别 筒壳 横向 与拱类似 壳身产生环向压力
纵向 与梁类似 把上部竖向荷载传递给横隔
➢长壳 l1/l2 3 横向拱的作用小；纵向梁传力显著。近似梁作用 按梁理论计算
➢短壳 l1/l21/2 横向拱的作用明显；纵向梁传力作用很小。近似拱作用 内力主要为薄膜内力，按薄膜理论计算
薄壁空间结构
启发
自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的 薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬
的外壳，以抵御外界的侵袭。 以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形式存在， 在蛋壳上施加均布力，一般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位， 但实际情况结构产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如 果一枚鸡蛋的横径在4厘米左右，那么蛋壳厚度就只有0.38毫米 ，二者的比值接近1：105。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然 而，蛋壳的形状可以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均 匀散开。特别是当它均匀受力时，抗压性就更大了，远不是看 上去的那么脆弱。可见薄壳结构运用到大跨度建筑中，能够达 到满应力设计准则的要求。人们从这些天然壳体中受到启发， 利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，创造出各种形式的薄 壳结构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
➢边梁(侧边构件)： ➢横隔板
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
➢边梁的型式
a 最经济
b 适用于边梁下有墙或中间支承的建筑 c 适用于小型筒壳
d 边梁可兼作排水沟
一 、筒壳的结构组成
➢横隔板的型式
框架横隔
空腹桁架横隔
二 、筒壳的受力特点
一 、薄壳结构的概念
➢按高斯曲率分类
0
Kk1k2
0
0
零高斯曲率 正高斯曲率 负高斯曲率
零高斯曲率
正高斯曲率
负高斯曲率
二 、薄壳结构的曲面形式
➢旋转曲面
由一条平面曲线绕着该平面内某一指定的直线旋转一周所 形成的曲面
二 、薄壳结构的曲面形式
➢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
四周有拱形高窗，采光充分 检票口通廊： 五个双曲扁壳，中间的为21.5m*21.5m，其余16.5m*16.5m
矢高3.3m，厚度60mm，每个顶盖均可采光
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
第五节 双曲抛物面扭壳
扭面也可以认为是从双 曲抛物面中沿直纹方向 截取的一部分，如abcd
2 边缘区： 壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小
3 四角区：
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
三 、工程实例 ➢北京火车站
中央大厅顶盖、检票口通廊——双曲扁壳 中央大厅顶盖：35m*35m，f=7m，厚度80mm；
椭圆抛物面
双曲抛物面
二 、薄壳结构的曲面形式
➢平移曲面
椭圆抛物面
双曲抛物面
二 、薄壁结构的曲面形式
➢直纹曲面
由一段直线（母线）的两端分别沿着二固定曲线（导线） 移动所形成的曲面
扭曲面
柱面
扭面也可认为是从双曲 抛物面中沿直纹方向截 取的一部分
二 、薄壁结构的曲面形式
➢直纹曲面
•锥面:
由一段直线（母线）沿一竖向曲线（导线）移动并始终通过 一定点形成的曲面
双弯矩 扭矩 横向剪力
➢薄膜内力为主要内力的情况：
四、薄壳结构的施工方法
➢现浇混凝土壳体 ➢预制单元、高空装配成整体壳体 ➢地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升 ➢装配整体式叠合壳体 ➢采用柔膜喷涂成壳
北京天文馆
第二节 圆 顶
一 、圆顶的结构组成及结构型式
壳身 支座环
1.壳身结构
下部支承
平滑圆顶
➢壳体稳定性好 上凸——薄拱（受压）
下凹——索网（受拉）
•劈锥曲面 由一段直线（母线）沿一直导线和一根竖向曲导线移动并始 终平行于一导平面形成的曲面
劈锥曲面
锥面
曲面的组合
双曲扁壳 柱壳
扭壳
劈锥壳
Fra Baidu bibliotek
锥形壳
三、薄壳结构的内力
壳体结构的内力
薄膜内力：
N x N y Sxy Syx
双轴力 顺剪力
弯曲内力：
薄膜内力
M x M y Mxy Myx V x V y