结构选型薄壳结构

顺剪力
合力R作用于A、B的基础上 当地基抗侧移能力不足时， 在基础之间设臵拉杆
三、双曲抛物面扭壳的工程实例
大连海港转运仓库
钢筋混凝土组合型双曲 抛物面扭壳屋盖
透视图
边缘构件为人字形拉杆 拱
平面图
扭壳的几何图形
曲面的切割与组合
双曲扁壳
锯齿形状 （柱状）
扭壳
柱壳 劈锥壳 锥形壳
两柱壳相贯
两双曲抛物面 壳相贯
按高斯曲率分类
0 0 0
零高斯曲率 正高斯曲率 负高斯曲率
K k1 k2
零高斯曲率
正高斯曲率
负高斯曲率
二 、薄壳结构的曲面形式
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
二 、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
壳面单元体的主要内力
经向应力状态
环向应力状态
二 、圆顶的受力特点
3.支座环的受力
支座环
三、圆顶的工程实例
罗马小体育宫
钢筋混凝土网肋形扁球壳结构 球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板，与壳板现浇成整体的肋形球壳 壳肋——葵花图案 具有装饰性 采用36根Y字型斜柱支承 结构明朗 轻快 富有表现力 施工时起重机安装在中央天窗处 十分合理
美国麻省理工学院礼堂
立面图 屋顶为球面薄壳，三角落地 薄壳曲面由1/8球面构成，从 球面上切割出来的 平面形状为曲边三角形 脚点处理 薄壳的三个边为向上卷起的边 梁，并通过它将壳面荷载传至 三个支座。 支座为铰接
平面图
剖面图
锥形壳
锥形壳
鸟瞰图
美国圣路易航空港候机室
由三组壳体组成
每组有两个圆柱形曲面正交形成 两个柱形曲面的交线为十字形交叉拱，加强壳体， 并将荷载传至支座 三组壳体的相交处为采光带
室外透视
壳体组合顶视图
室内透视
两圆柱正交几何图
墨西哥霍奇米洛科餐厅
立面
平面 几何形体
建筑由八瓣鞍壳交叉组成，相交处加厚形成刚度极大 的拱肋，直接支承在八个基础上 建筑平面为30m*30m的正方形，壳厚40mm 壳体的外围八个立面是倾斜的，整个建筑犹如一朵覆 地莲花，造型别致室内采光、通风效果好
•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
曲面的组合
双曲扁壳
扭壳
柱壳
劈锥壳
锥形壳
三、薄壳结构的内力
薄膜内力：
Nx
Ny
S xy S yx
薄膜内力
双轴力 顺剪力
弯曲内力：
Mx
壳体结构的内力
My
M xy M yx Vx
Vy
双弯矩 扭矩 横向剪力
一 、圆顶的结构组成及结构形式
2.支座环
作用： 阻止裂缝开展 保证壳体处于受压工作状态 实现结构的空间平衡
支座环
一 、圆顶的结构组成及结构形式
3.支承结构的类型
•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
•象落地拱直接落地并支承在基础上
二 、圆顶的受力特点
1.圆顶的破坏 2.圆顶的薄膜内力
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
三、工程实例
我国许多纺织厂采用锯齿形的长筒壳，有利于采光
某飞机场 某礼堂 哥伦比亚塔基纳运动场的雨蓬
第四节 双曲扁壳
扁壳： f / l 1 / 5 （微弯平板） 优点：
矢高小，结构空间小，屋面面积相应减小，比较经济；
平面多变，适用于圆形、正多边形、矩形等建筑平面。
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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 装配整体式叠合壳体 采用柔膜喷涂成壳
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
下部支承
1.壳身结构
平滑圆顶
肋形圆顶
多面圆顶
第二节 圆 顶
第一节 概 述
一 、薄壳结构的概念 概念 • 壳体结构
比较
双轴力 顺剪力
薄膜内力
• 等厚度壳
• 薄壳
平板
双弯矩 扭矩
壳体
空间受力 薄膜内力
很大的强度、刚度 材料强度充分利用
优点
一 、薄壳结构的概念
中曲面 高斯曲率
1 1 K k1 k 2 R1 R2 (1)
法 截 线
一 、薄壳结构的概念
双曲抛物面是直纹曲面，配筋和模板制作简单 扭壳——从双曲抛物面中沿直纹曲面切取的一部分 扭壳单块作屋面或组合
一 、扭壳的结构组成和型式
组成：壳板和边缘构件 形式
双倾单块扭壳 单倾单块扭壳
组合型扭壳
屋顶四边采光， 排水方便。
二 、扭壳的受力特点
扭壳的壳板 •只有顺剪力 平行于直纹方向
顺剪力产生的主拉或主压应力， 下凹——受拉 “索”
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别 筒壳 横向 纵向 与拱类似 与梁类似 壳身产生环向压力 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 中长壳 1 / 2 l1 / l2 3
椭圆抛物面
双曲抛物面
二 、薄壳结构的曲面形式
平移曲面
椭圆抛物面
双曲抛物面
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
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
3 四角区： 主要承受顺剪力， 主应力为拉力——配45度斜筋 主应力为压力——局部增大混凝土厚度
边缘构件主要承受壳板边缘传来的顺剪力
三 、工程实例
北京火车站
中央大厅顶盖、检票口通廊——双曲扁壳 中央大厅顶盖：35m*35m，f=7m，厚度80mm； 四周有拱形高窗，采光充分
检票口通廊： 五个双曲扁壳，中间的为21.5m*21.5m，其余16.5m*16.5m
矢高3.3m，厚度60mm，每个顶盖均可采光
三 、工程实例
北京网球馆
扁壳中央隆起，适应网球在空中弧形轨迹，空间充分利用
第五节 双曲抛物面扭壳
扭面也可以认为是从双 曲抛物面中沿直纹方向 截取的一部分，如abcd
壳体稳定性好 上凸——薄拱（受压）
下凹——索网（受拉）
避免屈曲失稳，提高稳定性。 壳板可以很薄
一 、双曲扁壳的组成
边缘构件
——椭圆抛物面扁壳
•种类： 带拉杆的拱，拱形桁架，薄腹梁， 拱形刚架 •要求： 具有较大的刚度 在四角交接处应有可靠连接构造措施
二 、双曲扁壳的受力特点
薄膜内力为主 三个受力区
1 中央区： 主要承受双向轴压力 按构造配筋 洞口开在此区 主要承受正弯矩 壳体下表面受拉，布置钢筋 2 边缘区： 壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
边梁(侧边构件)：
横隔板
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
边梁的型式
a 最经济
b 适用于边梁下有墙或中间支承的建筑
c 适用于小型筒壳
d 边梁可兼作排水沟
一 、筒壳的结构组成
横隔板的型式
框架横隔
空腹桁架横隔
二 、筒壳的受力特点
上凸——受压 “拱”
•整个扭壳看成一系列受拉索与一系 列受压拱组成的曲面组合结构
二 、扭壳的受力特点 扭壳的边缘构件 •四坡屋顶
边缘构件轴力图
边缘构件——顺剪力
上弦杆受压，下弦杆件受拉
•单块扭壳屋盖
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
落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡
薄壁空间结构
启发
自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的 薄壳结构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬 的外壳，以抵御外界的侵袭。 以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形式存在， 在蛋壳上施加均布力，一般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位， 但实际情况结构产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如 果一枚鸡蛋的横径在4厘米左右，那么蛋壳厚度就只有0.38毫米， 二者的比值接近1：105。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然而， 蛋壳的形状可以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均匀散 开。特别是当它均匀受力时，抗压性就更大了，远不是看上去 的那么脆弱。可见薄壳结构运用到大跨度建筑中，能够达到满 应力设计准则的要求。人们从这些天然壳体中受到启发，利用 混凝土以及其他合金材料的可塑性，创造出各种形式的薄壳结 构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构（学术上把满足 t/R≤1/20的壳体定义为薄壳）。