大跨薄壳结构
薄壳结构
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。
新型大跨结构PPT
3.桁架支撑式膜结构
济州世界杯体育场曾经作为2002年世界杯的其中一个 比赛场地。体育场馆的结构方式为桁架支撑式膜结构，采 用桁架作为支撑，膜材料作为覆盖材料。
七．张弦结构
北京工业大学体育馆外部图
北京工业大学体育馆内部图 北京工业大学体育馆是北京奥运会主场馆之一。体育馆钢结构体 系采用了预应力弦支穹顶结构，这一长约150米、宽约120米的钢结 构还创造了世界建筑史上的纪录——世界上跨度最大的预应力弦支穹 顶，最大跨度达93米。
日本东海公司墙体阻尼器
房屋橡胶隔震
房屋隔震结构
房屋建筑橡胶隔震
应用于钢结构中的隔震橡胶
第四章：发展前景
空间结构最大的优点在于它形式的多样化。然 而，在设计过程中结构工程师往往是被动地去满足 建筑师所提出的建筑造型，而不是在设计一开始就 主动地参与确定形式。这对于初始形状不确定的张 拉结构就更不合理了，决定结构形式不仅要依靠设 计者的直觉和灵感，也要更多地采用理性的科学方 法，近年来在国外已出现了好几种“工具”可用来 研究结构形式。
第一章：先进结构
• • • • • • • • 一．薄壳结构 二．悬索结 三．悬挂结构构 四．网壳结构 五．桁架结构 六．膜结构 七．张弦结构 八．杂交空间结构
一．薄壳结构
建筑1:法国国家工业与技术中心建于1959年，其整体造型就像一个倒 扣着的贝壳.结构平面为三角形，每边跨度218米，壳顶高出地面48米，屋 顶是当时世界上跨度最大的壳体。总建筑面积达90000平方米。壳体采用 分段预制是双层双曲薄壳，双曲薄壳之间用预应力钢筋混凝土联结。两层 壳体总厚度只有12厘米。顶部用一特殊的构件把几组壳体连为一体，并把 荷载传递至三个支点。支点是棱柱形支座，相互之间用预应力拉杆连接。
大跨度结构其结构体系有很多种
大跨度结构其结构体系有很多种，如网架结构、索结构、薄壳结构、充气结构、应力膜皮结构、混凝土拱形桁架等，常用于展览馆、体育馆、飞机机库等。
一.网架结构网架结构为大跨度结构最常见的结构形式，因其为空间结构，故一般称为空间网架。
其杆件多采用钢管或型钢，现场安装。
常见的为平面桁架、四角锥体和三角形锥体组成，其节点形式可分为焊接钢板节点和焊接空心球节点两种。
二.索结构索结构是将桥梁中的悬索“移植”到房屋建筑中，可以说是土木工程中结构形式互通互用的典型范例。
三.薄壳结构薄壳结构常用的形状为圆顶、筒壳、折板、双曲扁壳和双曲抛物面壳等。
圆形圆顶结构是轴对称结构，在轴对称荷载作用下，将只产生两种力：径向力和环向力。
径向力为沿经线方向的力，因其要平衡垂直向下荷载，所以必定为压力。
环向力为沿纬线方向的力。
圆形屋顶在垂直荷载作用下，上部的圆顶部分将受压收缩，其直径将变小，而下部近支承部分直径将增大，即上部将产生环向压力，而下部将产生环向拉力，中间将有一截面，为环向压力向环向拉力转变的交界线，该处的环向力为0，该截面称为“过渡缝”。
悉尼歌剧院格拉加尼亚修道院教堂上页下页四.混凝土拱形桁架混凝土拱形桁架在以前的工程中应用较多，但因其自重较大，施工复杂，现已很少采用。
目前最大跨度的拱形桁架为贝尔格莱德的机库，为预应力混凝土桁架结构，跨度为135.8m。
日本姬路市中心体育馆五.充气结构充气结构又称充气薄膜结构，是在玻璃丝增强塑料薄膜或尼龙布罩内部充气形成一定的形状，作为建筑空间的覆盖物。
对角跨长200m,由室内地面至顶高6.07m的东京穹顶，是不用柱子，只依靠室内外气压差来制成的膜屋盖结构，也是在日本最初用于多功能全天候的体育场，约30,000平方米超大椭圆形屋顶，采用悬索加强的充气膜结构。
其双向各配置14根共28根钢索，在其上张拉着涂有特富龙的玻璃纤维布。
请看充气膜的充气过程：六.应力膜皮结构应力膜皮结构一般是用钢质薄板做成很多块各种板片单元焊接而成的空间结构。
简述大跨度薄壳结构的优缺点及受力特点
简述大跨度薄壳结构的优缺点及受力特点
大跨度薄壳结构是一种采用薄壳材料进行建造的结构,具有很多优点,同时也存在一些缺点。
优点:
1. 大跨度:大跨度薄壳结构可以轻松实现超过100米的跨度,非常适合大型建筑和桥梁。
2. 轻量:由于薄壳结构使用的材料是轻质的混凝土或陶瓷纤维等材料,因此其重量非常轻,可以使建筑更加节能和环保。
3. 灵活性:大跨度薄壳结构可以根据需要调整其应力状态,以适应不同的使用要求,例如在不同的地震和风载荷下。
4. 防火性:由于薄壳结构的建筑材料是可燃的,因此其具有良好的防火性能。
缺点:
1. 施工难度:大跨度薄壳结构需要进行复杂的施工过程,包括切割、钻孔、涂层等,因此需要较高的技术和管理能力。
2. 耐久性:由于薄壳结构的建筑材料较为脆弱,因此需要采用一系列措施来提高其耐久性,如加强涂层和表面保护等。
3. 材料成本:由于大跨度薄壳结构需要使用高档材料,因此其材料成本相对较高。
大跨度薄壳结构的优缺点及受力特点主要体现在以下几个方面:
1. 受力特点:大跨度薄壳结构的主要受力特点是地震力、风载荷和重力等三种不同的力。
由于材料轻、大跨度等特点,这种结构可以承受较高的地震力和风载荷。
2. 施工特点:大跨度薄壳结构需要进行复杂的施工过程,包括切割、钻孔、涂层等,因此需要较高的技术和管理能力。
3. 材料特点:大跨度薄壳结构需要使用高档材料,因此其具有较好的耐久性和防火性能。
大跨度屋盖结构的几种形式
大跨度屋盖结构的几种形式
大跨度屋盖结构是一种用于搭建大型建筑物屋顶的结构形式，具有跨度大、空间利用率高等优点。
常见的大跨度屋盖结构包括以下几种形式：
1. 桁架结构：桁架结构是利用多根钢管或钢杆组成的网格状结构，常用于建筑物屋面、车站、体育馆等大型建筑物的屋盖结构。
2. 穹顶结构：穹顶结构是由多个弧形钢管或钢杆组成的圆形、半圆形或椭圆形的屋盖结构，适用于建筑物、体育场馆等大型场所。
3. 悬索结构：悬索结构是由多个悬挂在主梁上的钢缆组成的屋盖结构，具有跨度大、空间利用率高的优点，适用于桥梁、体育场馆、展览馆等大型建筑物。
4. 薄壳结构：薄壳结构是利用高强度钢板或混凝土构成的薄壳结构，常用于建筑物屋面、地铁站、机场航站楼等大型建筑物的屋盖结构。
以上是大跨度屋盖结构的几种形式，不同的场所和需求可以选择不同的结构形式，以满足建筑物的要求。
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建筑大跨度结构案例分析
8.1膜结构：内蒙古达拉特旗第五中学 膜结构看台
8.2膜结构
9.1管桁结构：广州丫髻沙大桥主桥
大跨度桁架式钢管混凝土 拱桥的非线性稳定控制指 标，采用的竖转结构体系、 “变角度、变索力”的液 压同步提升技术和平转、 竖转相结合的施工控制技 术
9.2管桁结构：成灌快铁犀浦站
犀浦站采用高站台建 筑，为管桁结构加网 片结构，就是水立方 的建筑技术
1.2园拱屋顶结构：天津西站
金属编织状的屋面，跨度114米，施工人员先在空中10 米高架层上分组进行屋面拼接，然后再整体提升到50米， 即站房的主体结构 整个屋顶长度是386.15米，重量接近7万吨。 在拱顶拼接完后，采取液压千斤顶群提升，整 体提起来，再与两侧进行拼接，最终形成整个 的拱结构
2.1刚架结构
悉尼歌剧院
6.2:薄壳结构：黄石新体育馆
该体育馆造型 具有不规则、 多面、薄壳结 构的特点，是 全国第二座薄 壳结构设计建 筑——第一座 是广州歌剧院。 该体育馆的最 大跨度为111 米
6.3薄壳结构：广州歌剧院
广州歌剧院钢结构外壳采用 空间组合折板式三向斜交网 壳结构，钢结构总重约 10000吨，其中铸钢节点约 1100吨。整个结构为空间极 不规则壳体结构，结构相互 关系错综复杂，造型别具一 格，宛如置于平缓山丘上的 两块美丽的石头，静静地卧 在珠江之畔。其中，“大石 头”是1800座的大剧场及其 配套的设备用房、剧务用房、 演出用房、行政用房、录音 棚和艺术展览厅；“小石头” 则是400座的多功能剧场及配 套餐厅。两者皆为屋盖、幕 墙一体化的结构，整体外壳 最大长度约120米，高度43 米。
2.2门式刚架结构
• 门式刚架是目前国内应用 最为广泛的轻型钢结构。 近年来本公司研究人员结 合工程设计对门式刚架结 构受力性能、结构体系布 置、节点变形性能、吊车 梁优化设计和结构抗震性 能等进行了系统研究，部 分研究成果已为国家相关 规范所采用。本公司开发 的杆系结构分析设计软件 BSSAP含有门式刚架结构设 计模块，已成功用于百余 项门式刚架结构工程设计。 本公司受施工单位委托完 成的数十项门式刚架结构 工程优化设计，优化后经 济效益均十分显著，既为 建设商节约了大笔资金， 也为施工单位赢得了利润 空间
常见的大跨度结构形式
常见大跨度的结构形式我国规范：跨度60m以上为大跨度。
类型：多为公建，人流集中，规模大，占地面积大。
例如影剧院、体育场馆、展览馆、大会堂、航空港；工业建筑：飞机装配车间、飞机库等。
1、拱结构；拱是一种推力结构：在竖向荷载下产生水平推力；拱是一种无矩结构：通过合理拱轴可使杆件无弯矩；拱可充分利用材料抗压强度，断面小、跨度大。
是一种古老的方法适合脆性材料、石材、砖材、混凝土等关键是侧推力平衡问题2、钢架结构；1、材料强度高，自身重量轻;2、钢材韧性，塑性好，材质均匀，结构可靠性高;3、钢结构制造安装机械化程度高;4、钢结构密封性能好;5、钢结构耐热不耐火;6、钢结构耐腐蚀性差;7、低碳、节能、绿色环保，可重复利用。
3、桁架结构；受力特点是结构内力只有轴力，而没有弯矩和剪力。
这一受力特性反映了实际结构的主要因素，轴力称桁架的主内力。
4、网架结构；网架结构是高次超静定结构体系。
板型网架分析时，一般假定节点为铰接，将外荷载按静力等效原则作用在节点上，可按空间桁架位移法，即铰接杆系有限元法进行计算。
由多块条形平板组合而成的空间结构，是一种既能承重，又可围护，用料较省，刚度较大的薄壁结构，可用作车间、仓库、车站、商店、学校、住宅、亭廊、体育场看台等工业与民用建筑的屋盖。
此外，折板还可用作外墙、基础及挡土墙。
6、薄壳结构；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。
由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构。
索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。
8、张拉膜结构；张拉整体结构是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构，其中「不连续的压杆」的含义是压杆的端部互不接触，即一个节点上只连接一个压杆。
9、充气膜结构；充气膜结构是一种新型建筑结构，是轻型空间结构的一个重要分支，具有丰富多彩的造型，建筑特性、结构特性优越，主要分为张拉膜结构、骨架膜结构、充气膜结构、索桁架膜结构等。
薄壳结构的原理和功能
薄壳结构的原理和功能
亲爱的,关于薄壳结构的原理和功能,我会尽量以精简的语言对其关键点进行概述:
薄壳结构指壳体厚度相对其其他尺寸来说较小的结构形式。
它具有以下特点:
1. 轻量化:薄壳大大减少了结构自重,有利于移动与运输。
如薄壳航天飞机、赛车体、手机壳体等。
2. 高强度:薄壳的曲面形态提高了整体刚度与稳定性。
采用波纹或肋条可进一步增强强度。
3. 大跨度:拱形、圆弧形的薄壳可架设大跨度的楼板与屋顶,如体育馆、展馆、飞机机身等。
4. 高材效:薄壳减少材料用量,避免浪费。
复合材料薄壳具有更高的轻量化效果。
5. 美观:薄壳的流线形莫衬托产品的整体美感,广泛应用于工业设计。
6. 刚性包覆:薄壳可以牢固包围内部元件,如电子产品外壳。
薄壳的设计计算需要计算壳体的强度、刚度和稳定性,关键在于选择合适的材料
与几何形状,根据使用需求进行优化设计。
薄壳结构在许多领域得到广泛应用,例如:
1. 航空航天:飞机机身、导弹装甲、火箭外壳等。
2. 建筑工程:网架结构、空间网格、轻质屋盖等。
3. 车辆工业:赛车车体、高速列车头部等。
4. 能源工业:风力发电机叶片、核反应堆保护层等。
5. 电子产品:手机、笔记本、显示器等外壳。
6. 容器包装:饮料罐、食品罐头等。
7. 生物医学:人造骨、人造血管等
综上所述,精心设计的薄壳结构充分发挥轻量化和高强度优势,在工程和设计领域有很广阔的应用前景。
第九章 大跨度建筑结构
• 使用环境需要 • 屋架结构的跨度
4.桁架结构的布置 •桁架跨度：3m为模数
•桁架间距：6m、7.5m、9m、12m
三. 拱结构
拱结构
1. 受力特点和水平推力的处理方式
杆件为压弯构件，产生水平推力 H=M/f
• 拱轴形式的选择： • 合理的拱轴线，只有轴力，没有弯矩 • 均布荷载：二次抛物线
辐射形布置： 内环受拉、外环受压
网状布置：
双层悬索体系
特点：
稳定性好，整体刚度大，反向曲率的索系可以承
受不同方向的 荷载作用。 适宜采用轻屋面，如铁皮、铝板、石棉板等屋面 材料和轻质高效的保温材料，以减轻屋盖自重、 节约材料、降低造价。
分类：单曲面、双曲面、 1．单曲面双层拉索体系
常用于矩形平面的单跨或多跨建筑
短向跨度L=30~60m时，取（1/12~1/16）L 短向跨度L>60m时，
取（1/14~1/20）L
腹杆布置
交叉桁架体系：腹杆倾角40~55度 角锥网架：腹杆倾角60度 大跨度网架：再分式腹杆
4. 平板网架的支承方式
周边支承于柱 每个结点都设置柱 周边不设置边桁架 用钢量省
适用范围：大跨 度和中等跨度
横隔：6 ～ 12m
球壳
f < 1/5 L1
L2/L1 < 2
t ～1/600R 且 > 40mm
五. 折板结构
巴黎，联合国教科文组织会议厅（1953～1958）
六. 网架结构
1. 网架结构的特点、优点与适用范围
• 特点：平面桁架相互交叉结合而成 • 优点： • 多向受力的空间结构，跨度大 • 刚度大，稳定性好
气压式薄膜
气承式
常用大跨度结构
大跨度建筑构造--屋顶构造
彩色压型钢板屋面
——材料形式
大跨度建筑构造--屋顶构造
彩色压型钢板屋面
——材料形式
大跨度建筑构造--屋顶构造
彩色压型钢板屋面——构造层次与细部构造： 波高以35mm为界，纵向接缝搭接长度不小于100mm
彩色压型钢板屋面
大跨度建筑构造--中庭天窗构造
四、网架结构及其造型
四、网架结构及其造型
四、网架结构及其造型
四、网架结构及其造型
四、网架结构及其造型
Palacio de los Deportes, /wiki/Venues_of_the_1968_Summer_Olympics
四、网架结构及其造型
——设置排水槽，排水槽要保证必要的排水坡度，排水路径不能过长
3. 天窗应有良好的防水性能
——足够的排水坡度、排水路线短捷畅通、接缝严密
4. 防止眩光对室内的影响
——采用具有漫反射性能的透光材料、加设折光构件
大跨度建筑构造--屋顶构造
金属瓦屋面
——构造层次：檩条、木望板、干铺油毡（一层）、瓦材（防腐处理） ——屋面划分：瓦材尺寸不宜超过2m ——细部构造：拼缝、泛水、天沟、檐口等
大跨度建筑构造--屋顶构造
金属瓦屋面拼缝构造
金 属 瓦 屋 面 构 造 实 例
金 属 瓦 屋 面 构 造 实 例
五、折板结构及其造型
特点
L1/L2≤1 L1/L2≥1 短折板 长折板 L2：波长（不宜大于12m）， L1：跨度
f长折板=（1/10~1/15）L1，f短折板≥（1/8）L1
——薄、省材；预制装配（装配整体式）；构造简单
五、折板结构及其造型
大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法(2)
大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法一、前言大跨度异形双曲薄壁壳体是一种具有优秀力学性能和美观外形的结构形式，近年来在建筑领域得到广泛应用。
为了保证施工过程的质量和效率，需要采用合适的施工工法。
本文将介绍一种大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法。
二、工法特点大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法具有以下特点：1. 采用清水混凝土，施工前无需搭建支撑模板，降低了施工成本和材料消耗。
2. 适用于各种形状的薄壁壳体结构，具备较高的适应性和灵活性。
3. 施工过程简单、快速，可提高施工效率，缩短工期。
4. 技术成熟，工法可行性高，施工质量稳定可靠。
三、适应范围大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法适用于各种建筑和桥梁工程中的异形双曲薄壁壳体结构，如体育馆、剧院、展览馆等。
四、工艺原理大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法的核心原理是通过控制混凝土的流动性和振捣来确保混凝土在异形双曲薄壁壳体模板内充实，使其能够平稳流动并填充所有空隙，从而获得结构的充实性和均匀性。
五、施工工艺1. 模板搭设：根据异形双曲薄壁壳体的形状和尺寸，搭设适当的模板，确保模板的坚固性和稳定性。
2. 混凝土浇筑：根据设计要求，控制混凝土的流动性和振捣，确保混凝土能够顺利充实模板内，并填满所有空隙。
3. 养护：施工完成后，对混凝土进行养护，加强混凝土的凝固和硬化过程，以提高结构的强度和耐久性。
六、劳动组织大跨度异形双曲薄壁壳体清水混凝土施工工法需要合理组织劳动力，确保施工过程的顺利进行。
劳动组织涉及人员的配备、作业分工和工作时机的安排等方面。
七、机具设备施工过程中需要使用各种机具设备，包括混凝土搅拌机、输送泵、振动器等。
这些机具设备能够提高施工效率和施工质量。
八、质量控制为了保证施工过程中的质量，需要采取一系列的质量控制措施，包括混凝土配比的优化、流动性的控制、振捣的均匀性等。
这些措施能够确保施工过程中的质量达到设计要求。
大跨度建筑屋盖结构-薄壁空间结构
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第二节 圆顶薄壳 圆顶的结构形式与特点 圆顶薄壳是正高斯曲率的旋转曲面壳，是极古老而近代仍在大量使用的一种结构形式。具有很好的空间工作性能，圆顶的覆盖跨度可以很大而其厚度却很薄，壳身内应力通常很小，钢筋配置及壳身厚度常由构造要求及稳定验算来确定，材料用量很省。常用于平面为圆形的建筑，如杂技院、天文馆、剧院等的屋盖及圆水池的顶盖。目前最大直径已达200多米。
添加标题
根据受力特点的不同，可分为长折板 （ ） 短折板
添加标题
在折板纵向，可取一个波长作为计算单元，把折板看成以横隔为支座的梁，折板的截面可折算成T形截面或工字形截面。
第五节 双曲扁壳 双曲扁壳由壳身及周边竖直的边缘构件所组成。 壳身可以是光面的，也可以是带肋的。一般常采用抛物线平移曲面。 边缘构件一般是带拉杆的拱或拱形桁架，跨度较小时也可以用等截面或变截面的薄腹梁，当四周为多柱支承或承重墙支承时，也可用柱上的曲梁或墙上的曲线形圈梁作边缘构件。四周的边缘构件在四角交接处应有可靠连接构造措施，以有效地约束壳身的变形。同时，边缘构件在其自身平面内应有足够的刚度，否则，壳身内将产生很大的附加内力。
圆顶结构由壳身、支座环、下部支承构件组成。 壳身：平滑圆顶（最常用） 肋形圆顶 当由于采光要求需将圆顶表面划分为若干区格，或当壳体承受集中荷载，或当壳身厚度太小不能保证壳体的稳定性时，或采用装配整体式时 多面圆顶 由数个拱形薄壳相交而成
支座环：功能和拱式结构中的拉杆一样，可有效地阻止圆顶在竖向荷载作用下的裂缝开展及破坏，保证壳体基本上处于受压的工作状态，并实现结构的空间平衡。可采用普通钢筋混凝土梁或预应力混凝土梁。
添加标题
折板结构的受力特点及计算要点
添加标题
超大跨度薄壁网壳制作变形控制技术
国家会议中心二期项目会展区屋盖位于会场区与会展区位置，标高+45.000m,跨度72m,属超大型无柱空间网壳结构，屋面采用大跨度平面桁架及圆柱面空间网壳结构体系。
会展区采用箱型钢网壳结构，主会场顶部采用弧形钢管单片桁架结构。
钢网壳屋盖主杆件主要规格为□700X200x18x18和□700X200x20x20,次杆件规格为□500χ200χ10χ10和□500χ2OOX16x16,单片管桁架规格为P700×30(40)、P400×20,主要材质为Q355B(图1)。
1、屋盖网壳制作难点屋顶花园网壳结构造型新颖，为超大跨度的单层薄壁空间结构，刚接节点。
构件截面形式有成品箱型和焊接箱型两种，均为薄壁杆件。
空间结构节点形式复杂，施工中存在焊接变形大、交叉焊接困难等变形控制难点。
梯形构件截面小，钢板薄，最小板宽仅200mm、厚度仅10mm,薄板窄条切割后板件呈不规则弯曲，受热后易发生平面旁弯和侧面弯曲，精度控制困难。
1.2 构件拼焊变形控制难点小截面薄壁杆件焊接变形大；箱型截面因翼缘宽度仅200mm,受焊接热影响后变形不同会导致构件扭曲；构件的平面度和直线度等精度很难保证。
1.3 内部隔板电渣焊焊接难点腹杆板厚仅10mm,内隔板电渣焊焊接困难，焊丝不能摆动，焊接质量无法保证；由于主体板薄，隔板焊接后主体外侧留有焊接印迹，影响外观质量。
1.4 相交节点处焊接变形控制处理难点因箱型次杆与主杆及相邻次杆间夹角较小，米字形节点相交处坡口角度太大，无法开设焊接坡口。
2、屋盖网壳弧形主杆制作及精度控制会展区采用箱型薄壁钢网壳结构，主会场顶部采用弧形钢管单片桁架结构。
在工厂制作箱型钢网壳结构时主要考虑制作网壳主箱梁，其余则先制成单根箱型构件散件再运至安装场地。
主箱梁单根重量相对较轻，制作长度可根据运输长度分段。
本项目为国家重点工程，网壳制作验收标准要求更高，构件的精度和变形成为制作过程中的控制重点。
常用大跨度结构
大跨度建筑构造--屋顶构造
大跨度建筑构造--屋顶构造
大跨度建筑构造--屋顶构造
金属瓦屋面
大跨度建筑构造--屋顶构造
——构造层次：檩条、木望板、干铺油毡（一层）、瓦材（防腐处理） ——屋面划分：瓦材尺寸不宜超过2m ——细部构造：拼缝、泛水、天沟、檐口等
大跨度建筑构造--屋顶构造
金属瓦屋面拼缝构造
五、折板结构及其造型
National Mosque of Malaysia
特点
五、折板结构及其造型
L1/L2≤1 短折板 L2：波长（不宜大于12m）， L1：跨度
L1/L2≥1 长折板 f长折板=（1/10~1/15）L1，f短折板≥（1/8）L1 ——薄、省材；预制装配（装配整体式）；构造简单
01
02
五、折板结构及其造型
类型 ——断面 ——外形
折板结构及其造型
折板结构及其造型
六、薄壳结构及其造型
Indoor Tennis Center in Heimberg, Switzerland
薄壳结构及其造型
类型 筒壳、球壳、扁壳、鞍形壳
薄壳结构及其造型
罗马小体育宫结构体系
薄壳结构及其造型
三、桁架结构及其造型
三、桁架结构及其造型
类型 按构成 ●三角形 结构高度最低 1/5-1/2 ≤18m ●拱形 受力最好 1/6-1/8 18-36m 60m ●梯形 受力较好 ，制作方便 1/6-1/8 18-36m 72m 按材料 ●钢 适宜36m以上跨度，自重轻 ●钢筋混凝土 适宜36m以下跨度 ●木 ——特殊环境（相对湿度大于75%或有腐蚀性介质时）不宜钢、木材料，只宜预应力钢筋混凝土材料。
Hanging membranes by Heinz Isler
大跨空间结构的主要形式及特点
悬索结构形式
北京工人体育馆
悬索结构的特点
悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸 来抵抗外荷载的作用!结构中不出现弯距和 剪力效应，可充分利用钢材的强度，悬索结 构形式多样布置灵活，并能适应多种建筑平 面。由于钢索的自重很小，屋盖结构较轻， 安装不需要大型起重设备，但悬索结构的分 析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限 制了它的广泛应用"
3、膜结构
薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展 起来的一种新型大跨度空间结构形式。它以性能优良 的柔软织物为材料, 由膜内空气压力支承膜面，或利 用柔性钢索或刚性支承结构使膜产生一定的预张力， 从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。
膜结构的主要形式
膜结构形式上主要有气 压式膜结构、气承式膜 结构、混合式膜结构和 悬挂薄膜结构。
大跨度空间结构往往是衡量一个国家或 地区建筑技术水平的重要标志。其结构 形式主要包括网架结构、网壳结构、悬 索结构、膜结构和薄壳结构等
五大空间结构及各类组合空间结构，形 态各异的空间结构在体育场馆、会展中 心、影剧院、大型商场、工厂车间等建 筑中得到了广泛的应用。
1、 网架结构
由多根杆件按照某种规律的几何图形通 过节点连接起来的空间结构称为网格结构。 其中双层或多层平板形网格结构称为网架 结构或网架。通常采用钢管或型钢材料制 作而成。
网架结构的主要特点
空间工作，传力途径简捷。重量轻、刚度大、抗 震性能好、施工安装简便。网架杆件和节点便定 型化、商品化、可在工厂中成批生产，有利于提 高生产效率。网架的平面布置灵活，屋盖平整， 有利于吊顶、安装管道和设备。网架的建筑造型 轻巧、美观、大方。便于建筑处理和装饰。
2、网壳结构
曲面形网格结构称为网壳结构。有单层网 壳和双层网壳之分，网壳的用材主要有钢网 壳、木网壳、钢筋混凝土网壳等。
建筑结构的大跨越1
建筑结构的大跨越系列之一新中国成立60 年来，我国的建筑结构体系和技术飞速发展，新的结构体系不断开发应用，建筑结构技术日新月异。
形态各异的大跨度建筑、高入云端的的高层与超高层建筑，在中国大地上拔地而起，显示出我国建筑结构水平空前提高，正在步入世界先进行列。
广度：空间结构成绩喜人新中国成立后，国家建设事业的发展，促进着建筑结构的科研工作，各种适合国情的空间大跨度结构被开发和应用。
改革开放前的近30 年中，薄壳结构、悬索结构、网架结构、网壳结构成为大型公用建筑工程中采用的几种主要结构型式。
薄壳结构是上世纪五六十年代很受青睐的大跨度结构，其特点是结构与建筑围护合二为一，而且取材容易、施工方便，1959年建成的北京火车站就是双曲扁壳结构，跨度达35m×35m。
与此同时，悬索结构的研究与应用也有了进展，1961 年建成的直径96 米的北京工人体育馆，采用的就是车辐式双层悬索结构，是这一结构有代表性的建筑之一。
1967 年，跨度为99m×112m 的首都体育馆建成，它采用的是网架结构。
网架结构是我国建筑结构中应用最广泛的大跨度空间结构，至今仍为建筑结构的主流。
上世纪70 年代末，网架结构中具有中国特色的焊空心球节点网架开发出来，随后于1981 年编制了《网架结构设计与施工规定》，这是国际上最早的网架结构方面的技术规程。
80 年代，平板型网架结构在各地的大跨度体育馆的建设中大量应用，成为这一时期的显著特点。
90 年代以后网架结构的发展进入新阶段。
1991 年修订后的《网架结构设计与施工规程》颁布；同时，新型的组合网架结构研发成功；而实用化网架结构CAD程序的开发，促进了网架结构的普及；1995 年，2×153m×90m 的首都机场巨型机库建成，是这一时期网架结构跨度方面最有影响的建筑。
改革开放后，除网架结构外，悬索结构、网壳结构也有了发展。
悬索结构在上世纪80 年代的一些省市的体育馆建设上多有应用，而第十一届亚运会多座场馆则使用了网壳结构，如北京石景山体育馆、北京体育学院体育馆等。
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椭圆球壳
x y zc f 1 2 2 a c
2 2 2
ra x ra ,
z 0
20
5.3.1选型设计
1．几何特性
x 2 y 2 ra2
2 r 2 a f z x f
抛物面球壳
2 r 2 2 a f z x y f
21
5.3.1选型设计
薄壳结构
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述 薄壳的曲面形式 圆顶薄壳 筒壳 双曲扁壳
5 薄壳结构
起源
人类远在数千年前早已找出了各式各样的日用壳体，如锅、 碗、坛、罐……以后工业逐渐发达，造出了灯泡、钢盔、 木舟、机壳等不胜枚举。 壳体用于建筑结构虽为时较早，但工程界开始研究、分析、 试验已是19世纪，到20世纪初，壳体结构的发展一直缓慢， 主要原因是计算繁琐。 二战期间及战后壳体结构发展才迅速起来。
32
5.3.2 圆顶结构组成和形式
支撑构件
33
5.3.3 圆顶薄壳的内力状态
计算
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。
受力
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。由此，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。
26
5.3.2 圆顶结构组成和形式
壳身
平滑圆顶结构 实际工程中用的较多。 钢筋沿径线及沿同心圆放置；径向钢筋的数量朝圆顶 点方向根据圆顶周长的减少而减少； 当厚度大于80mm时，为避免收缩及温度裂缝，应放置 两层钢筋。 肋形圆顶结构 当壳体受集中荷载作用； 当壳体厚度较小； 采用装配整体式结构时 经向肋系、环向肋系、壳面板 27
5.1 概述
薄壳的特点
薄壳必须具备两个条件： 曲面， 刚性。 理解为四边支承的曲板。 主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重。 形抵抗结构 强度和刚度主要依靠几何形状的合理性，而不是结构 截面尺寸得到。
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5.1 概述
薄壳的曲面构成
在任意形状的壳的中面上某一点m可作法线mn。包含该 法线可作一系列的平面，各平面与中面相交可得许多具有 确定方向的平面曲线，其中有两条相互垂直或正交的曲线 r和t的曲率具有极值，一条曲率最大，另一条曲率最小， 这两条曲线的曲率称为曲面在该点的主曲率，用k1、k2表 示。 曲面任意点上的高斯曲率K K＝ k1k2。
5
5 薄壳结构
壳结构的优点
可覆盖大跨度空间而中间不设支柱； 内力比较均匀，节约材料，经济效果好； 自重轻、刚度大、整体性好，有良好的抗震和动力性能； 曲板的曲面多样化，可适用于各种平面，为建筑造型提供 丰富多彩的创造条件。造型美观，活泼新颖。
壳结构的缺点
现浇薄壳结构耗费大量模板；支模工程量大，施工不便； 体型复杂，板厚太小，隔热效果不好，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，对声音效 果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等不宜采用。 6
9
5.1 概述
薄壳的曲面分类
K＝ k1k2＞0 正高斯曲率曲面，椭圆抛物面、球 面 K＝ k1k2＜0 负高斯曲率曲面，双曲抛物面 K＝ k1k2=0 零高斯曲率曲面，圆柱面、圆锥面
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5.2 薄壳的曲面形式
按照形成的特点
旋转曲面 平移曲面 直纹曲面 复杂曲面
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5.2 薄壳的曲面形式
5.3.2 圆顶结构组成和形式
支撑构件
3 圆顶结构支承在框架上，利用圆顶下四周的围廊或圆顶 周围的低层附属建筑的框架结构，把水平推力传给基础。 框架结构必须具有足够的刚度，以保证壳身的稳定性。 4 圆顶结构直接落地并支承在基础上。 落地的圆顶就像落地拱一样，经向推力直接传给基础。 若球壳边缘全部落地，则基础同时作为受拉支座环梁。 若是割球壳，只有几个脚延伸入地，则基础必须能够 承受水平椎力，或在各基础之间设拉杆以平衡该水平 力。
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5.3.3 圆顶薄壳的内力状态
受力 壳面环向
壳面经向
支座环
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5.3.4 圆顶薄壳的构造
壳板厚度
一般由构造要求确定，取圆顶半径的1/600。 对于现浇钢筋混凝土圆顶，不应小于40mm； 对于装配整体式圆顶，不应小于30mm。
配筋
在壳板内的受压区域及主拉应力小于混凝土抗拉强度的受 拉区域内，可按不低于0.20％的最小配筋率配置构造钢筋， 其直径不小于4mm，间距不超过250mm。 在主拉应力大于混凝土抗拉强度的区域，应按计算配筋， 主拉应力应全部由钢筋承担，钢筋间距不大干150mm。 厚度不大于60mm的壳体，在弯矩较小的区域内，可采用 单层配筋，钢筋一般布置在板厚的中间。超过上述厚度或 当壳体受有冲击及振动荷载作用时，应采用双层配筋。 36
22
5.3.1选型设计
2．选型设计
（2）线型选择 从建筑外形衡量，以抛物线较好， 从方便施工角度看，以圆球形最方便。 建议选用圆弧曲线和f/(2ra)=1/4~1/6较合适
23
5.3.2 圆顶结构组成和形式
组成
壳身 支座环 下部支撑构件
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5.3.2 圆顶结构组成和形式
组成
18
5.3.1选型设计
1．几何特性
x 2 y 2 ra2
f 2 ra2 r 2f
圆球壳
x y z r f r 2
2 2 2
ra x ra ,
z 0
19
5.3.1选型设计
1．几何特性
x 2 y 2 ra2
a ra 2cf f 2 c
旋转曲面
一平面曲线绕其所在平面上的轴旋转所形成的曲面，称为 旋转曲面。
球形曲面
椭球曲面
旋转抛物面
旋转双曲面
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5.2 薄壳的曲面形式
平移曲面
一竖向曲线沿另一竖向曲线平移所形成的曲面称为平移曲 面。
椭圆抛物面
13
5.2 薄壳的曲面形式
直纹曲面
建造时容易制作， 1双曲抛物面 工程应用较多 一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。
30
5.3.2 圆顶结构组成和形式
支撑构件
2 圆顶结构支承在斜柱或斜拱上。 通过壳体四周沿着切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱， 把推力传给基础； 或通过沿壳缘切线方向的单式或复式斜拱，把经向报 力集中起来传给基础。 在平面上，斜柱、斜拱可按正多边形布置，以便与建 筑平面相协调； 在立面上，斜柱、斜拱可与建筑围护及门窗重合布置， 也可暴露在建筑物的外面，以取得较好的建筑立面效 果。 这种结构方案清新、明朗，既表现了结构的力量与作 用，又极富装饰性。但倾斜的柱脚或拱脚将使基础受 到水平推力的作用 31
5.3.2 圆顶结构组成和形式
壳身
多面圆顶结构 由数个拱形薄壳相交而成； 与平滑圆顶结构相比，支座距离较大； 与肋型圆顶结构相比，可节省材料； 通风采光 在顶部开设圆形孔洞
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5.3.2 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。
2．选型设计
（1）矢跨比 从力学特性和建筑功能上分析：当f/(2ra)=1/2时，呈半 球形，水平推力最小，但占用的建筑空间最大，可用 于有特殊要求的建筑中（如天文馆）； 当 f/(2ra)=1/5时，呈扁球壳，水平推力最大，但占用的 建筑空间最小，节约空调费用，外形也美观； 当1/2＜ f/(2ra)＜1/5时，为一般球壳，水平推力中等， 处理也较方便，在建筑功能及美观上一般。 某一建筑选用多大的矢跨比很大程度上取决于建筑功 能和外形的美观。
5.3.4 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
3
5 薄壳结构
壳结构的演变
把平板做成曲板，曲板的内力就改变为受压为主，受压比 受弯更能发挥材料的性能，尤其是多向受压，处于空间状 态更加有利。
4
5 薄壳结构
壳结构的演变
横向受荷传力的梁起“担”的作用，不能材尽其用，并非 经济的结构形式；以曲梁承荷传力的拱起“顶”的作用， 能进一步发挥财力，是较先进的结构形式； 壳体与拱相仿，以曲板承荷传力，而且更进一步，它不像 拱是单向受荷传力的平面结构，而是双向受荷传力的空间 结构，起双向“顶”的作用。
扭壳面
双曲抛物面
扭壳面与双曲抛物面
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5.2 薄壳的曲面形式
直纹曲面
2柱面与柱状面 柱面由直母线沿沿着两根曲率相同的竖向曲导线移动 而形成的曲面。 柱状面由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。
柱状面 柱面
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5.2 薄壳的曲面形式
直纹曲面
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。 锥状面是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。也称劈 锥壳
只有空间受力的结构体系才能够很好地解决大跨度 屋盖的问题，而且只有空间体系的结构才能组成富 有造型特点的屋盖形式。
2
5 薄壳结构
壳结构的演变
两边支承的单向板只有一个方向受弯，另一个方向的抗弯 能力根本没有利用； 如果把做成四边支承的双向板，那么，双向受弯，两向共 同受荷，则材料的抗弯潜力得到较充分的发挥。 相同荷载下，双向板比单向板的跨度可以大1.3~1.8倍。 双向板虽然是四边支承而起双向受力的作用，但还是平面 结构，它的内力还是弯矩。