第六章_6.5薄壁空间结构

美国麻省理工学院礼堂
5.8 曲面的切割与组合应用实例
第六章 大跨屋盖结构
2 美国兰伯特-圣路易斯国际机场候车大厅
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美国兰伯特圣路易斯国际机场候机大厅
5.8 曲面的切割与组合应用实例
5.2 薄壁空间结构的曲面形式
第六章 大跨屋盖结构
(1) 扭面
扭面也称双曲抛物面。扭面可 以是指由一根母线沿两个相互倾 斜但又不相交的直导线平移所形 成的曲面（图 a ）。扭面也可以是 用平移的方法，由一根竖向抛物 线沿另一曲率相反的抛物线移动 而形成（图b）。扭面也可以认为 是双曲抛物面中沿直纹方向截取 的一部分。
第六章 大跨屋盖结构
1 概述
筒壳一般由壳板、边 梁和横隔三部分组成。 两个横梁之间的水平距
离l1称为跨度，两个边梁
之间的水平距离l2称为波
长。
5.3 筒壳结构
第六章 大跨屋盖结构
1 概述
筒壳结构中，横隔的 作用是抵抗筒壳结构的 推力作用。
5.3 筒壳结构
第六章 大跨屋盖结构
2 筒壳的采光与开洞
对于要求自重轻而又要具有足够的强度和 刚度的结构，常采用壳体的形式。
5.1 概述
第六章 大跨屋盖结构
薄壳结构的特点
• 薄壳由于壁厚相比最小主曲率半径很小，因此主 要承受曲面内的正向力和顺剪力，能够充分利用 材料强度，同时具有很高的承载力和刚度。 • 例如：6m6m的钢筋混凝土双向板，一般情况下 至 少 需 要 130mm 厚 ， 而 35m35m 的 双 曲 扁 壳 （北京火车站候车厅屋顶）只需要 80mm 的厚度！ 折算下来双曲扁壳屋盖的厚度仅相当于平板结构 屋盖厚度的1/10左右。
5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
1 圆顶结构的形式和特点
圆顶的下部支承结构
（3）圆顶结构支承在框架上。
（4）圆顶结构直接落地并支承在基础上。
5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
2 圆顶结构的内力分析
一般情况下，圆顶 结构的壳面径向弯矩和 环向弯矩都较小，可以 忽略不计，因此壳面内 力可以根据无矩理论计 算。
5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
3 圆顶结构的工程实例
北京天文馆
北京天文馆， 1957 年建成，其天象厅的半球形圆顶 直径为23.5米。 5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
3 圆顶结构的工程实例
香港太空馆
香港天空馆，1980年建成，半球形圆顶的直径23米。
5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
5.6 双曲扁壳结构
第六章 大跨屋盖结构
2 双曲扁壳结构的工程实例
北京火车站
5.6 双曲扁壳结构
第六章 大跨屋盖结构
5.7 双曲抛物面壳结构
1 双曲抛物面的特点
• 双曲抛物面壳的稳定性好。壳面下凹的方向如同 受拉的索网，而壳面上凸的方向又如同薄拱。下 凹的方向的拉应力会对上凸方向的压曲产生约束 作用，提高受压的稳定性。
第五节 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
1 圆顶结构的形式和特点
按壳面的结构和构造不同，圆顶结构 可以分为平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆 顶三种类型。 平滑圆顶在工程中应用较多。当圆顶 结构的跨度较大时，可以采用肋形圆顶。 肋形圆顶是由径向肋和环向肋及壳板 组成，当圆顶结构的直径不大时，也可 以仅设径向肋。 多面圆顶结构是由数个拱形薄壳相交 而成。
5.4 折板结构
第六章 大跨屋盖结构
2 折板结构的形式和尺寸
• 折板结构的形式可分为单 波和多波以及单跨和多跨。 • 板的宽度一般不宜大于 3.5 米，否则板内弯矩过大， 板厚就必须增加，导致不 经济。 • 一般情况下，顶板的宽度 应为（ 0.25~0.4 ） l2 ，波 长 l2 不应大于 12m ， l1 跨度 则可达30m左右。
在均布竖向荷载作 用下，圆顶径向受压， 环向上部受压，下部受 拉。
5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
2 圆顶结构的内力分析
圆顶结构的支座环由于承受壳面边 缘的推力作用，其截面内为拉力。
由于支座环对壳面边缘变形的约束 作用，壳面边缘附近会产生径向的弯 矩。为了防止该处发生受弯破坏，可 在壳面靠近支座环附近适当加厚，并 增加抗弯钢筋的配臵。对于较大跨度 的圆顶结构，可以对支座环采用施加 预应力的方法。
第五节 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
• 建筑师在对各种曲面结构形式进行切割、 拼接或组合时，不仅要满足建筑平面和造 型的要求，还需要遵守曲面形成的画法几 何法则。只有这样，才能确保形成的曲面 在结构上受力合理，结构设计和施工都很 方便。
5.8 曲面的切割与组合应用实例
第六章 大跨屋盖结构
美国第一个大型 薄 壳 混 凝土建 筑 。 优雅的钢筋弧形 混凝土屋顶由一 个 1/8 的球体表面 形成，主要有三 个穹隅支撑。 ， 1956 年 的 建 筑 实 录上，克雷斯吉 礼 堂 被 评 为 第 15 届最显著建筑， 并于 2008 年被列 为波士顿十大建 筑之一。
5.6 双曲扁壳结构
1 双曲扁壳的形式和特点
• 双曲扁壳由壳板和竖直的边缘构件（横隔构件）组成。双 曲扁壳属于抛物线平移曲面，其顶点处的矢高与其底面最 小边长之比f/l<=5。
第五节 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
1 双曲扁壳的形式和特点 • 因为扁壳的矢高比底面尺寸小很多，所以 又称为微弯平板。为了减少壳面边缘处的 剪应力和弯曲应力，双曲扁壳结构不宜做 得太扁。当双向曲率不相等时，较大曲率 与较小曲率比以及底面长边与短边之比均 不宜超过2。
第五节 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
双曲抛物面的特点 • 双曲抛物面壳施工建造方便。由于双曲抛 物面壳属于直纹曲面，壳面的配筋和模板 制作简便。
• 双曲抛物面壳造型丰富。根据不同的切割 组合方式能较为灵活地适应不同建筑功能 和造型的需要。
5.7 双曲抛物面壳结构
第六章 大跨屋盖结构
2 双曲抛物面壳结构的工程实例
第六章 大跨屋盖结构
3 折板结构工程实例
5.4 折板结构
第六章 大跨屋盖结构
5.5 圆顶结构
1 圆顶结构的形式和特点
• 圆顶结构在建筑中的应用历史十分悠久。 圆顶结构属于旋转曲面壳，它不像筒壳那 样可以展开，具有较大的抗弯刚度和较高 的整体稳定性。它比单曲率薄壳的厚度小， 更加经济合理，适用于更大跨度的建筑。
5.1 概述
第六章 大跨屋盖结构
• 薄壁空间结构不仅具有良好刚度和承载力，而且 其造型优美，具有丰富的艺术表现力，并适用于 各种建筑平面。 • 薄壁空间结构常用于屋盖结构、特别适用于较大 跨度的建筑屋盖、如展览大厅、俱乐部、飞机库、 食堂、工业厂房和仓库等。
5.1 概述
第六章 大跨屋盖结构
不足： 薄壁空 间结构也 有它不足的方面： • 结构计算复杂； • 施工难度大；
第六章—大跨屋盖结构
第六章 大跨屋盖结构
主要内容
• 1 网架结构
• 2 网壳结构 • 3 拱结构 • 4 悬索结构 • 5 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
5.1 概述
• 薄壁空间结构具有丰富的建筑外形，由于 它们大部分属于曲面结构，所以习惯上也 称之为薄壳结构。
第五节 薄壁空间结构
印度新德里莲花庙
广州星海音乐厅
广州星海音乐厅的主建筑采用了钢筋混凝土 双曲抛物面壳体结构。壳体南北翘起，东西两 翼落地，奇特的外观造型异常富有现代感。
5.7 双曲抛物面壳结构
第六章 大跨屋盖结构
5.8 曲面的切割与组合应用实例
• 曲面的形成方法有旋转法、平移法和直纹 法，可形成大约十种左右的基本曲面，但 曲面结构的建筑却不限于这几种基本曲面 的简单形式。建筑师通过对各种不同曲面 进行切割、拼接和组合就可以设计出新颖 的曲面结构建筑。
5.3 筒壳结构
第六章 大跨屋盖结构
5.4 折板结构
1 折板结构的特点
• 折板结构是以一定角度 整体联系构成的薄板体 系。 • 折板结构受力性能良好， 构造简单，施工比筒壳 结构更方便。
第五节 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
2 折板结构的形式和尺寸
• 折板结构的形式主要分为 有边梁和无边梁两种。 • 无边梁的折板结构由若干 等厚度的平板和横隔构件 组成，预制V形折板就是其 中一种。 • 有边梁的折板结构一般为 现浇结构，由板、边梁和 横隔构件三部分组成，与 筒壳类似。
• 筒壳的采光可以布臵成锯齿形屋盖来解决，每一齿的距离 一般不大于12m。这样采光均匀，波谷汇水量小，造型也 美观。
北京798艺术区锯齿形屋盖筒壳展览厅
5.3 筒壳结构
第六章 大跨屋盖结构
3 筒壳结构的工程实例
• 1960 年建成的重庆山城宽银幕电影院，屋面由五 个筒形薄壳组成。
重庆山城宽银幕电影院
• 模板、工时耗费 多，施工费用高 （施工费占总费 用的 2/3 左右）。
5.1 概述
第六章 大跨屋盖结构
5.2 薄壁空间结构的曲面形式
1 旋转曲面 旋转曲面是指由以 平面曲线做母线，绕其 平面内的轴旋转而形成 的曲面。 母线如果是圆、椭 圆、抛物线或双曲线， 通过旋转可以形成球形 曲面、椭球曲面、旋转 抛物面或旋转双曲面。
5.4 折板结构
第六章 大跨屋盖结构
2 折板结构的形式和尺寸
• 多波折板应做成同样的厚 度，有利于构件的规格统 一。 • 现浇折板的倾角不宜大于 30 度，以避免坡度过大导 致浇筑混凝土采用双面模 板造成施工困难。 • 但预制折板的灵活度相对 大些，倾角一般可取 26 度 ~45度。
5.4 折板结构
5.6 双曲扁壳结构
第六章 大跨屋盖结构
1 双曲扁壳的形式和特点 • 双曲扁壳的横隔构件可以采用薄腹梁、拉 杆拱或者拱形桁架等，也可采用空腹桁架 或拱形刚架。 • 横隔是双曲扁壳结构最基本的抗推力构件， 在它的四个交接处一定要有可靠的连接措 施，以约束壳面的变形。
• 横隔本身在其平面内应有足够的刚度，否 则会引起横隔变形过大，在壳面内产生过 大的内力。
第五节 薄壁空间结构
第六章 大跨屋盖结构
2 平移曲面 • 平移曲面是指由一曲母线沿另一曲率方向 相同的竖向曲导线平移所形成的曲面。
5.2 薄壁空间结构的曲面形式
第六章 大跨屋盖结构
3 直纹曲面
• 直纹曲面是指由一根母线沿两根曲导线（这里指 广义曲线，它既可以是曲线，也可以是直线或者 点）平移所形成的曲面。根据曲导线的不同，直 纹曲面又可以分为扭面、柱面、柱状面、锥面、 锥状面等形式。 • 直纹曲面形成的薄壁空间结构的最大优点是，建 造时模板容易制作，因此在工程中应用较多。
(4) 锥面
锥面是指一根直母线的 一端始终通过一定点保持 静止而另一端沿一根竖向 曲导线平移所形成的曲面。
5.2 薄壁空间结构的曲面形式
第六章 大跨屋盖结构
5.3 筒壳结构
1 概述
• 筒壳的壳板为单向柱形曲面，所以也称为 柱面壳。筒壳几何形状简单，模板制作容 易，施工方便，在建筑工程中应用广泛。
第五节 薄壁空间结构
5.2 薄壁空间结构的曲面形式
第六章 大跨屋盖结构
(2) 柱面
柱面是指一根母线沿两 根曲率相同且相互平行的竖 向曲导线平移所形成的曲面。
(3) 柱状面
柱状面是指由一根直母 线沿两根曲率不同但相互平 行的竖向曲导线平移并始终 平行于一导平面所形成的曲 面。
5.2 薄壁空间结构的曲面形式
第六章 大跨屋盖结构
5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
1 圆顶结构的形式和特点
圆顶的下部支承结构有以下 几种： （ 1 ）圆顶结构通过支座 环（对圆顶起到箍的作用， 是圆顶基本的抗推力构件） 支承在竖向承重构件上，如 承重墙或柱等。
5.5 圆顶结构
第六章 大跨屋盖结构
1 圆顶结构的形式和特点
圆顶的下部支承结构
（2）圆顶结构支承在斜柱或斜拱上。
莲花庙的外貌酷似一朵盛 开的莲花，故称“莲花庙 ”。它高34.27米，底坐 直径74米，由三层花瓣组 成，全部采用白色大理石 建造。底座边上有9个连 环的清水池，拱托着这巨 大的“莲花”
第六章 大跨屋盖结构
壳体具有非常好的承载性能，能以较小的 厚度承载很大的荷载。壳与板相比，其优越 性类似于拱与梁对比的情况。