薄壳结构课程课件
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第五章 薄壁空间结构(一)PPT课件
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（3）下部支承结构：
•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
•直接落地并支承在基础上
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三 、圆顶的受力特点
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 精选ppt课件2021
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3.支座环的受力
小体育宫——支
承在斜拱或斜柱
上
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40
▪ 2、罗马小体育宫大阪市中央体育馆
▪ 所在地：大阪市港区田中3丁目 ▪ 设计时间：1992年8月~1993年5月 ▪ 施工时间：1993年6月~1996年5月 ▪ 设计监理：大阪市都市整备局营运部 ▪ 施工企业：大林.西松.浅沼建设共同体 ▪ 结构类别：基础是现场灌注混凝土柱，现场
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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
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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
第五章 空间薄壁结构
▪ 第一节 概述
▪ 一、发展简况
▪ 广泛存在于自然中— —种子，果壳，蛋壳， 贝壳等。
▪ 广泛存在于日常生活 中——锅，碗，帽， 灯泡，乒乓球。
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1
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6《蛋壳与薄壳结构》 课件(11张ppt)+公开课一等奖创新教案.pptx
拱形）
.教师利用谈话法引导学生设计研究拱形桥和平桥的承重能力的实验。
.教师总结：通过同学们的回答，我们应当同时保证两类桥的质量、宽窄、高度、以及重物等，只改变两者的形 状，那么，我们用A4纸当作两种桥的桥面，并将实验结果写在记录单上。
.组织学生汇报结论，小结：重物放在平桥，平桥很快塌陷，而拱形能承受更多重物，说明拱形结构能承受更大 的力。拱形受压时会把这个力传给相邻的部分抵住拱足散发的力就可以承受更大的压力，所以拱形所能承受的力量 更重。（板书：承重强）
第二环节：通过蛋壳结构认识拱形，并设计方案探究拱形的承重能力。此环节共包含两个活动，一是通过在鸡 蛋上画线的方式，认识拱形结构；二是通过测试拱形结构的承重能力，发现拱形结构也具有抗压能力强的特点。
第三环节：通过阅读资料，进一步拓展知识面，了解到人类受蛋壳启发发明了薄壳结构，并在建筑上广泛应用 。
二、学情分析
，全殿用砖石砌成大大小小的拱券结构，其中正殿东西向并列成三个拱券，中间的拱券跨度达11.5米，高14米 ，两侧的拱券稍小，跨度为5米，高7.4米。全国各地的无梁殿的结构和建筑原理都与此相似。
•苏教版小学科学五年级下册课件系列•
https：///help/help_extract.php6,《蛋壳与薄壳结构》教学设计
.教师提问：同学们有哪些方法来研究蛋壳？（预设：看一看、摸一摸、戳一戳、握一握，压一压等） .教师小结：看来同学们有很多好办法，那么我们今天就用大家刚刚说的方法，依次用看一看、握一握、戳一戳 、
压一压四种方法对鸡蛋壳的外形、承重能力进行研究，那么，我们在用四种方法研究时应该注意什么？（预设 ：握一握应当放在手掌中间、压一压保证鸡蛋能够固定在桌面上、戳一戳保证鸡蛋壳在同一高度，戳一戳用鸡蛋壳 ，其他三种用生鸡蛋等），教师引导学生用四种方法依次对鸡蛋壳进行研究并完成实验记录单。
.教师利用谈话法引导学生设计研究拱形桥和平桥的承重能力的实验。
.教师总结：通过同学们的回答，我们应当同时保证两类桥的质量、宽窄、高度、以及重物等，只改变两者的形 状，那么，我们用A4纸当作两种桥的桥面，并将实验结果写在记录单上。
.组织学生汇报结论，小结：重物放在平桥，平桥很快塌陷，而拱形能承受更多重物，说明拱形结构能承受更大 的力。拱形受压时会把这个力传给相邻的部分抵住拱足散发的力就可以承受更大的压力，所以拱形所能承受的力量 更重。（板书：承重强）
第二环节：通过蛋壳结构认识拱形，并设计方案探究拱形的承重能力。此环节共包含两个活动，一是通过在鸡 蛋上画线的方式，认识拱形结构；二是通过测试拱形结构的承重能力，发现拱形结构也具有抗压能力强的特点。
第三环节：通过阅读资料，进一步拓展知识面，了解到人类受蛋壳启发发明了薄壳结构，并在建筑上广泛应用 。
二、学情分析
，全殿用砖石砌成大大小小的拱券结构，其中正殿东西向并列成三个拱券，中间的拱券跨度达11.5米，高14米 ，两侧的拱券稍小，跨度为5米，高7.4米。全国各地的无梁殿的结构和建筑原理都与此相似。
•苏教版小学科学五年级下册课件系列•
https：///help/help_extract.php6,《蛋壳与薄壳结构》教学设计
.教师提问：同学们有哪些方法来研究蛋壳？（预设：看一看、摸一摸、戳一戳、握一握，压一压等） .教师小结：看来同学们有很多好办法，那么我们今天就用大家刚刚说的方法，依次用看一看、握一握、戳一戳 、
压一压四种方法对鸡蛋壳的外形、承重能力进行研究，那么，我们在用四种方法研究时应该注意什么？（预设 ：握一握应当放在手掌中间、压一压保证鸡蛋能够固定在桌面上、戳一戳保证鸡蛋壳在同一高度，戳一戳用鸡蛋壳 ，其他三种用生鸡蛋等），教师引导学生用四种方法依次对鸡蛋壳进行研究并完成实验记录单。
6《蛋壳与薄壳结构》课件(31张)+公开课一等奖创新教案+练习.pptx
2、受蛋壳启示发明的具有优越的受力性能，且轻便省
料。
二、判断题，对的打错的打。
1、鸡蛋呈椭球形，外表粗糙。（
）
2、蛋壳曲面可看成由无数的拱形拼接而成。（ ）
3、拱桥的承重能力大于平桥。（（ ）
5、建筑物没有横梁一定不安全。（ ）
6、安全帽很薄，偷工减料。（ ）
三、选择题，将正确的序号填在括号内。
四、综合题
蛋壳和仿生建筑，近些年来，建筑师在蛋壳的启示下，设计了许多现代化的大型薄壳结构的建筑，这些建筑中 最著名的当属澳大利亚的悉尼歌剧院，它由10个大小各异，但形状相同的壳体组成，远眺似片片白帆，近看像重叠 的贝壳，它雄踞海滨，搏击风浪，那碧水、蓝天、白帆带给人们许多美妙的遐想。因此它又被国际公认为世界建筑 奇迹。
注意：铅笔要从同一高度下落，蛋壳无裂纹。 凸形不容易被戳破 凹形容易被戳破 新知讲解 解释：为什么凹面朝上容易被戳破，凸面朝上不易戳破？ 凸面朝上，受力均匀，蛋壳没破； 凹面朝上，受力不均，蛋壳破裂。 新知讲解 3）4枚鸡蛋能支撑多重的物体？ 将4枚鸡蛋立在桌面上（每枚鸡蛋的上下两端用塑料瓶盖固定）,在上面放一块平板，再在平板上逐个加放重物 。 注意：重物要轻放，逐步放，越往后重物越要小心轻放。 新知讲解 实验现象 从外部给蛋壳施压，蛋壳具有较大的承重力。
1、中国国家大剧院和悉尼歌剧院一样也采用了薄壳形结构，它们有一个共同的特点是内部空间 （填“很大”或“ 很小”），
但是（填“有"或“没有”）柱子。
2、如图所示，北京大兴国际机场，其部分结构也是薄壳结构，请你说说这样设计的优点:。
3、薄壳结构除了运用在大型建筑上之外，还运用在一些物品上，举2例说明。
参考答案
1、下列说法正确的是（
第5章_薄壳结构
•支承在框架上
斜拱
•直接落地并支承在基础上
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第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.2 圆顶 5.2.2 圆顶的受力特点
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
圆顶的坐标及薄膜内力
主方向：对应于每一个主曲率的方向称为曲面在o 点的主方向，两个主方向 是相互正交的。
曲率线：在曲面的每点处在主方向上的两根切线，这些切线围成了两组互成 正交的曲线网，称为曲率线
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第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.1 概述 5.1.1 薄壳结构的概念 按高斯曲率分类
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
3、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
•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
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椭圆抛物面
双曲抛物面
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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
2、平移曲面
椭圆抛物面
双曲抛物面
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11薄壳
通风采光
在顶部开设圆形孔洞
11.3.1 圆顶结构组成和形式
支座环
是圆顶结构保持几何不变的保证； 作用类似于拱式结构中的拉杆； 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； 主要承受环向拉力和弯矩 保证壳体基本上处于受压状态；并实现结构 的空间平衡。
11.3.1 圆顶结构组成和形式
锥面 锥状面
11.2 薄壳的曲面形式
复杂曲面
在上述的基本几何曲面上任意切取一部分或 将曲面进行不同组合。
交叉圆柱壳， 由锥扇形曲面形成的扇贝形圆屋顶。
11.3 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
11.3.3 圆顶薄壳的构造
局部处理
由于支座环对壳板边缘变形的约束作用，壳 板的边缘附近将会产生经向的局部弯矩。 将壳板靠近边缘部分局部加厚，并配置双层 钢筋。边缘加厚部分须做成曲线过渡。加厚 范围一般不小于壳体直径的1/12~l/10，增加 的厚度不小于壳体中间部分的厚度。 加厚区域内的钢筋宜径为4~10mm，间距不 大于200mm。须注意上层钢筋受拉，应保证 其有足够的锚固长度。 大跨度时，支座环宜采用预应力钢筋混凝土
11.1 概述
薄壳的特点
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 院等不宜采用。
11.1 概述
薄壳的曲面构成
11 薄壳结构
壳结构的演变
薄壳结构1
顺剪力使拱方向的支座受推力 拉杆 锚于地下的斜 拉杆
➢扭壳的边缘构件 •落地拱单块扭壳屋盖
顺剪力
落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡
合力R作用于A、B的基础上
当地基抗侧移能力不足时， 在基础之间设置拉杆
薄壁空间结构
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
K
k1
k2
1 R1
1 R2
(1)
法 截
线
一 、薄壳结构的概念
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 / l2 1/ 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
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 ➢装配整体叠合壳
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
肋形圆顶
多面圆顶
第二节 圆 顶
➢中长壳 1/ 2 l1 / l2 3 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
➢扭壳的边缘构件 •落地拱单块扭壳屋盖
顺剪力
落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡
合力R作用于A、B的基础上
当地基抗侧移能力不足时， 在基础之间设置拉杆
薄壁空间结构
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
K
k1
k2
1 R1
1 R2
(1)
法 截
线
一 、薄壳结构的概念
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 / l2 1/ 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
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 ➢装配整体叠合壳
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
肋形圆顶
多面圆顶
第二节 圆 顶
➢中长壳 1/ 2 l1 / l2 3 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
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
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。
第三章薄壳结构
第三节 薄壳设计要求
一．承载能力验算
● 壳板最大主拉应力不应大于砼抗拉强度设计
值的4倍；
● 圆柱面壳边梁底的最大拉应力不应大于砼抗
拉强度设计值的8倍。
◆ 非抗震 ◆ 抗震
● 7度区，周边支承，跨度≤24m，可不作验算，
跨度>24m，宜作水平抗震验算；
● 8、9度区，须作水平和竖向抗震验算。
二．变形及裂缝控制
美国圣路易斯航空港候机大厅
墨西哥城霍奇米尔科水上公园餐馆 建于1958年，
费利克斯·坎德拉设计，八片莲花形双曲抛物面壳。
双曲抛物面扭壳 组合屋面
四．采用材料
◆ 砼薄壳 ◆ 预应力砼薄壳 ◆ 钢薄壳 ◆ 复合材料薄壳 ◆ 砖薄壳
日本筑波出口商品 中心
全周由44等分的预制 PC板在圆周方向压紧构成。 长度20m、最大幅宽2.4m的 预制PC板在预制厂采用同 一模板制成。
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。
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当为球面圆顶时, q q sin ，qr qcon
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当只考虑壳自重荷载时，由 Z 0 有
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6.蛋壳与薄壳结构说课课件课件.-五年级科学下册苏教版
2 实验探究，观察发现
2 实验探究，观察发现
2 实验探究，观察发现
2 实验探究，观察发现
3 整理信息，分析归纳
外部施加的压力能被蛋 壳外凸的曲面分散。
拱形结构具有强大的承 重抗压能力。
4 拓展延伸，实际应用
课后寻找生活中的薄 壳结构建筑或物品，拍照 记录或把它们的形状简单 画下来。
06
蛋壳与薄壳结构
Contents Page
01
02
03
04
0
5
06
01
尝试用握、
戳、承重等方式 破坏蛋壳，直观
0
感受蛋壳的稳固。 1
通过承重对
比实验，知道拱 桥的承重能力大
0
于平桥。
3
对比蛋壳和
02 拱形，找出两
者之间的关联。
了解拱结构、
04 薄壳结构在建筑
等领域的应用。
0 3
铅笔下落的高度难一致 笔尖难对准蛋壳
2 实验探究，观察发现
薄壳结构： 薄薄的鸡蛋之所以能承受很大的压力，是因为蛋壳曲面可以看成 由无数的拱拼接而成的，能够把受到的压力分散到蛋壳的各个部分。人们从蛋壳 中得到启示，发明了薄壳结构。薄壳结构具有优越的受力性能，且轻便省料，因 此在建筑中被广泛使用。
2 实验探究，观察发现
鸡蛋壳放在塑 料瓶盖上，空壳朝 上。放入蛋壳测试 装置中，操作铅笔 垂直下落，观察实 验结果。
2 实验探究，观察发现
鸡蛋壳倒扣在桌面 上。放入蛋壳测试装 置中，操作铅笔垂直 下落，观察实验结果。
重复以上操 作至少2次。
“
“
“
2 实验探究，观察发现
2 实验探究，观察发现
2 实验探究，观察发现
2021-2022学年五六年级下学期科学6.《蛋壳与薄壳结构》课件
蛋壳与薄壳结构
南里小学—武杰 郭家琪
学习内容
01 了 解 蛋 壳 结 构 的 特 点 02 对 比 与 建 筑 的 相 似 之 处 03 薄 壳 结 构 在 建 筑 与 生 活 中 的 应 用
基础性目标ห้องสมุดไป่ตู้
1：了解 鸡蛋壳的
特点
2：能够就蛋 壳为什么能 承受这么大 的压力提出
疑问？
3：通过对蛋壳的结构 的研究，了解薄壳结构 及在建筑的广泛应用
他
壳体结构的实际应用
悉尼歌剧院 篮球
国家大剧院 飞机
谢谢观看
拓展性目标
01 知 道 蛋 壳 结 构 分 量 轻 ， 承 重 大 的 特 点 能够通过实验知道蛋壳为什么能承受这么大
02 的压力 通过科学实验活动，体验和感受科学探究
03 的 乐 趣
壳形结构特点
壳形结构的受力特点是，将外力均匀的分 布在结构体的表面。具有良好的承重性能。
蛋壳与薄壳建筑
蛋壳与薄壳建筑蛋壳、乌龟壳和贝壳等有弯曲的表面， 它们虽薄，却很耐压，这种结构就叫薄壳结构。薄壳 结构省料、刚度大，外观又能做成各种美丽的流线型 造型。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌 剧院则像一组泊港的群帆。
南里小学—武杰 郭家琪
学习内容
01 了 解 蛋 壳 结 构 的 特 点 02 对 比 与 建 筑 的 相 似 之 处 03 薄 壳 结 构 在 建 筑 与 生 活 中 的 应 用
基础性目标ห้องสมุดไป่ตู้
1：了解 鸡蛋壳的
特点
2：能够就蛋 壳为什么能 承受这么大 的压力提出
疑问？
3：通过对蛋壳的结构 的研究，了解薄壳结构 及在建筑的广泛应用
他
壳体结构的实际应用
悉尼歌剧院 篮球
国家大剧院 飞机
谢谢观看
拓展性目标
01 知 道 蛋 壳 结 构 分 量 轻 ， 承 重 大 的 特 点 能够通过实验知道蛋壳为什么能承受这么大
02 的压力 通过科学实验活动，体验和感受科学探究
03 的 乐 趣
壳形结构特点
壳形结构的受力特点是，将外力均匀的分 布在结构体的表面。具有良好的承重性能。
蛋壳与薄壳建筑
蛋壳与薄壳建筑蛋壳、乌龟壳和贝壳等有弯曲的表面， 它们虽薄，却很耐压，这种结构就叫薄壳结构。薄壳 结构省料、刚度大，外观又能做成各种美丽的流线型 造型。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌 剧院则像一组泊港的群帆。
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3. 数值法
能量差分法和有限元法。
三． 解析法
1. 薄膜理论（无矩理论） 静定问题
薄膜内力在壳体中为主要内力的条件：
●
；
● 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。
▲ 旋转壳体
平衡方程 未知数
■主曲率
■高斯曲率
曲面的几何性质
◆ 薄壳 ◆ 厚壳 ◆ 扁壳
三．壳面形式与分类
◆旋转曲面
罗马万神殿
约公元120～ 124年建于意大利 ， 直径43.3m，用天然 火山灰，变壳厚， 顶厚1.2m。
圣索菲亚大教堂 公元532～537年建于土耳其伊斯担布尔，
直径33m，原为拜占庭帝国东正教的宫庭教堂。
国际上通用的多种有限元大型程序 （SAP2000、ANSYS、NASTRAN）都包含了完
整的壳体理论，可对壳 体进行力学分析。
第三节 薄壳设计要求
一．承载能力验算
● 壳板最大主拉应力不应大于砼抗拉强度设计
值的4倍；
● 圆柱面壳边梁底的最大拉应力不应大于砼抗
拉强度设计值的8倍。
◆ 非抗震 ◆ 抗震
● 7度区，周边支承，跨度≤24m，可不作验算，
双曲扁壳内力分布
扁壳受力特征（均布竖向荷载）
● 中央大部区域主要为薄膜内力； ● 边界中部区除薄膜内力外，还有较大的单
向弯 曲内力；
● 角部区受力复杂，除薄膜内力外，还有较
大的双向弯 曲、剪切内力。
3. 半解析法
4. 数值法 能量差分法和有限元法
对于体型比较复杂的壳体，最好采用有限 元法进行整体分析．将壳体与支承结构乃至地基 基础一起做整体分析，可以更好地了解壳体的受 力性能。
2. 裂缝 按砼规范要求验算
三．稳定验算
●规则形状壳体结构按《规程》。 ●体型复杂、跨度较大的薄壳结构
应采用有限元法进行考虑几何非线性和材 料非线性影响的荷载位移全过程分析。
第四节 节点构造
第五节 薄壳施工
一．现浇式薄壳结构的施工
1. 移动式模板 2. 永久性模板
罗马小体育宫 1960年，直径59.13m，菱形网格汇
跨度>24m，宜作水平抗震验算；
● 8、9度区，须作水平和竖向抗震验算。
二．变形及裂缝控制
1. 挠度
●荷载标准组合
当跨度大于7m时，不应大于跨度的1/1000； 当跨度不大于7m时，不应大于跨度的1/500。
●准永久组合
当跨度大于7m时，不应大于跨度的1/500； 当跨度不大于7m时，不应大于跨度的1/250。
德国耶纳泽司天文馆 建于1922年，直径25m半球形
穹顶，砼厚6cm，第一个真正意义薄壳。
北京天文馆 1957年9月建成, 直径25m，6cm厚，自
重200kg/m2。
◆ 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ห้องสมุดไป่ตู้公司候机楼 美国著名建筑师
在地面装配成壳体后，利用提升设备整
体提升。
第三章 薄壳结构
第一节 概述 第二节 结构分析 第三节 设计要求 第四节 节点构造 第五节 施工方法
第一节 概述
一．结构特点
◆合理的几何形状； ◆ 强度高、刚度大； ◆ 用料少、经济性好； ◆ 承受局部冲击荷载作用的能力较差。
二．薄壳结构基本概念
◆ 壳体 厚度远小于曲面尺寸的物体。 ◆曲率 K=1/R
当为圆顶时，若只有竖向旋转对称荷载， 且下部支座为曲面内的铰支座，则
当为球面圆顶时,
当只考虑壳自重荷载时，由
有
1 qr (压)
2
Nj
qr
1 qr(压)
2
Nq
qr
2. 弯曲理论（有矩理论） 超静定问题 ▲ 双曲扁壳
双曲扁壳基本方程
设q为竖向均布荷载，w为中曲面任意点沿z 轴的位移函数，由平衡方程、几何方程和物理 方程，并设（x，y）为内力函数，经过一系 列推导有：
日本筑波出口商品 中心
全周由44等分的预制 PC板在圆周方向压紧构成。 长度20m、最大幅宽2.4m的 预制PC板在预制厂采用同 一模板制成。
第二节 结构分析
一．结构内力
以应力表示
以内力表示
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。
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。
美国圣路易斯航空港候机大厅
墨西哥城霍奇米尔科水上公园餐馆 建于1958年，
费利克斯·坎德拉设计，八片莲花形双曲抛物面壳。
双曲抛物面扭壳 组合屋面
四．采用材料
◆ 砼薄壳 ◆ 预应力砼薄壳 ◆ 钢薄壳 ◆ 复合材料薄壳 ◆ 砖薄壳
交于36根倾斜Y形支柱上。
3. 土胎模
4. 充气薄膜模板
5. Comshell体系（组合壳体系）
（a）模块化单元 及栓接
（b）由模块构成 的钢底壳
二．装配式薄壳结构的施工
1. 高空拼装法 利用脚手架或支架进行安装，也可采用
无支架悬挑安装。 2. 整体顶升法
在地面装配成壳体后，利用千斤顶整体 顶升。 3. 整体提升法
能量差分法和有限元法。
三． 解析法
1. 薄膜理论（无矩理论） 静定问题
薄膜内力在壳体中为主要内力的条件：
●
；
● 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。
▲ 旋转壳体
平衡方程 未知数
■主曲率
■高斯曲率
曲面的几何性质
◆ 薄壳 ◆ 厚壳 ◆ 扁壳
三．壳面形式与分类
◆旋转曲面
罗马万神殿
约公元120～ 124年建于意大利 ， 直径43.3m，用天然 火山灰，变壳厚， 顶厚1.2m。
圣索菲亚大教堂 公元532～537年建于土耳其伊斯担布尔，
直径33m，原为拜占庭帝国东正教的宫庭教堂。
国际上通用的多种有限元大型程序 （SAP2000、ANSYS、NASTRAN）都包含了完
整的壳体理论，可对壳 体进行力学分析。
第三节 薄壳设计要求
一．承载能力验算
● 壳板最大主拉应力不应大于砼抗拉强度设计
值的4倍；
● 圆柱面壳边梁底的最大拉应力不应大于砼抗
拉强度设计值的8倍。
◆ 非抗震 ◆ 抗震
● 7度区，周边支承，跨度≤24m，可不作验算，
双曲扁壳内力分布
扁壳受力特征（均布竖向荷载）
● 中央大部区域主要为薄膜内力； ● 边界中部区除薄膜内力外，还有较大的单
向弯 曲内力；
● 角部区受力复杂，除薄膜内力外，还有较
大的双向弯 曲、剪切内力。
3. 半解析法
4. 数值法 能量差分法和有限元法
对于体型比较复杂的壳体，最好采用有限 元法进行整体分析．将壳体与支承结构乃至地基 基础一起做整体分析，可以更好地了解壳体的受 力性能。
2. 裂缝 按砼规范要求验算
三．稳定验算
●规则形状壳体结构按《规程》。 ●体型复杂、跨度较大的薄壳结构
应采用有限元法进行考虑几何非线性和材 料非线性影响的荷载位移全过程分析。
第四节 节点构造
第五节 薄壳施工
一．现浇式薄壳结构的施工
1. 移动式模板 2. 永久性模板
罗马小体育宫 1960年，直径59.13m，菱形网格汇
跨度>24m，宜作水平抗震验算；
● 8、9度区，须作水平和竖向抗震验算。
二．变形及裂缝控制
1. 挠度
●荷载标准组合
当跨度大于7m时，不应大于跨度的1/1000； 当跨度不大于7m时，不应大于跨度的1/500。
●准永久组合
当跨度大于7m时，不应大于跨度的1/500； 当跨度不大于7m时，不应大于跨度的1/250。
德国耶纳泽司天文馆 建于1922年，直径25m半球形
穹顶，砼厚6cm，第一个真正意义薄壳。
北京天文馆 1957年9月建成, 直径25m，6cm厚，自
重200kg/m2。
◆ 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ห้องสมุดไป่ตู้公司候机楼 美国著名建筑师
在地面装配成壳体后，利用提升设备整
体提升。
第三章 薄壳结构
第一节 概述 第二节 结构分析 第三节 设计要求 第四节 节点构造 第五节 施工方法
第一节 概述
一．结构特点
◆合理的几何形状； ◆ 强度高、刚度大； ◆ 用料少、经济性好； ◆ 承受局部冲击荷载作用的能力较差。
二．薄壳结构基本概念
◆ 壳体 厚度远小于曲面尺寸的物体。 ◆曲率 K=1/R
当为圆顶时，若只有竖向旋转对称荷载， 且下部支座为曲面内的铰支座，则
当为球面圆顶时,
当只考虑壳自重荷载时，由
有
1 qr (压)
2
Nj
qr
1 qr(压)
2
Nq
qr
2. 弯曲理论（有矩理论） 超静定问题 ▲ 双曲扁壳
双曲扁壳基本方程
设q为竖向均布荷载，w为中曲面任意点沿z 轴的位移函数，由平衡方程、几何方程和物理 方程，并设（x，y）为内力函数，经过一系 列推导有：
日本筑波出口商品 中心
全周由44等分的预制 PC板在圆周方向压紧构成。 长度20m、最大幅宽2.4m的 预制PC板在预制厂采用同 一模板制成。
第二节 结构分析
一．结构内力
以应力表示
以内力表示
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。
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。
美国圣路易斯航空港候机大厅
墨西哥城霍奇米尔科水上公园餐馆 建于1958年，
费利克斯·坎德拉设计，八片莲花形双曲抛物面壳。
双曲抛物面扭壳 组合屋面
四．采用材料
◆ 砼薄壳 ◆ 预应力砼薄壳 ◆ 钢薄壳 ◆ 复合材料薄壳 ◆ 砖薄壳
交于36根倾斜Y形支柱上。
3. 土胎模
4. 充气薄膜模板
5. Comshell体系（组合壳体系）
（a）模块化单元 及栓接
（b）由模块构成 的钢底壳
二．装配式薄壳结构的施工
1. 高空拼装法 利用脚手架或支架进行安装，也可采用
无支架悬挑安装。 2. 整体顶升法
在地面装配成壳体后，利用千斤顶整体 顶升。 3. 整体提升法