(八)薄壳结构

第五节 双曲扁壳

一、双曲扁壳的结构组成
包括二部分：壳身和竖直边缘构件，因它在壳体的两个互相垂直 的平面上都有曲率，且f/L《1/5，顾名思义称之为双曲扁壳。
二、双曲扁壳的受力特点
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。
三、双曲扁壳的结构构造
矢高与底面短边之比不能大于l／5。 曲率比及底面长边与短边之比均不宜超过2。 节点构造及配筋形式


3.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，如锥面壳。锥状面是由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。
wenku.baidu.com


四、复杂曲面
在上述的基本几何曲面上任意切取一部分，或将曲面进行不同的 组合，便可得到各种各样复杂的曲面。
第三节 圆顶薄壳
一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。常见的有： 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。

• 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。
第四节
建筑屋盖上。
圆柱形薄壳
圆柱形薄壳的曲面呈单曲外形，故也称为“筒壳”。筒壳因其 几何形状简单，模板制作容易，施工简单，故广泛用于工业与民用 筒壳一般由壳板、边梁和横隔三部分组成。
现代建筑结构欣赏
薄壳结构
嘉庚学院土木工程系 许云燕
第一节
薄壳结构的受力特点与优缺点
• 薄壳结构概念:曲板的内力改变为受压为主，受压比受弯有利得多，尤其 • 薄壳结构的优点：
是多向受压，处于空间工作状态更加有利薄壳必须具备两个条件：一是“曲面 的”，二是“刚性的”。所以，薄壳可以简单理解为四边支承的曲板。薄壳的结 构组成一般包括：曲面的壳板和周边的边缘构件两部分。
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。
二、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。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。 从此可以看出，圆顶结构可以充分利用材料的强度。
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。 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。
一、长薄壳
• （一）形式和尺寸 • 当l1/ l2≥l时，称为长薄壳。此时，由于l1/ l2的比值较大，筒壳的受力 情况像曲线截面的梁一样，其计算理论与曲线截面梁相仿。 • 长薄壳的l1/ l2的比值一般为l.5～2.5，最大可达3～4。长薄壳的跨长 最大可达30m。 • 壳体截面的总高度f不应小于（ 1／10～ 1／15）l1；矢高f1不应小于1 ／8 l2。 • 壳板的厚度一般为3～8cm。
一、圆顶薄壳型式
• • 圆顶薄壳的曲面是球形曲面，故也称“球面薄壳”。 圆顶薄壳是最早出现的一种古老型式，它的受力简单。壳板的径向和环向 弯矩极小，可以忽略。所以，壳体主要承受压力，压力沿整个球面扩散均 匀分布，可以充分利用材料的强度。边缘构件为一圆环，对圆顶壳面起箍 的作用，圆顶通过它搁在支承构件上，边缘构件主要承受环向拉力和弯矩。 根据壳板构造，圆顶薄壳可以分为：平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶三种。
三、折板结构的型式
（一）无边梁的折板——预制V形板 波长——一般2m和3m；跨度——一般6～15m（预应力时可达21m）；倾角—— 板与水平面的倾角一般为30～45度；折板高度——为了保证折板的刚度，折板高 度不宜小于1/20跨度。 （二）有边梁的折板——筒壳式折板结构
（二）有边梁的折板——筒壳式折板结构
薄壳突出一个“薄”字，故其优点是：材料省、很经济；自重小，为大跨度提供 有利条件；曲板的曲面多样化，为建筑造型提供丰富多采的创造条件。
壳结构的缺点：
体型复杂，现浇结构时费工费模料 ，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 ，隔热效果不够好，长期日晒雨淋 容易开裂；壳板天棚的曲面容易引 起室内声音反射和混响，对音响效 果要求高的大会堂、体育馆、影剧 院等建筑不适宜采用。
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
有边梁的折板结构由折板、边梁和横隔构件三部分组成，是现浇结构。
四、现代建筑中，折板的应用与演变
由于折板建筑具有波浪起伏的轮廓和丰富多变的阴影，大大丰富 了建筑的造型艺术和个性表现。所以，折板不仅用于建筑物主体的屋 盖上。而且，近代建筑中，折板常常用在门廊雨罩或一些建筑小品上 面，很具特色。
• 雁形板：梁板合一的构件，实质为折板。有普通型、 加肋型、拉杆型。

（三）横隔构件 横隔构件的间距一般采用6～ 12m。
三、圆柱壳的开洞处理
圆柱壳建筑的通风采光可以采用锯齿形屋盖的办法来解决，也可以采用 天窗孔的做法来处理。
四、工程实例
• 圆柱壳由于适用跨度大，平面进深也大，支承结构可以多样化，可 根据建筑空间和造型的不同需要去选择，所以，这种薄壳广泛用于 单层工业厂房和各种公共建筑如展览馆上。 • 圆柱壳还可根据建筑的使用需要，可以做成单波单跨、单波多跨、 多波单跨及多波多跨等各种形式。我国许多纺织厂采用锯齿形的长 筒壳。
（二）长壳受力特点和内力计算简介
薄壳是空间结构，在荷载作用下产生的内力与普通梁板结构不 同，内力的计算也比普通梁板结构复杂得多。

二、短壳
短壳一般也是由壳板、边梁和横隔构件三部分组成，其跨度与波长的比值l1/ l2<1，通常等于或小于0.5。短壳一般是多跨的。 （一）壳板 壳板的矢高f1不应小于1/8l2。壳板内的应力不大，通常不必计算，可按跨度及 施工条件决定其厚度。对普通跨度（l1＝6～12 m， l2＝18～30 m）的屋盖，当矢 高不小于1/8l2时，厚度可按表9－1选定。 （二）边梁 边梁宜采用矩形截面，其高度一般为（1/15-1/10）l1，而不应小于1/15 l1，宽 度为高度的1/5-2/5。
第七节 折板结构
一、折板的特点
同是一块板的截面，如果把折叠起来成折板，惯性矩就可增大许 多；同是一块板的材料，折叠后等于把材料从中和轴位置远离拉开， 即可收到大大的结构效益了 。
二、折板受力特点
折板结构的波长l2一般不宜 太大。实际工程中，跨度l1 经常是波长l2的好几倍长， 尤其是预制预应力V形折板， l1 /l2一般都在5以上。因此， 折板结构大多是长折板，它 的受力性能与长筒壳类似。 边梁下无中间支撑且l1 /l2 》 3的长折极可按梁理论计算。 • （1）板的横向计算 • （2）折板的纵向计算 • （3）横隔框架的计算