薄壁空间结构

薄壁空间结构在本小节中我们要给大家介绍各种薄壁空间结构体系的组成、优缺点及适用范围；各种薄壁空间结构体系的合理布置原则及及受力特点。

一、薄壳结构的概念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。

这两个曲面之间的距离称为壳体的厚度t。

当厚度t远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。

一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。

在面结构中，平板结构主要受弯曲内力，包括双向弯矩和扭矩，如图1-65a。

薄壁空间结构如图1-95b所示的壳体，它的厚度t远小于壳体的其它尺寸（如跨度），属于空间受力状态，主要承受曲面内的轴力（双向法向力）和顺剪力作用，弯矩和扭矩都很小。

图1-65 面结构（a）平板结构（b）曲面结构（壳）薄壁空间结构，由于它主要承受曲面内的轴力作用，所以材料强度得到充分利用；同时由于它的空间工作，所以具有很高的强度及很大的刚度。

薄壳空间结构内力比较均匀，是一种强度高、刚度大、材料省、既经济又合理的结构型式。

薄壁空间结构常用于中、大跨度结构，如展览大厅，飞机库、工业厂房、仓库等。

在一般的民用建筑中也常采用薄壳结构。

薄壁空间结构在应用中也存在一些问题，由于它体形复杂，一般采用现浇结构，所以费模板、费工时，往往因此而影响它的推广。

同时在设计方面，薄壁空间结构的计算过于复杂。

二、薄壳空间结构的曲面形式薄壳结构中曲面的形式，按其形成的几何特点可以分成以下三类：1.旋转曲面由一平面曲线（或直线）作母线绕其平面内的一根轴线旋转而成的曲面，称为旋转曲面。

在薄壁空间结构中，常用的旋转曲面有球形曲面、旋转抛物（椭圆）面、圆锥曲面、旋转双曲面等，分别见图1-66。

图1-66 旋转曲面2．直纹曲面（图1-67）一根直母线，其两端各沿两固定曲导线（或为一固定曲导线，一固定直导线）平行移动而成的曲面，称为直纹曲面。

一般有：（1）柱曲面（一根直母线沿两根曲率方向和大小相同的竖向曲导线移动而成）或柱状曲面（一根直母线沿两根曲率方向相同但大小不同的竖向曲导线始终平行于导平面移动而成）它们又都称单曲柱面，分别见图1-67。

（2）锥面（一根直母线一端沿一竖向曲导线，另端通过一定点移动而成）或锥状面（同上，但另端为一直线，母线移动时始终平行于导平面）, 后者又称劈锥曲面，分别见图1-67。

（3）扭面（一根直母线在两根相互倾斜又不相交的直导线上平行移动而成）, 见图1-67。

直纹曲面建造时模板易于制作，常被采用。

图1-67 直纹曲面3.平移曲面（图1-68）由一根竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成。

其中，母线与导线均为抛物线且曲率方向相同者称椭圆抛物面，因为这种曲面与水平面的截交曲线为一椭圆；母线与导线均为抛物线。

图1-68 平移曲面4. 切割或组合曲面由上述三类曲面切割组合形成的曲面建筑师能根据平面及空间的需要，通过对曲面的切割或组合，形成千姿百态的建筑造型。

曲面切割的形式如图1-99a是著名建筑师萨瑞南的设计的美国麻省理工学院大会堂的建筑造型。

再如图1-99b，是著名建筑结构大师托罗哈1933年建造的西班牙Algeciras市场的建筑造型。

又如，双曲抛物面可近似看作用一系列直线相连的两个圆盘以相反方向旋转而成，扭面实际上是双曲抛物面中沿直纹方向切割出的一部分（图1-69c）。

图1-69 曲面切割示意图曲面的组合多种多样。

图1-70a是两个柱形曲面正交的造型；图1-70b是八个双曲抛物面组合后的造型；图1-70c是六个扭壳组合后的造型。

图1-70 曲面组合示意图三、薄壳结构的内力对于一般的壳体结构，中曲面单位长度上的内力一共有8对，它们是轴向力N x、N y；顺剪力S xy=S yx;横剪力V x、V y；弯矩M x、M y以及扭矩M xy=M yx，见图1-71。

图1-71 壳体结构的内力a)壳体结构的内力b）薄膜内力上述内力可以分为两类，作用于中曲面内的薄膜内力和作用于中曲面外的弯曲内力。

理想的薄膜在荷载作用下只能产生轴向力N x、N y和顺剪力S xy=S yx，见图1-71b。

因此，这三对内力通称为薄膜内力。

弯曲内力是由于中曲面的曲率和扭率的改变而产生的，它包括有横剪力V x、V y；弯矩M x、M y以及扭矩M xy=M yx。

理论分析表明：当曲面结构的壁厚t于其最小主曲率半径R的二十分之一并能满足下列条件时，薄膜内力是壳体结构中的主要内力：（1）壳体具有均匀连续变化的曲面；（2）壳体上的荷载是均匀连续分布的；（3）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。

在本小节中我们要给大家介绍筒壳结构体系的组成、优缺点及适用范围；筒壳结构体系的合理布置原则及及受力特点。

历史上出现的第一种壳体是筒壳。

其外形似圆筒，故名圆筒壳，又似圆柱体，故又名柱面壳。

筒壳外形简单，是单曲面壳体。

其纵向为直线，有其横向刚度小的缺点，但却由于它的几何形状简单，模板制作方便，易于施工，省工省料，这是其最大优点。

也是筒壳在历史上最早出现，并在近代仍大量应用的根本原因。

（一）筒壳的结构组成筒壳由壳身、侧边构件及横隔三部分所组成（图1-72）。

侧边构件可理解为壳体“边框”，两个横隔之间的距离称为筒壳的跨度，以表示；两个侧边构件之间的距离称为筒壳的波长，以表示。

沿跨度方向称为筒壳的纵向，沿波长方向则称为筒壳的横向。

图1-72筒壳结构的组成筒壳壳身横截面的边线可为圆弧形、椭圆形，或其他形状的曲线，一般采用圆弧形较多，它方便施工。

壳身包括侧边构件在内的高度称为筒壳的截面高度，以h表示。

不包括侧边构件在内的高度称为筒壳的矢高，以f表示。

侧边构件（边梁）与壳身共同工作，整体受力。

它一方面作为壳体的受拉区集中布置纵向受拉钢筋，另一方面可提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移及水平位移，并对壳身的内力分布产生影响。

常见的侧边构件截面型式如图1-73所示，其中以图1-７３a的方案最为经济。

图1-73常见的侧边构件横隔是筒壳的横向支承，缺少它，壳身的形体就要破坏。

横隔的功能是承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构上去。

常见的筒壳横隔型式如图1-74上所示。

图1-74 常见的筒壳横隔型式（二）筒壳的分类及受力特点筒壳的空间工作是由壳板、侧边构件和横隔三者共同完成的。

筒壳在横向的作用与拱相似，在壳身内产生环向的压力，而在纵向则同时发挥着梁的作用，把上部竖向荷载通过纵向梁的作用传给横隔。

因此，筒壳结构是横向拱的作用与纵向梁的作用的综合。

在实际设计中，由于建筑布置的不同，使跨长与波长有着大小不同的比例，跨长与波长的比值不同时，筒壳的受力状态也不一样。

当跨长与波长的比值增加到一定程度时，筒壳就会像弧形截面梁一样受力；当跨长与波长的比值减小时，筒壳的空间工作性能（拱的作用）就愈来愈明显，这主要反映了横隔对空间工作的影响。

因此，工程中按跨度与波长的比值将筒壳分为三类：1. 长筒壳当跨长与波长的比值≥3时，称为长筒壳。

对于较长的壳体，因横隔的间距很大，纵向支承的柔性很大，壳体的变形与梁一致。

这时长筒壳结构中的应力状态和曲线截面梁的应力状态相似，如图1-75所示，可以按照材料力学中梁的理论来计算。

图1-75长筒壳的受力特点2.短筒壳当跨长与波长的比值≤1/2时，称为短筒壳。

对于短筒壳，其结构布置常如图1-76所示，因为横隔的间距很小，所以纵向支承的刚度很大。

这时壳体的弯曲内力很小，可以忽略不计，壳体内力主要是薄膜内力，故可按照薄膜理论来计算。

图1-76 短筒壳结构3.中长筒壳当跨长与波长的比值1/2<<3时，称为中长筒壳。

对于中长筒壳，壳体的薄膜内力及弯曲内力都应该考虑，用薄壳有弯矩理论来分析它的全部内力。

为简化计算，也可忽略其中较次要的纵向弯矩及扭矩，用所谓半弯矩理论来计算筒壳内的主要内力。

（三）筒壳的结构布置1.结构构造（1）短壳短壳的壳板矢高一般不应小于波长的1/8。

短壳的空间作用明显，壳体内力以薄膜内力为主，弯矩极小，故壳板厚度与配筋均可按构造确定。

（2）长壳长壳的截面高度建议采用跨长的1/10～1/15，其壳板的矢高不应小于波长的1/8。

壳板厚度可取波长的1/300～1/500，但不能小于50mm。

长壳的配筋应按计算确定，按梁理论计算所得的纵向受力钢筋应布置在侧边构件内（图1-77）。

图1-77 长筒壳配筋示意图（3）天窗的布置筒壳的天窗孔及其他孔洞建议沿纵向布置于壳体的上部。

在横向，洞口尺寸建议不大于(1/4～11/3)。

在纵向，洞口尺寸可不受限制，但在孔洞四周应设边梁收口并沿孔洞纵向每隔2～3m设置横撑加强。

当壳体具有较大的不对称荷载时，除设置横撑外，尚需设置斜撑，形成平面桁架系统。

2. 筒壳的结构布置方式（1）折缝单曲板的刚度虽比平板好。

但不如双曲板。

如何加强单曲板（筒壳）的侧向刚度是个重要问题。

正如前述的横隔和加劲肋都为解决该缺点而设。

此外，还可形成折缝。

平板的出平面刚度很小，若是折一下，在直线折缝处，却能获得很大的刚度，可以作为平板的刚劲支座。

同样，筒壳也可以通过组合（如并列、交贯等）形成曲线或直线折缝（见图1-78a），称为加劲折。

图1-78 筒壳的折缝与形变这不但与加劲肋的作用完全一样，并且加劲作用更强。

因为加劲肋的肋高有限，而折缝两侧的曲面板宽度却大得多。

加劲效果大小与折缝的角度成比例。

另外，筒壳折缝使结构更富于表现力。

（2）形变圆柱形筒壳的外形单调、缺乏活力。

若在一个筒壳中，其波宽与矢高沿纵向变化，或两端支座一高一低变化其形象，则筒壳的造型立时顿变，显出无穷的活力。

这一变化已经超出了筒壳，进入锥壳的范围（见图1-78b）,且能组成圆周形平面。

（3）纵向悬挑纵向悬挑筒壳可用于建筑屋顶的挑檐、雨篷、也可用作车站站台与大看台的悬挑屋顶。

图1-79 筒壳的纵向悬挑（4）横向悬挑横向悬挑可用于雨蓬、站台、大看台、也可用于大厅和外墙采光多或开门特大（如飞机库、车库）的建筑物（见图1-80）。

悬挑横隔密排者为短筒壳，疏排者为长筒壳。

图1-80 筒壳的横向悬挑（5）并列组合等宽筒壳并列可组成矩形平面屋顶（图1-81a、b）,也可组成水塔的圆柱形水箱（图1-81c）。

锥形变宽筒壳并列可组成扇形、环形平面屋顶，也可组成水塔的锥形水箱（图1-81d、e）, 并列筒壳相接处形成刚劲有力的折缝。

图1-81 筒壳的并列组合（6）交贯组合两个筒壳十字正交最典型的例子是美国圣路易市航空港（图1-82）；另一个是环形筒壳与周圈放射向锥形筒壳交贯成一个环形平面的航空港设计方案（图1-82）充分利用了由交贯筒壳形成的加劲折缝。

图1-82 筒壳的交贯组合在本小节中我们要给大家介绍圆顶薄壳结构体系的组成、优缺点及适用范围；圆顶薄壳结构体系的合理布置原则及及受力特点。

圆顶结构是极其古老且近代仍然大量应用一种结构型式。