薄壳结构

建筑结构选型

——薄壳结构

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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）。