薄壁空间结构1

圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成
平滑圆顶
肋形圆顶
多面圆顶
当圆顶跨度不太大时，肋形圆顶可以只设径向肋。 当建筑物平面为正多边形时，可采用多面圆顶结构。 与平滑圆顶相比，多面圆顶有较好的建筑外形，与 肋形圆顶相比，节省材料、自重轻。
圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成
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。
概述 直纹曲面
由一条直母线的两端分别沿两条 固定的曲导线移动而形成的曲面。 工程中常见的3种 （3）锥面、锥状面 锥面: 一条直母线的一端固定在一 点，另一端沿一条曲导线移动形 成。 锥状面:又称为劈锥面，由一条直 母线沿一条直导线和一条曲导线 平移并始终平行于导平面所形成。
概述 组合曲面 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， 双曲扁壳 便可得到各种各 样复杂的曲面。 不过，曲面过于 复杂，会造成极 筒壳 大的施工困难， 甚至难以实现。 劈锥壳
零高斯曲率，单向曲面， 几何形状简单； 横向刚度小的缺点，但 最大的优点是可以使用 直模板，施工方便，省 工省料，这也是其在历 史上最早出现，至今仍 大量应用的原因。民用 建筑中广泛采用。
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成 壳板、边梁、横 隔，结构的空间 工作是该三部分 协同工作完成。
筒壳空间工作示意
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
跨度、波ຫໍສະໝຸດ Baidu、 矢高的概念
h f
跨度: 两横隔之间的距离L1； 波长: 两侧边构件（边梁）之间的水平距离L2； 矢高: 不包括侧边构件在内的高度f； 截面高度: 包括侧边构件在内的高度h； 跨度方向称为纵向，沿波长方向称为横向。
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
概述 基本概念
矢高、矢率：中曲面覆盖的底 面的短边为a，f/a称为矢率。 矢率很小的壳体称为扁壳，矢 率较大着称为陡壳。混凝土结 构中，f/a≤1/5时，称为扁壳。
概述 薄壁空间结构的受力特点
薄壳主要承受曲面内的双向轴力和顺剪力，比拱结构 更优越，拱结构仅在特定荷载作用下才能找到合理的 拱轴线，而薄壳结构两个方向轴力和剪力的共同作用， 在较大范围内承受均布荷载而不至于产生弯矩。 梁：主要承受弯矩和剪力 平板：主要承受力矩 拱：主要承受轴力
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
L1/L2大于3，称为长壳筒， L1/L2小于1，称为短壳筒。 L1/L2小于3，大于1， 称为中长壳筒。
筒壳（柱面壳） 长壳筒
受力状态 由于跨度很大，纵向支承 柔性很大，即认为壳板与 边梁共同工作，相当于曲 面截面梁，两端横隔是梁 的支承。可按材料力学中 的“梁理论”计算。
遇开间宽、进深浅的车库、飞机库一类建筑物，最好的 方案是采用单波短筒壳或多波多跨短筒壳。
筒壳（柱面壳） 几个实例
北京798艺术区
1960重庆山城宽银幕电影院
1962 马德里Zarzuela赛马场
筒壳（柱面壳） 几个实例
1992 法国戴高乐机场第二空港 1972 贝尔金美术馆
1962 同济大学礼堂
筒壳（柱面壳）
单曲面筒壳的根本特点是曲面的纵向是直线。它既 有利，又有弊。“直”利于模板的制作、架设、拆 除与重复使用。然而，正由于其纵向是直线，其横 向的抗弯强度与刚度非常弱，与壳体结构的优越性 很不相称。这也是所有的单曲面壳，包括筒壳、锥 壳、劈锥壳等通病。故此，人们尝试着走双曲面壳 的路。在这条路的一开始，很自然的就与建筑物的 圆顶联系在一起了。
筒壳（柱面壳） 长壳筒
受力状态 “梁”在纵向均布荷载作 用下，壳板主要处于受压 状态，相当于梁截面的受 压区，边梁主要处于受拉 状态，壳板和边梁的顺剪 力则传给横隔。
筒壳（柱面壳） 长壳筒
主要尺寸及构造 长筒壳的适用跨度L1≤40M，波长L2≤20M。跨度越大， 壳体较厚，边梁偏高，不经济；波长过长，横向弯距 大，也不经济。 壳板厚δ＝（1/300～1/500）L2， 但不小于50mm，由于壳板与边 梁连接处横向弯矩过大，靠近边 梁附近的壳板宜加厚。 矢高ƒ＝（1/8～1/6）L2， h≥（1/15～1/10)L1，否则， 将影响壳体的强度和刚度；壳体边缘坡度不宜超过40度， 否则，混凝土浇注时塌落。
概述 平移曲面
一条竖向母线沿另一竖向曲线平 移所形成的曲面称平移曲面。 工程中常见的2种 （1）椭圆抛物面 母线-抛物线； 导线-与母线凸向相同的抛物线 这种曲面与水平面的交线为椭 圆，因此成为椭圆抛物面。
概述 平移曲面
一条竖向母线沿另一竖向曲线平 移所形成的曲面称平移曲面。 工程中常见的2种 （2）双曲抛物面 母线-抛物线； 导线-与母线凸向相反的抛物线 这种曲面与水平面的交线为双 曲线， 因此成为双曲抛物面。
圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成
圆顶结构历史悠久，属 于旋转双曲面壳，较之 单曲薄壳（筒结构）具 有更大的抗弯刚度和整 体稳定性，更加经济合 理，其壳板厚度可以更 薄，跨度更大。 母曲线形式的不同，形 成球面壳、椭球面壳及 旋转抛物面壳。
圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成
通常由三部分组成： 壳身、支座环、下部 支承构件。
概述 基本概念
壳体：一般由上下两个几何曲面构成空间薄壁结构， 也称曲面结构，两曲面之间的距离δ 为厚度。 等厚壳：厚度不随坐标位臵改变而发生变化的壳体称 为等厚壳。 变厚壳：当厚度岁坐标位臵改变而发生变化的壳体称 为变厚壳。 薄壳：当厚度远小于壳体的最小曲率半径时（通常 δ≤R/20），称为薄壳。
概述 基本概念
中曲面：等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的中 曲面。薄壳结构，可以仅以中曲面的方程描述整个结 构的变形及内力。 高斯曲率：曲面上任意一点上的高斯 曲率等于该点两主曲率的乘积： K=k1xk2=1/R1R2 A．正高斯曲率：K=k1xk2>0 B．负高斯曲率：K=k1xk2<0 C．零高斯曲率：K=k1xk2=0， 即其中一个主方向为直线。
径向应力状态
圆顶薄壳 圆顶薄壳的受力特点 壳身的受力 圆顶环向受力，则与壳板 支座边缘径向法线与旋转 轴的夹角Ф大小有关。
横隔的间距（m） 壳板的厚度（mm）
6 5～6 7 6 8 7 9 7～8 10 8 11 9 12 10
筒壳（柱面壳） 中长壳筒
受力介于长、短壳 之间，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， 计算复杂。
筒壳（柱面壳） 壳筒的结构布置
矩形平面的建筑(L1>L2)：
作用： 阻止裂缝开展及破坏 保证壳体处于受压工作状态 实现结构的空间平衡
圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成 圆顶薄壳的下部支承一般有以下几种： 支座环支承在房屋的竖向承重构件（砖墙、砖柱）上； 支承在框架上； 支承在斜拱或斜柱上 ； 直接落地并支承在基础上。
圆顶薄壳 圆顶薄壳的受力特点 壳身的受力 根据力学分析，圆顶结构 在一般情况下不仅可以忽 略弯曲内力，而且顺剪力 也很小。 在竖向对称荷载作用下， 圆顶径向受压，径向压力 在壳顶小，壳底大。
薄壁空间结构
概述 自然界中的薄壳结构
概述 自然界中的薄壳结构
概述 生活中的薄壳结构
概述 生活中的薄壳结构
概述 薄壁空间结构
薄壁空间结构是一系列 具有丰富外形的建筑结 构类型的总称，他们绝 大部分属于曲面结构类 型的范畴，常常也称为 薄壳结构。 薄壁空间结构有少部分 外形非曲面，如折板结 构，但其受力和空间形 态接近曲面结构，统称 薄壁空间结构。
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
（3）横隔： 常用的横隔形式有 弧形横隔梁、等高横隔 梁、拉杆拱、拱形刚架、 桁架、悬挑桁架、空腹 桁架、框架横隔。
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
横隔的作用 保持壳体的形状； 形成筒壳的空间刚度并 保证筒壳的空间工作； 作为筒壳的支座承受由 壳板传来的顺剪力。
概述 薄壳结构的材料 随着建筑和造型的要求的 提高，薄壳结构在工程艺 术领域意义越来越大。壳 体的面可以是封闭的，如 使用钢筋混凝土；也可以 是开放的，用网格壳体， 如使用钢材、木材或其他 复合材料。这种网格壳体， 仅由网格承重，织物、玻 璃等材料作为外围护构件 不承重。
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
若采用短筒壳，通常短向L2为横隔跨度。
筒壳（柱面壳） 壳筒的结构布置 矩形平面的建筑(L1>L2)：
当建筑平面短边L2较大时，应改用长向布臵的多波单跨 长筒壳。但这时室内仍将出现几条长边梁。 长向布臵长筒壳并不合理，一般应该短向布臵多波单跨 长筒壳。
筒壳（柱面壳） 壳筒的结构布置 矩形平面的建筑(L1>L2)：
圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成
平滑圆顶
肋形圆顶
多面圆顶
壳身：按壳板 的构造不同，圆 顶薄壳可分为平 滑圆顶、肋形圆 顶、多面圆顶。
平滑圆顶为工程中应用最广泛。 采用肋形圆顶的情况： 采光要求须将圆顶表明划分成若干个区格 壳体承受集中力（需要加强壳体刚度） 壳体厚度太薄不能保证自身稳定时 采用装配整体式结构
概述 薄壁空间结构的优缺点
优点： （1）材料省； （2）自重轻； （3）曲面形式丰富。 结构主要承受轴力和顺剪力，再加上它的空间工作 特性，所以材料强度可以得到充分利用。
如6x6的钢筋混凝土结构板，一般至少 需要130mm厚度，而35mx35m的双曲扁 壳屋盖（北京火车站候车厅）仅80mm 厚度，折算下来两者相差10倍。
扭壳
柱状壳
锥形壳
概述 薄壳结构的建造 （1）模板搭建（满堂脚手架） 钢筋混凝土现浇壳体最常使 用。 （2）预制构件现场装配 从经济性出发，工厂预制、 运输、现场装配。
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概述 薄壳结构的建造 （3）攀升式模板 在地面现浇壳体或预制 单元装配后整体提升。
4）柔膜喷涂 柔性气囊充气，形成需 要的形状后表面加盖绑 扎钢筋，喷射混凝土， 形成均匀的薄壳。
筒壳（柱面壳） 短壳筒
受力状态 由于筒壳的横隔间距很小， 筒壳横向的拱作用明显， 而纵向梁的传力作用很小， 因此近似于拱的作用。即 认为壳体内的薄膜内力以 顺剪力为主，类似嵌固在 横隔上的拱板。
筒壳（柱面壳） 短壳筒
主要尺寸及构造 矢高ƒ ≥L2/8 配筋可按构造确定。 边梁宜用矩形截面，高度为L1的1/15~1/10，宽度 为高度的1/5~2/5 横隔构件常用拉杆拱或拱形桁架 当L1＝6～12M，L2 ≤30M时，壳板的厚度随横隔 间距的不同而不同。
概述 薄壁空间结构的优缺点
缺点： （1）结构计算复杂； （2）体系复杂，模板耗费大，施工费用高。 结构设计计算复杂，再加上模板和脚手架成本高 （几乎占到50%以上），它的使用受到限制。
概述 薄壁空间结构的曲面形式
旋转曲面
平移曲面
直纹曲面
组合曲面
概述 旋转曲面
一条平面曲线 做母线，绕其 平面内的轴线 旋转而形成。 母线可以是圆、 椭圆、抛物线、 双曲线，以此 形成球形曲面、 椭球曲面、旋 转抛物面、旋 转双曲面等。
（1）壳板：筒壳壳板的曲 线线型可以是圆弧形、椭圆 形、抛物线形等，一般都采 用圆弧形。
边梁向下
平板式
（2）侧边构件：其与壳板 共同工作，整体受力，减少 壳体的竖向及水平位移。常 用的边梁形式如图所示：
边梁隐藏 边梁上翻
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成 边梁的作用
作为壳板的纵向边框。因 壳板很薄，其边缘应予以加 强； 减少壳板纵向边缘的竖向 与侧向变形； 作为筒壳的一部分，承受 壳板传来的力； 可与挑檐、女儿墙、天沟 等结合一起设计。
概述 直纹曲面
由一条直母线的两端分别沿两条 固定的曲导线移动而形成的曲面。 工程中常见的3种 （1）鞍壳、扭壳 鞍壳：即双曲抛物面 扭壳：导线是两根互相倾斜但 不相交的直线，扭壳可以认为 是从双曲抛物面中沿直纹方向 截取的一部分。
概述 直纹曲面
由一条直母线的两端分别沿两条 固定的曲导线移动而形成的曲面。 工程中常见的3种 （2）柱面、柱状面 柱面的导线是两条曲率相同且相 互平行的曲线，工程中的筒壳由 柱面组成。 柱状面的导线是两条曲率不同但 相互平行的曲线