薄壳结构
薄壳结构原理
薄壳结构原理薄壳结构是一种常见的工程结构形式，其原理是利用薄壳的受力性能来承担外部荷载，实现结构的稳定和强度。
薄壳结构具有较高的承载能力和较小的自重，因此在建筑、桥梁、船舶等领域得到广泛应用。
本文将从薄壳结构的原理入手，介绍其受力特点、设计要点和应用范围，帮助读者更好地理解和运用薄壳结构。
首先，薄壳结构的受力特点是指其在受外部荷载作用下的受力性能。
薄壳结构主要受力于膜力和弯曲力，而薄壳的受力特点主要体现在以下几个方面：1. 膜力作用，薄壳结构在受到外部荷载作用时，其表面会产生张力和压力，形成膜力。
薄壳结构的受力性能与膜力的分布和大小密切相关，合理设计薄壳结构的形状和厚度，可以有效地控制膜力的分布，提高结构的承载能力。
2. 弯曲力作用，除了膜力外，薄壳结构还会受到弯曲力的作用。
在外部荷载作用下，薄壳结构会发生弯曲变形，产生弯曲应力。
合理设计薄壳结构的截面形状和支撑方式，可以有效地减小弯曲应力，提高结构的稳定性。
其次，设计薄壳结构需要注意的要点包括结构形状、材料选择和支撑方式。
薄壳结构的设计要点主要包括以下几个方面：1. 结构形状，薄壳结构的形状对其受力性能有重要影响。
合理选择薄壳结构的形状，可以使结构在受力时获得较好的受力性能，提高结构的承载能力。
2. 材料选择，薄壳结构的材料选择直接影响其受力性能和使用寿命。
合理选择材料，可以提高薄壳结构的强度和稳定性，延长结构的使用寿命。
3. 支撑方式，薄壳结构的支撑方式对其受力性能和稳定性有重要影响。
合理选择支撑方式，可以有效地减小结构的变形和应力，提高结构的稳定性。
最后，薄壳结构在建筑、桥梁、船舶等领域有着广泛的应用。
薄壳结构的应用范围主要包括以下几个方面：1. 建筑领域，薄壳结构在建筑领域主要应用于大跨度建筑和特殊形状建筑。
例如，穹顶结构、折板结构和双曲面结构等都是薄壳结构的典型应用。
2. 桥梁领域，薄壳结构在桥梁领域主要应用于特殊形状桥梁和大跨度桥梁。
薄壳结构
四、薄壳结构的施工
施工方法对造价影响很大。 1、现浇混凝土壳体 2、预制单元、高空装配成整体壳体 3、地面现浇壳体或预制单元装配后整体 提升 4、装配整体式叠合壳体 5、采用柔模喷涂成壳
第二节
圆顶薄壳
圆顶是正高斯曲率的旋转曲面壳。 圆顶薄壳结构具有良好的空间工作性能， 能以很薄的圆顶覆盖很大的跨度，广泛 用于大型公共建筑如天文馆、展览馆、 剧院等。
三、薄壳结构内力
1）薄膜内力（中曲面内）：正向力、顺剪力 2）弯曲内力（中曲面外）：横剪力、弯距、扭距 理论上，当t/R《1/20且能满足下列条件时： 壳体具有均匀连续变化的曲面； 壳体上的荷载是均匀连续分布的； 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。薄膜 内力是壳体结构的主要内力。
北京天文馆－－直径25m的圆顶薄壳，壳 厚仅为60mm。
花之圣母教堂 欧洲
布鲁涅内斯基
一、圆顶薄壳的组成及结构型式
一般由壳身、支座环、下部支承结构组成。 1、壳身结构
按构造的不同，可分为平滑圆顶、肋形圆 顶和多面圆顶。
• 当建筑上由于采光要求需将圆顶表面划 分成若干区格；或当壳体承受集中荷载 时；或当壳身厚度太小、不能保证壳体 的稳定；或采用整体式结构时用肋形圆 顶。
3）锥面与锥状面
锥面是一直母线沿一竖向曲线移动，并始 终通过一定点而形成的曲面。如锥面壳。 锥状面: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。如锥状面壳。
4、复杂曲面
在上述基本几何曲面上任意切取一 部分，或将曲面进行不同的组合，便可 得到各种各样的复杂曲面。
• 按高斯曲率的符号划分： 1）正高斯曲率的曲面 K>0 2）零高斯曲率的曲面K=0 3）负高斯曲率的曲面K<0
薄壳结构
•
那贝壳形尖屋顶，是由2194块每块重15.3吨的弯曲形 混凝土预制件，用钢缆拉紧拼成的，外表覆盖着105 万块白色或奶油色的瓷砖。 据设计者晚年时说，他当 年的创意其实是来源于橙子。正是那些剥去了一半皮 的橙子启发了他。而这一创意来源也由此刻成小型的 模型放在悉尼歌剧院前，供游人们观赏这一平凡事物 引起的伟大构想。
悉尼歌剧院，Sydney Opera House ，位于澳大利亚新 南威尔士州的首府悉尼市贝尼朗岬澳大利亚的象征性标志，被联合国教科文组织列入 《世界文化遗产名录》。
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悉尼歌剧院的外观为 三组巨大的壳片，耸 立在南北长186米、 东西最宽处为97米的 现浇钢筋混凝土结构 的基座上。第一组壳 片在地段西侧，四对 壳片成串排列，三对 朝北，一对朝南，内部是大音乐厅。第二组在地段东 侧，与第一组大致平行，形式相同而规模略歌剧厅。 第三组在它们的西南方，规模最小，由两对壳片组成， 里面是餐厅。其他房间都巧妙地布置在基座内。整个 建筑群的入口在南端，有宽97米的大台阶。车辆入口 和停车场设在大台阶下面。
薄壳结构
悉尼歌剧院
•
壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为 筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料 大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度， 同时又能将承重与围护两种功能融合为一。实际工程 中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特 新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。 薄壳结构的优点是可以把受到的压力均匀地分散到物 体的各个部分，减少受到的压力。许多建筑物屋顶都 运用了薄壳结构的原理。
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悉尼歌剧院在外观整体上看，有由十对壳体组成的3组白色 壳状屋顶，两个剧院占用两组大的壳体，另外一组小壳体为 餐厅，其中歌剧厅、音乐厅与休息厅并排而立，各由四块巨 大的壳状屋顶覆盖，这些壳状屋顶依次排列，前三个一个盖 着一个，面向海湾依抱，最后一个则背向海湾侍立。可以认 为，单个壳体之间的组合是其屋顶的基本组成成分。与巨大 的壳形屋顶相协调的是底部高达19 rn的基座，这为屋顶结构 提供了一个有效地抗侧推力的手。
薄壳结构原理
薄壳结构原理
薄壳结构原理是指一种由薄壳构件组成的结构系统。
薄壳结构的特点是其壁厚相比其宽度和长度很小，因此结构在受力时会出现较大的弯曲变形，而不是拉伸或压缩。
薄壳结构的形状可以是多种多样的，如圆柱形、圆形、椭圆形或自由曲面等。
这些形状的选择不仅要考虑结构所承受的力的方向和大小，还要考虑结构的外形美观和实用性。
薄壳结构的强度和稳定性是其设计的重要考虑因素。
在设计过程中，需要考虑结构的截面形状、材料的强度和刚度等因素，以确保结构在受外力作用时不会发生失稳或破坏。
在薄壳结构的力学行为分析中，常常使用弯曲理论和薄壳理论。
弯曲理论主要用于描述结构在弯曲载荷下的行为，而薄壳理论则用于描述结构在较大变形下的行为。
薄壳结构的设计和施工需要综合考虑结构的力学性能、材料的选择、施工工艺等因素。
合理的设计和施工可以提高结构的稳定性和承载能力，确保结构的安全可靠性。
总之，薄壳结构原理是一种基于薄壳材料的结构设计理论，通过合理的设计和施工，可以实现结构的优化和高效运用。
第三章薄壳结构
第二节 结构分析
一．结构内力
以应力表示
以内力表示 3个薄 膜内 力 Nx , Ny , Nxy = Nyx
5个弯 曲内 力 Mx , M y , Qx , Qy , Mxy = M yx 共计 个内力 8
二．分析方法
1. 解析法
直接以数学方式得到基本方程的解。
2. 半解析法
对平衡方程或几何方程、 物理方程中省略 某些项。
2 2 2 2 k
Et D= 12 1−ν 2
3
(
)
薄膜 内力 ∂Φ Nx = 2 ∂y
2
弯曲 力 内 ∂2w ∂2w Mx = −D 2 +ν 2 ∂x ∂y ∂ w ∂ w My = −D 2 +ν 2 ∂y ∂x ∂2w Mxy = −D(1−ν ) ∂x∂y ∂ 2 Qx = −D ∇ w ∂x ∂ 2 Qy = −D ∇ w ∂y
重200kg/m2。 t R = 60 12500 ≈ 1 208
◆ 移动曲面
筒壳
锯齿形锥壳
山西平遥县棉织厂厂房扩建工程，建于1983年。
折板
◆ 组合曲面
圆柱面切割组合
组合扭面
美国TWA环球航空公司候机楼
美国著名建筑师 沙里宁1961年设计，用4片钢筋砼扁壳组成，形似一只 正要起飞的大鸟。
q
qϕ = q sin ϕ，qr = qconϕ q
rd ϕ 0
r sinϕ0
ϕ0
ϕ
r
Nϕ0
ϕ0 dϕ 0
ϕ0
r
Nϕ 0
当只考虑壳自重荷载时，由 ∑Z = 0 有
∫
ϕ
0
q2πr2 sin ϕ0dϕ0 = −2πr2 (1− cosϕ)q
建筑结构：薄壳结构
3. 几种主要薄壳结构的受力特点
• 薄壳主要是承受由于各种作用而产生的中 面内力（薄膜力），即受到平行于表面作 用的应力，有时也存在面外作用的弯矩、 剪力和扭矩等其他内力。
3.1球壳
• 球壳为旋转曲面壳，可以是圆球面壳、椭球面壳或旋转抛物面 壳等多种形式，为正高斯曲面，通常被称为穹顶。由于它在水 平面上的投影为圆，非常适合于平面为圆形以及正多边形的集 中式大跨建筑，自古以来，从古典建筑中的神庙、教堂，到近、 现代建筑中的天文馆、杂技场等，都有广泛的应用。 • 过去，人们对球壳中的内力分布并不十分清楚，许多传统建筑 中的穹顶经常发生开裂现象。以圆球形壳体为例，壳体中，沿 经向德薄膜力总是压力，而沿纬向的薄膜力并不都是压力，压 力自上而下逐渐减小，越过一个分界线后便成为拉力，且逐渐 增大。对于等厚度圆球形薄壳，在自重作用下，这一分界线位 于幅角为51?49′处。因此，对于幅角较大的穹顶式壳体，在支 座处设置抗拉环，并且在壳体适当部位增设方向抗拉构件是非 常必要的。特别是在支座环附近，往往内力分布较为复杂，构 造上还要做特殊处理，以抵御局部弯矩作用。 • 球壳经过裁切，并增加边梁或其他边缘构件，可以用于正方形、 正多边形和其他平面形式断面可以为圆、椭圆或抛物线等曲线形式， 是一种零高斯曲面，适用于矩形平面建筑。可采用单波或多波形式。 由于其形态简单，对于钢筋混凝土筒壳来说，模板制作简便，并可重 复使用，非常便于连续施工。 • 由于筒壳为单曲面，其空间刚度较双曲面差，所以，筒壳通常离不开 边梁和横隔。横隔是筒壳的端部支撑构件，可以为板、桁架、框架、 拉杆拱或有一定刚度的拱形曲梁。边梁与横隔对保持筒壳的形态稳定、 承接壳体内力并顺利传至支座起了重要的作用。 • 筒壳横隔间的距离为I1两个边梁间距离I2位波长。跨度和波长的比值 不同，对筒壳的受力特性有着很大影响，一般是根据跨度和波长比， 将筒壳分为长壳和短壳两类。 • I1/ I2>1的筒壳为长壳。长壳的受力状态与曲线截面梁相似。特别是 当I1/ I2>3时，计算中可以不考虑空间作用效用，梁的弯曲理论可以 完全适用。为适应建筑平面，工程应用时，多采用多波形式。 • I1/ I2<1的筒壳为短壳。通常I1/ I2<0.5。用于屋盖结构时，板壳矢高f 应不小于I1/8。由于短壳的横隔间距较小，与肋形拱相似，壳体内部 以薄膜力为主，弯矩很小，拱的作用十分明显。
薄壳结构调研讲解
薄壳结构班级学号：1101404-25姓名：刘益宁指导老师：彭懿日期：2013.11.20调研建筑：星海音乐厅·悉尼歌剧院·国家大剧院1薄壳结构的定义：壳，是一种曲面构建，主要承受各种作用产生的中面内的力。
薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。
壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。
2薄壳结构的特点：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。
两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。
现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。
而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。
而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。
由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理．想。
由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。
不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。
双曲抛物面案例星海音乐厅星海音乐厅位于广州二沙岛，造型奇特的外观，富于现代感，犹如江边欲飞的一只天鹅，与蓝天碧水浑然一体，形成一道瑰丽的风景线。
薄壳结构名词解释
薄壳结构名词解释
薄壳结构是一种特殊的工程结构,广泛应用于建筑、汽车、航天等领域。
这种结构的特点是采用一种非常薄的材料,如金属或塑料,在结构内部形成一个壳体,从而将结构保护和支撑起来。
本文将对薄壳结构进行解释,以帮助大家更好地了解这种结构。
薄壳结构的应用非常广泛。
例如,在汽车制造业中,薄壳结构可以用于制造汽车的外壳,具有轻量化、高强度、耐冲击等特点。
在航天领域中,薄壳结构可以用于制造航天器的壳体,用于保护内部设备和维持其形状。
此外,在建筑和桥梁等领域中,薄壳结构也可以发挥重要作用。
薄壳结构的优点在于它能够提供出色的支撑和保护性能,同时占用较少的材料。
这种结构可以减轻重量,提高生产效率和节省成本。
此外,由于薄壳结构采用非常薄的材料,因此其结构轻巧,便于安装和移动。
尽管薄壳结构在许多领域都有应用,但它们并不是一种万能的结构。
例如,由于它采用非常薄的材料,因此可能会存在一些安全隐患。
例如,在汽车领域中,薄壳结构可能会在遭受撞击时产生严重的变形和损坏。
此外,由于薄壳结构相对复杂,因此在设计和制造过程中需要非常谨慎,以避免出现错误。
薄壳结构是一种非常有趣的工程结构,可以提供出色的支撑和保护性能。
尽管它们存在一些安全隐患,但只要正确使用,薄壳结构仍然是一种非常有价值的结构。
薄壳结构案例
薄壳结构案例
薄壳结构是一种特殊的结构形式，它指的是壁厚相对较小、跨度相对较大的结构，如穹顶、圆顶、抛物面等形状。
薄壳结构通常具有较好的结构美感和空间效果，因此在建筑和工程领域中得到广泛应用。
以下是一个薄壳结构的案例：
案例：鸟巢（北京国家体育场）
鸟巢，全名为北京国家体育场，是2008年北京奥运会的主体育场，位于北京奥林匹克公园内。
它的设计灵感来自于中国传统文化的鸟巢形态，是一座著名的薄壳结构建筑。
特点：
-鸟巢是由一系列钢管和薄壳结构组成的，没有传统建筑的柱子和梁。
-采用了大量的钢材和高强度混凝土，使得整个结构在相对较薄的壁厚下能够支撑起巨大的荷载。
-穹顶的外形独特，呈现出一个细致而复杂的空间结构，使其成为奥运会的标志性建筑之一。
意义：
-鸟巢不仅是奥运会的主体育场，也成为了北京城市的标志性建筑之一，代表着中国在现代建筑技术上的突破和创新。
-作为薄壳结构的代表之一，鸟巢向世界展示了薄壳结构的设计和施工水平，吸引了众多建筑界的专业人士和游客前来参观。
总结：
鸟巢作为薄壳结构的典型代表，不仅具有卓越的建筑美感和空间效果，更是中国现代建筑技术的杰出代表，为薄壳结构在建筑领域的应用提供了成功的范例。
它不仅成为了奥运会的标志性建筑，也为北京城市增添了独特的地标建筑。
薄壳结构文档
薄壳结构概述薄壳结构是一种在工程和建筑中常见的结构形式，它由一张或多张薄而平面的结构单元组成。
薄壳结构在不同领域由于其优越的性能和美观的外观而得到广泛应用。
本文将介绍薄壳结构的定义、分类、设计原理和应用领域。
定义和分类薄壳结构是由薄板材料制成的，与厚实结构相比，其高度相对较小。
薄壳结构具有较大的自由度，可以采用一系列不同的形状和构造，如圆形、抛物形、双曲形等。
根据结构的形状和材料的不同，薄壳结构可分为以下几类：1.圆形薄壳：由圆盘形状的薄壳构成，常用于天幕结构、舞台盖顶等场合。
2.球面薄壳：由球面形状的薄壳构成，常用于建筑物的顶部、体育场馆等场合。
3.抛物面薄壳：由抛物面形状的薄壳构成，常用于大跨度建筑、教堂拱顶等场合。
4.双曲面薄壳：由双曲面形状的薄壳构成，常用于空中展览中心、会议厅等场合。
设计原理薄壳结构的设计需要考虑以下几个主要原理：1.材料强度：薄壳结构的材料应具备足够的强度以承受外部荷载。
常见的薄壳结构材料包括钢、混凝土和玻璃纤维增强塑料等。
2.几何形态：薄壳结构的几何形态是决定其性能的关键因素，不同的形态会影响结构的刚度和承载能力。
设计师需要根据具体情况选择合适的形态，并进行优化设计。
3.接缝和连接：薄壳结构通常由多个结构单元组成，接缝和连接的设计需要考虑结构的整体性能和稳定性。
合理的接缝和连接设计可以提高结构的抗震和承载能力。
4.荷载分布：薄壳结构的荷载分布是指外部力在结构表面上的分布情况。
合理的荷载分布可以提高结构的承载能力和稳定性。
应用领域薄壳结构由于其独特的设计和美观的外观，在各个领域都得到了广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1.建筑领域：薄壳结构常用于建筑物的屋顶、门厅、展览馆等部位。
其具有较大的跨度和较小的重量，能够提供开放、透明和自由的空间体验。
2.体育场馆：薄壳结构在体育场馆的设计中得到了广泛应用，例如奥林匹克体育场和溜冰场等。
其特点是能够提供大跨度的无柱空间，满足观众需求，并具有良好的视野和声学性能。
第5章薄壳结构
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.3 筒壳与锥壳 5.3.1 筒壳的结构组成及结构型式
跨度l1：两个横隔之间的距离 波长l2：两个侧边构件之间的距离 （筒壳的纵向） （筒壳的横向）
边梁(侧边构件)Biblioteka 横隔板 是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.3 筒壳与锥壳 5.3.1 筒壳的结构组成及结构型式 侧边构件截面形式筒壳 边梁的型式
大圆从球面上切割的
2.平面形状为48m*41.5m的曲 边三角形
3.壳面荷载通过薄壳的三个边 传至支座。
割球壳屋顶实例
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.2 圆顶 5.2.1 圆顶的结构组成及结构型式 组成
壳 身
支座环 下部支承
1）壳身结构
圆顶的壳身结构
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.2 圆顶 5.2.1 圆顶的结构组成及结构型式
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
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.1 概述 5.1.2 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
椭圆抛物面
双曲抛物面
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.1 概述 5.1.2 薄壳结构的曲面形式
壳体结构的强度和刚度主要是利用其几何 形状的合理性，而不是以增大其结构截面尺寸取 得的，这是薄壳结构与拱式结构相似之处。
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.1概述
梁式结构 排架结构 刚架结构 拱式结构
面外:需设支撑体系保证安 全及稳定 平面受力结构
面内:承受屋面板传来的竖 向荷载
平面受力结构体系的特点: 优点:荷载为单向传递，计算分析方便，结构施工吊装方便。 缺点:结构内力较大，材料强度得不到充分发挥，随着结构材料用量
薄壳结构
没有一根垂直的柱子，没有一面垂直的墙
大跨度
巨大的翅膀是在 Seville 预铸， 等组件组合完成后， 再灌入白色混凝土
大跨度、大悬挑、倾斜
铸钢结构”－－Байду номын сангаас向斜交折板式网壳
自我总结
一个优秀的大师并不是凭空而来的，是经 过实践的洗礼、时间的积累、空间的检验等等 很多很多因素才铸就了经典的大师。并不是靠 空想所能达到的。
薄壳结构
4．双曲抛物面壳：一竖向抛物线（母线）沿另一凸向与之相反的抛物线（导线）平行移动所形成的曲面。此 种曲面与水平面截交的曲线为双曲线，故称为双曲抛物面壳。工程中常见的各种扭壳也为其中一种类型，因薄壳 结构容易制作，稳定性好，容易适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。
霍奇米洛克餐厅（Los Manantiales Restaurant/1958）
建筑概况
设计师：卡拉特拉瓦 建设地点: 西班牙加那利群岛 Santa Cruz 市 设计时间：1992年—2003年 主要功能：多功能音乐中心 占地面积：5.7英亩
坦 纳 利 佛 音 乐 厅
建筑概况
坦纳利佛音乐厅的整栋建筑 没有用到支柱，音乐厅顶上那巨 大的翅膀是在Seville 预铸后分成 17 块运送到岛上来，最重的一块 有 60 公吨重，悬臂伸出的翅膀在 设计当中仅有五个支撑点，在 17 个组件组合完成后，再灌入白色 混凝土，该栋建筑物最后使用了 2000 公吨的混凝土。
金贝尔美术馆
薄壳结构
2．圆顶薄壳：是正高斯曲率的旋 转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳 面厚度做得很薄，一般为曲率半径的 1/600，跨度可以很大。支座环对圆顶 壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳 搁置在支承构件上
德国柏林帝国大厦
拱和薄壳结构的区别与联系 -回复
拱和薄壳结构的区别与联系-回复拱和薄壳结构是建筑领域中常用的两种结构形式，它们在设计和施工过程中有许多相似之处，但也存在一些显著的区别。
首先，拱和薄壳结构在结构形式上有所不同。
拱结构是由多个连续的拱形构件组成的，形成一种曲线形状的结构，用于承受垂直于其轴线的载荷。
而薄壳结构是由单个薄壁构件组成的，形成一种平面形状的结构，用于承受平行于其表面的载荷。
其次，拱和薄壳结构在受力机制上也存在差异。
拱结构通过曲线的几何形状将载荷引导到其基础上，从而产生一种压力分布，使其能够承受更大的荷载。
而薄壳结构则依靠其表面的平面刚度来承受载荷，通过整体的变形来分散荷载，从而实现了均衡受力。
此外，拱和薄壳结构在施工过程中也有所不同。
拱结构通常需要由多个构件组合而成，需要在其基础上逐步搭建和连接，而薄壳结构则可以通过一体化的模具施工来实现，大大简化了施工过程。
然而，拱和薄壳结构也有一些共同点。
首先，它们都具有较高的空间利用率和稳定性，可以在相对较小的空间范围内承受较大的载荷。
其次，它们都可以采用优化设计的方法，通过减少结构材料的使用来达到轻量化的目的。
此外，它们都需要考虑结构的适应性和变形控制，以确保结构的稳定性和安全性。
在实际应用中，拱和薄壳结构也经常被结合在一起使用。
例如，在地铁站等大跨度空间中，可以使用拱作为主承重结构，而在其上方覆盖薄壳结构作为屋顶。
这样既满足了结构的承载能力要求，又能够充分利用空间。
综上所述，拱和薄壳结构在设计和施工过程中有诸多相似之处，但也存在一些明显的区别。
了解这些区别和联系可以帮助我们更好地理解和应用这两种结构形式，在建筑设计和工程实践中发挥其最优效果。
拱和薄壳结构的区别与联系
拱和薄壳结构的区别与联系拱和薄壳结构是两种常见的结构形式，它们在建筑设计和工程实践中都具有重要的意义。
虽然拱和薄壳结构都属于曲面结构，但它们在形状和应用领域上存在一些区别和联系。
首先，拱是曲面结构的一种，通常由弯曲的构件（称为拱石）连接而成。
拱的形状通常是一种几何曲线，如圆弧、椭圆或抛物线。
拱的作用是将上方的重力负荷转移到支撑的两端，使之成为一种稳定的结构。
拱具有很高的抗压能力，能够承受较大的垂直荷载，并将这些荷载沿曲线分散到支撑的两端，从而减小了荷载的集中。
与此同时，薄壳结构是一种由薄而轻的平面或曲面构件构成的结构。
它通常由刚性材料制成，如钢板、混凝土或玻璃纤维增强塑料。
薄壳结构的形状可以是纯平面的，如平面板或拱盖，也可以是曲面的，如圆顶或球面。
薄壳结构的特点是具有极高的刚度和强度，能够承受较大的水平和垂直荷载，并且在荷载作用下可以形成均匀的应变分布。
虽然拱和薄壳结构在形状和应用上存在一些差异，但它们也有一些共同点。
首先，拱和薄壳结构都具有较高的自重荷载能力，能够在不需要过多辅助支撑的情况下承受自身重力。
其次，拱和薄壳结构都可以通过形态优化和结构优化等设计手段来提高其性能。
例如，通过优化拱的曲线形状和尺寸，可以实现最佳的受力路径，提高拱的承载能力。
同样，通过优化薄壳结构的厚度和形状，可以实现最佳的刚度和强度分布，提高薄壳结构的抗荷能力。
此外，拱和薄壳结构在一些实际工程中也可以共同应用。
例如，在体育场馆和大型展览馆等大跨度空间结构中，常常会采用拱和薄壳结构相结合的设计方案。
拱可以承担大部分的垂直荷载，而薄壳结构可以提供较大的水平支撑力，使整个结构更加稳定和安全。
另外，在建筑设计中，拱和薄壳结构也常常用于实现建筑的良好视觉效果和空间感。
总之，拱和薄壳结构是两种常见的曲面结构形式，在形状和应用领域上存在一些区别和联系。
拱主要用于承受垂直荷载，并通过曲线形状实现荷载的分散；薄壳结构则主要用于承受水平和垂直荷载，并通过均匀的应变分布实现荷载的平衡。
薄壳结构
第二节 薄壳的型式与曲面关系
薄壳结构是一种薄得不致于产生明显的弯曲应力，但厚度是以承受压力、 拉力和剪力的形抵抗结构。所谓“形抵抗结构”就是将材料造成一定的形式从 而获得强度去承受荷载的结构。薄壳结构赖以获得这种能力的“形”就是曲面， 薄壳的结构效能就是归功于曲面的曲率和几何特征。
薄壳的型式很多，诸如球面壳、圆柱壳、双曲扁壳、幕结构、折结构等， 都是由曲面变化而创造出的各种型式。
1.双曲抛物面(鞍壳、扭壳) 如上图(b)所示的双曲抛物面，也可按直纹曲面的方式形成，即工程 中的鞍壳。 工程中扭壳是由扭曲面构成的。
2．柱面与柱状面
柱面是由直母线沿一竖向曲导线移动而形成的，如筒壳。
柱状面是由一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，如柱状面壳。
3.锥面与锥状面
受壳面边缘传来的推力，其截面内力主要为拉力。
由于支座环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。
• 圆顶薄壳的支承结构，一般有以下几种：
• (1)通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上。 • (2)支承在斜柱或斜拱上。 • (3)支承在框架上。 • (4)圆顶结构直接落地并支承在基础上。
薄壳基本曲面形式几何形成的类型:
一、旋转曲面
由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转而成的曲面，称为旋转曲面。常见 的有：球形曲面、旋转抛物面和旋转双曲面。
二、平移曲面
竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成的曲面称为平
移曲面。工程中常见的有椭圆抛物面双曲扁壳和双曲抛物面。注意
区别。
三、直纹曲面
一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。常见的有：
可将平板理论中的某些公式直接应用到双曲扁壳结构的计算中。
薄壳结构
(二)按其形成的特点分：
2、平移曲面
一竖向曲线作母线沿另一竖向曲线平移所 成的曲面。 常见的椭圆抛物面、双曲抛物面。
3、直纹曲面 一段直线的两端沿二固定曲线移动而成的 曲面。 1）双曲抛物面 以一根直母线在两根相互倾斜但又不相交 的直导线上平行移动而形成的曲面。也 称扭面。
• 2）柱面与柱状面
• 薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖 向荷载作用下，壳体主要承受曲面内的 轴向力和顺剪力的作用。这两种力都作 用在曲面内，又称为薄膜内力。而只有 在非对称荷载作用下，壳体才承受较小 的弯距和扭距。
壳体主要承受薄膜内力，且该内力沿 壳体厚度方向均匀分布，所以材料强 薄壳结构能实现以最少的材料构成最坚 固结构的理想。
人们从这些天然壳体中受到启发利用混凝土的可塑性创造出各种形式的薄壳结薄壳结构是一种新型薄壁空间结构可充分利用钢筋混凝土的可塑性形成各种形状如筒壳折板波形壳双曲壳半球形壳等
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。人们从这些天然壳体中受到启发， 利用混凝土的可塑性，创造出各种形式的薄壳结 构。
北京天文馆－－直径25m的圆顶薄壳，壳 厚仅为60mm。
花之圣母教堂 欧洲
布鲁涅内斯基
一、圆顶薄壳的组成及结构型式
一般由壳身、支座环、下部支承结构组成。 1、壳身结构
按构造的不同，可分为平滑圆顶、肋形圆 顶和多面圆顶。
• 当建筑上由于采光要求需将圆顶表面划 分成若干区格；或当壳体承受集中荷载 时；或当壳身厚度太小、不能保证壳体 的稳定；或采用整体式结构时用肋形圆 顶。
薄壳结构是一种新型薄壁空间结构，可充分利 用钢筋混凝土的可塑性形成各种形状，如筒壳、折 板、波形壳、双曲壳、半球形壳等。薄壳结构特点 是壁薄、自重轻、应力分布均匀，能充分发挥材料 的最大力学效能，并可获得较大的刚度。
薄壳结构的建筑物
薄壳结构的建筑物薄壳结构是指由厚度相对较小的曲面构成的建筑结构。
这种结构形式以其独特的美学和结构性能而备受推崇。
它不仅具有优雅的外观，还具备出色的抗震性能和高效的空间利用率。
本文将探讨薄壳结构的优点、设计原则以及几个经典案例。
薄壳结构的优点之一是其美学价值。
与传统的方形建筑相比，薄壳结构的曲面能够赋予建筑以动感和流线型的外观。
它能够通过巧妙地运用弯曲和倾斜的几何形态来打破传统空间的束缚，创造出令人惊叹的空间体验。
这种独特的外观能够吸引人们的眼球，成为城市中的地标性建筑，丰富了城市的文化底蕴。
其次，薄壳结构具备卓越的抗震性能。
由于其曲面形状，薄壳结构能够有效地分散地震作用力，从而降低建筑物的震感。
同时，通过采用合理的结构连接和强度设计，薄壳结构能够有效地抵抗地震引起的力矩和剪力，保证建筑物的结构稳定性和安全性。
这一特点在地震频发的地区具有重要意义，能够为居民提供更安全的居住环境。
薄壳结构的第三个优点是高效的空间利用率。
由于其曲面形式，薄壳结构能够有效地利用空间，提供更大的使用面积。
相比于传统的方形建筑，薄壳结构能够将建筑中的空间进行巧妙的衔接和组合，实现多样化的空间布局。
这意味着在同样的占地面积下，薄壳结构能够提供更多的功能空间，满足人们对于不同用途的需求。
因此，薄壳结构的建筑物往往能够成为功能齐全的多功能建筑，进一步提高了建筑物的使用效率。
设计薄壳结构的原则之一是均布载荷。
在设计过程中，需要确保压力力线尽可能均匀地分布在整个结构曲面上，以实现结构的均衡和稳定。
这需要通过合理的结构形态和材料的选择，尽量避免局部集中载荷，从而降低结构的应力集中现象，提高其受力性能。
其次，要保证薄壳结构具备足够的刚度和强度。
由于薄壳结构的曲面形状，它相对于传统的方形结构来说，具有较小的刚度和强度。
因此，在设计过程中需要采用一些手段来增加结构的刚度和强度，如增加结构的截面厚度、加强结构的支撑和连接等。
这样能够保证薄壳结构在受力时不发生过度变形或破坏，使其具备良好的使用性能。
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建筑结构选型——薄壳结构学校：专业班级：指导老师：小组成员：摘要大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构，即壳体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20，为薄壁空间结构的一种，它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。
他们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。
关键词形态分类受力特点应用与发展案例研究正文1 薄壳结构的定义壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。
薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。
壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。
1.1薄壳结构的特点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。
两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。
现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。
而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。
而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。
由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理想。
由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。
不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳)易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。
2 薄壳结构型式与曲面的关系2.1旋转曲面由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转而成的曲面，称为旋转曲面。
该平面曲线可有不同形状，因而可得到用于薄壳结构中的多种旋转曲面，如球形曲面、旋转抛物面和旋转双曲面等（如下图）。
圆顶结构就是旋转曲面的一种。
2.2平移曲面一竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成的曲面称为平移曲面。
在工程中常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，前者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相同的抛物线作导线平移而成的曲面(如下图左），后者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相反的抛物线作导线平移而成的曲面（如下图右）。
2.3直纹曲面一根直线的两端沿二固定曲线移动而成的曲面称为直纹曲面。
工程中常见的直纹曲面有以下几种：2.3.1鞍壳、扭壳如下图所示的双曲抛物面，也可按直纹曲面的方式形成。
扭曲面则是用一根直母线沿两根相互倾斜且不相交的直导线平行移动而成的曲面。
2.3.2柱面与柱状面柱面是由直母线沿一竖向曲导线移动而成的曲面。
柱状面是由一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成（如下图所示）。
2.3.3锥面与锥状面锥面是一直线沿一竖向曲导线移动，并始终通过一定点而成的曲面。
锥状面是由一直线一端沿一根直线、另一端沿另一根曲线，与一指向平面平行移动而成的曲面。
（如下图所示）3 薄壳结构的分类3.1圆顶薄壳圆顶结构是极古老的建筑形式，古人仿效洞穴穹顶，建造了众多砖石圆顶，其中多为空间拱结构。
直到近代，由于人们对圆顶结构的受力性能的了解，以及钢筋混凝土材料的应用，采用钢筋混凝土建造的圆顶结构仍然在大量的应用。
圆顶薄壳结构为旋转曲面壳。
根据建筑设计的需要，圆顶薄壳可采用抛物线、圆弧线、椭圆线绕其对称竖轴旋转而成抛物面壳、球面壳、椭球面壳等。
圆顶薄壳结构具有良好的空间工作性能，能以很薄的圆顶覆盖很大的跨度，因而可以用于大型公共建筑，如天文馆、展览馆、剧院等。
3.1.1圆顶薄壳的组成及结构型式圆顶薄壳由壳板、支座环、下部支承结构三部分组成。
3.1.1.1壳板按壳板的构造不同，圆顶薄壳可分为平滑圆顶、肋形圆顶和圆顶薄壳的组成多面圆顶三种，其中，平滑圆顶在工程中应用最为广泛。
平滑圆顶肋形圆顶多面圆顶3.1.1.2支座环支座环是球壳的底座，它是圆顶薄壳结构保持几何不变性的保证，对圆顶起到箍的作用。
它可能要承担很大的支座推力，由此环内会产生很大的环向拉力，因此支座环必须为闭合环形，且尺寸很大，其宽度在0.5～2m，建筑上常将其与挑檐、周圈廊或屋盖等结合起来加以处理，也可以单独自成环梁，隐藏于壳底边缘。
3.1.1.3下部支承结构圆顶薄壳的下部支承结构一般有以下几种：①圆顶薄壳通过支座环直接支承在房屋的竖向承重结构上，如砖墙、钢筋混凝土柱等。
这时径向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受径向推力的竖向分力。
②圆顶薄壳可支承于框架上，由框架结构把径向推力传给基础。
③但当结构跨度较大时，由于推力很大，支座环的截面尺寸就很大，这样既不经济，也不美观。
圆顶薄壳可以通过周围顺着壳体底缘切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给基础。
④圆顶薄壳像落地拱直接落地并支承在基础。
3.1.2圆顶薄壳的受力特点一般情况下壳板的径向和环向弯矩较小，可以忽略，壳板内力可按无弯矩理论计算。
在轴向对称荷载作用下，圆顶径向受压，径向压力在壳顶小，在壳底大；圆顶环向受力，则与壳板支座边缘处径向法线与旋转轴的夹角φ大小有关，当φ≤51度49时，圆顶环向全部受压；当φ＞51度49时，圆顶环向上部受压，下部受拉力（如图所示）。
径向应力状态环向应力状态环向应力状态支座环对圆顶壳板起箍的作用，承受壳身边缘传来的推力。
一般情况下，该推力使支座环在水平面内受拉，在竖向平面内受弯矩、剪力。
当时，支座环内不产生拉力，仅承受竖向平面的内力（如下图）。
3.2圆柱形薄壳圆柱形薄壳的壳板为柱形曲面，由于外形既似圆筒，又似圆柱体，故既称为圆柱形薄壳，也称为柱面壳。
3.2.1圆柱形薄壳的结构组成与型式圆柱形薄壳由壳板、边梁及横隔三部分组成。
两个边梁之间的距离，称为波长；两个横隔之间的距离称为跨度。
圆柱形薄壳的跨度与波长的比例常常是不同的。
一般当≥1时，称为长壳，一般为多波形；当<1时，称为短壳，大多为单波多跨。
圆柱形薄壳壳板的曲线线形可以是圆弧形、椭圆形、抛物线等，一般都采用圆弧形，可减少采用其他线形所造成的施工困难。
并且壳板边缘处的边坡(即切线的水平倾角φ)不宜过大，否则不利于混凝土浇筑，一般φ取35°～40°。
壳体截面的总高度一般不应小于(1／10～1／15) ，矢高不应小于 ／8。
壳板的厚度一般为50～80mm ，一般不宜小于35mm 。
壳板与边梁连接处可局部加厚，以抵抗此处局部的横向弯矩。
3.2.1圆柱形薄壳的受力特点圆柱形薄壳是空间结构，内力计算比普通结构要复杂得多。
圆柱形薄壳与筒拱的外形都为筒形，极其相似，常为人混淆，但两者的受力本质是不同的。
筒拱两端是无横隔支承的，而圆柱形薄壳两端是有横隔支承的。
因而两者在承荷和传力上有着本质的区别。
筒拱是横向以拱的形式单向承荷和传力的，纵向不传力，是平面结构。
而圆柱形薄壳在横向以拱的形式承荷和传力，在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，圆柱形薄壳是横向拱与纵向梁共同作用的空间受力结构。
当圆柱形薄壳的跨波比不同时，圆柱形薄壳的受力状态就存在很大的区别。
一般，圆柱形薄壳的受力特点分下面这三种情况。
3.2.1.1当≥3时,由于圆柱形薄壳的跨度较长，横向拱的作用明显变小，横向压力较小，而纵向梁的传力作用显著。
故圆柱形薄壳近似梁的作用，可按材料力学中梁的理论来计算。
3.2.1.2当 ≤1／2时,试验研究证明，由于圆柱形薄壳的跨度较小，圆柱形薄壳横向的拱作用明显，而纵向梁的传力作用很小，因此近似拱的作用。
而且壳体内力主要是薄膜内力，故可按薄膜理论来计算。
3.2.1.3当 1／2< <3时,由于圆柱形薄壳的跨度既不太长，也不太短，其受力时拱和梁的作用都明显，壳体既存在薄膜内力，又存在弯曲应力，可用弯矩理论或半弯矩理论来计算。
边梁是壳板的边框，与壳板共同工作，整体受力。
一般边梁主要承受12/l l 12/l l 12/l l纵向拉力，因此需集中布置纵向受拉钢筋，同时，由于它的存在，壳板的纵向和水平位移可大大减小。
3.2.2圆柱形薄壳的采光与洞口处理一般圆柱形薄壳覆盖较大面积，采光和通风处理的好与坏，直接影响建筑物的使用功能。
一般情况下，圆柱形薄壳的采光可以采用以下几种方法。
第一种，可在外墙上开侧窗；第二种，可利用在圆柱形薄壳混凝土中直接镶嵌玻璃砖；第三种，不论长短壳，可在壳顶开纵向天窗，而短圆柱形薄壳还可沿曲线方向开横向天窗；第四种，可以布置锯齿形屋盖。
由于圆柱形薄壳的壳体中央受力最小，故洞口宜在壳顶沿纵向布置。
洞口的宽度，对于短壳不宜超过波长的1／3，对于长壳，不宜超过波长的1／4，纵向长度不受限制，但孔洞的四边必须加边框，沿纵向还须每隔2～3m设置横撑。
3.3双曲扁壳圆柱形薄壳与球壳的结构空间非常大，对无需如此大的使用空间者，会造成较大的浪费，因此都欲降低其结构空间。
当薄壳的矢高与被其覆盖的底面最小边长之比≤1／5时，人们称如此之壳体为扁壳。
因为扁壳的矢高与底面尺寸和中面曲率半径相比要小得多，所以扁壳又称为微弯平板。
实际上，有很多壳体都可作成扁壳，如属双曲扁壳的扁球壳就是球面壳的一部分，属单曲扁壳的扁圆柱形薄壳为柱面壳的一部分等。
本节所讨论的双曲扁壳为采用抛物线平移而成的椭圆抛物面扁壳(如图所示）。
3.3.1双曲扁壳的结构组成与形式双曲扁壳由壳板和周边竖直的边缘构件组成。
壳板是由一根上凸的抛物线作竖直母线，其两端沿两根也上凸的相同抛物线作导线平移而成的。
双曲扁壳的跨度可达3～40m，最大可至l00m，壳厚δ比圆柱形薄壳薄，一般为60～80mm。
由于扁壳较扁，其曲面外刚度较小，设置边缘构件可增加壳体刚度，保证壳体不变形，因此边缘构件应有较大的竖向刚度，且边缘构件在四角应有可靠连接，使之成为扁壳的箍，以约束壳板变形。
边缘构件的形式多样，可以采用变截面或等截面的薄腹梁，拉杆拱或拱形桁架等，也可采用空腹桁架或拱形刚架。
3.3.2双曲扁壳的受力特点双曲扁壳在满跨均布竖向荷载作用下，壳板的受力以薄膜内力为主，在壳体边缘受一定横向弯矩。
根据壳板中内力分布规律，一般把壳板分为三个受力区。