第五章 薄壁空间结构

(2)预制单元、高空装配成整体壳体
把壳体划分成若干单元预制后在工地吊装、拼合、固定。因 只需在接缝处搭脚手架浇筑混凝土，接缝模板量少且为单曲， 较易制作，现场高空作业量大为减少，工期较短，且施工不 受季节影响。装配整体式壳体的整体抗震性能，比现浇混凝 土壳体差。单元划分时规格不宜过多，堆放、搬运及吊装时 需特别注意壳板稳定，因此一般宜增设壳板边肋，这将增加 一些材料用量，但同时壳板的厚度则可比无肋壳体做的薄些。
2.砌体结构 用砌体作为竖向承重结构的结构体系。
3.砌体结构的应用 由于砌块具有良好的耐火、保温、隔声和抗腐蚀 性能，且具有较好的大气稳定性。它还可以就地取材，生产和施工工 艺简单，工程造价低。尽管砌体结构也具有自重大、强度低、抗震性 能差的弱点，砌体结构在我国依然有着非常广泛的应用。
4.提高砌体结构承载能力和抗震性能的技术措施 1）在灰缝中配置钢筋，可以增强砌体本身的强度和变形
（4）拱结构的支撑系统：为了保证拱在轴线平面外的受压稳定性， 须设置横向支撑，为了传递作用于山墙上的风荷载，还应设置纵向支 撑。
（5）拱结构的实际应用：建筑中多用于屋面结构。 （6）拱结构的布置：并列拱或交叉拱结构
多层建筑结构核心概念复习
1.砌体 砌块材料用灰浆粘接砌筑而成的结构体。
化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。
1 概述
一、薄壳结构的概念 壳体结构是一种曲面的空间薄壁结构。壳体的截面高度称为壳体厚度，
根据壳体厚度是否有变化，有等厚度壳和变厚度壳之分。 当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳，反之称为厚壳或中
厚度壳。 一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。
框架结构的承重方案 承重框架的布置方案有横向框架承 重方案、纵向框架承重方案和纵横向框架混合承重方案等 几种。
框架结构的受力特点
1）框架梁的内力为跨中的正弯矩，两端支座截面的负弯 矩及支座剪力。
2）柱子则应考虑上端截面与下端截面的弯矩、剪力和轴 力。一般来说，顶层柱子为大偏心受压，柱子上端为控制 截面，低层柱子为小偏心受压，柱子下端为控制截面。
导线
母线
一下为薄壳结构的施工内容，不再多讲。
四、薄壳结构的施工
1．薄壳结构的施工方法
施工方法对建筑物的造价有很大的影响，有时甚至会成为 确定建筑结构型式的决定因素。薄壳结构的施工主要有以 下几种方法：
(1)现浇混凝土壳体
现浇混凝土壳体整体性最好，但支架与模板用量也最大。 施工时必须现场满堂搭设脚手架，且曲面模板制作复杂， 既费材料又费工时。因壳体太薄，无法用更有效的振捣设 备，不易保证混凝土的浇筑质量。现浇壳板的厚度，一般 比预制壳板厚、耗料多、自重大。近年来，由于定型钢模 板的推广，以及现浇混凝土施工工艺的不断完善，现浇混 凝土壳体正得到越来越多的应用。
薄壳结构空间整体工作性能良好，内力比较均匀，是一种强度高、刚 度大、材料省的结构型式。
因此薄壳常用于大跨度的屋盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库等。
自然界中有十分丰富的壳体结构实例，如蛋壳、蚌壳、螺蛳壳、蜗牛 壳、脑壳及植物的果壳或种子等。在日常生活中也有此类空间薄壁结 构的应用，如碗、罐、簸箕、安全帽、轮船、飞机等。它们都是以最 少的材料构成最大的使用空间，并具足够的强度和刚度。
导线 母线
3．直纹曲面 由一段直线(母线)的两端分别沿二固定曲线(导线)移动所形成的曲面叫直纹曲
面。房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形曲面、劈锥曲面、扭曲面等。柱形曲面 可分为圆柱面、椭圆柱面、抛物柱面等，如图5—1—7所示。劈锥曲面是由一 段直线一端沿抛物线(或圆弧)另一端沿直线、与指向平面平行移动所形成的曲 面，如图5—1—8所示。扭曲面是由一段直线作母线沿两根相互倾斜但又不相 交的直导线平行移动所形成的曲面，如图5—1—9a)所示。它可以看成是直母 线cd沿直导线ab、cd平行移动所形成。扭曲面也可以看成是双曲抛物面的一部 分，因双曲抛物面也是直纹曲面，如图5—1—9b)，从沿直纹方向截取一部分， 如图5—1—9c)中的abcd即为扭曲面。直纹曲面壳体的特点是施工时模板制作 方便，在工程中应用较多。
在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体。因高层建筑中的水 平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。
框架-剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承 受约20~30%，剪力墙承受70~80%。剪力墙长度按每建筑平方米50mm的标 准设计。
5.框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？ 应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变
盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库等。
三、薄壳结构的曲面形式种类
1．旋转曲面 2．平移曲面 3．直纹曲面
组合式“壳”
论证作业8（每10人一份）
1.与多层建筑结构相比，高层建筑结构的计算具有哪些特殊性？ 2.高层建筑的力学特征和结构体系最大的特点是什么？
以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求； 概念设计是重要，尤其对于抗震问题； 多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。 3.高层建筑的常见结构形式主要包括哪些？适应条件怎样？ 框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构； 筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等 4.何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在30层以下的高层建筑 中应用特别广泛？
如我国解放后建成的第一座天文馆——北京天文馆(图5.2.1)，其顶 盖即是直径为25m的半球形圆顶结构，壳体厚度只有60mm，混凝土利 用喷射法施工，每平方米结构自重只有20（1）按结构支承方式分类 （2）受力特点 （3）水平推力四种平衡方式 （4）拱结构的支撑系统 （5）拱结构的实际应用 （6）拱结构的布置方式
拱结构概念复习： （1）按结构支承方式分类：三铰拱、两铰拱和无铰拱三种；有钢筋
混凝土结构、钢结构、胶合木结构、砖石砌体结构；拱身截面有格构 式和实腹式，还有等截面式和变截面式。 （2）受力特点：拱身截面弯矩小，剪力小，轴力大，合理拱轴为一 抛物线，存在较大的水平推力。 （3）水平推力四种平衡方式：拉杆承担，刚性水平结构“承担” ， 竖向承重结构承担，基础承担上。
单独式“壳”
下面，请大家看几个代表薄壳结构优越的结构受力特性的 建筑案例，相信在座的一定会从中的到感悟。
柏林爱乐音乐厅
组合式“壳”
组合式“壳”
飞机采用的“壳”
二、薄壳结构的曲面形式
薄壳结构中曲面的几何形式，按其形成的特点可以分为下列几类：
1．旋转曲面——旋转
由一条平面曲线绕着某一给定的直线旋转一周所形成的曲面称为旋转 曲面。以旋转曲面为中曲面的壳体称为旋转壳。那条转动的曲线称为
复习思考题
一、薄壳结构的概念：一种曲面形式的空间特征的薄壁结构。 二、薄壳结构受力特点和用途：
薄壳结构由于受两个方向轴力和剪力的共同作用，可以在较大的
范围内承受多种分布荷载而不致产生弯曲。
薄壳结构空间整体工作性能良好，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。薄壳常用于大跨度的屋
椭圆抛物面是由一竖向抛物线作母线沿另一凸向与之相同的抛物线作 导线平行移动所形成的，如图5—1—5a)所示。因为这种曲面与水平 面的截交线为椭圆线(图5—1—5b))，故称为椭圆抛物面。
双曲抛物面是由一竖向抛物线作母线沿另一凸向与之相反的抛物线作 导线平行移动所形成的，如图5～1—6a))所示。因为这种曲面与水平 面的截交线为双曲线(图5—1—6b)，故称之为双曲抛物面。
(3)地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升
此法的主要优点是可减少壳体的高空作业量及大部分脚手架。 但组合装配后吊装，常需采用特殊的钢构件临时加固。整体 提升时，所需设备起重量较大。
(4)装配整体式叠合壳体
利用钢丝网水泥薄板作模板，其上浇筑钢筋混凝土现浇层，由钢丝网 水泥薄板和现浇钢筋混凝土层形成整体共同工作。此法的优点是既减 少了模板用量，又具有较好的整体性。为保证叠合面的可靠工作，一 般应在垂直于接缝方向预留插筋，如图5.1.11所示，或在预制构件上 做好结合榫。当叠合面上仅传递压力及不大的剪力时，则只要保证叠 合面有一定的粗糙度即可。
曲面的
薄壁的
空间的
曲面外表
薄壳结构 薄壁截面
空间受力
受力分析——
在线状杆系结构中，梁主要受弯受剪，而拱变为受压，因此，拱结构 比梁结构受力更合理、在相同的受力条件必然更节省材料。
在面状结构中，平面状楼板主要受弯，而薄壳结构则变为受双向轴力 及受剪。这是薄壳结构与拱结构相似之处。同时，薄壳结构比拱式结 构更加优越，因为拱结构只有在某种确定荷载的作用下才有可能找到 处于无弯矩状态的合理拱轴线，而薄壳结构由于受双向薄膜轴力和薄 膜剪力的共同作用，可以在较大的范围内承受多种分布荷载而不致产 生弯曲。
母线，而那条定直线则称为旋转轴。由于母线形状的不同，旋转壳又
可分为球形壳，椭球壳、抛物球壳、双曲球壳、圆柱壳、锥形壳等，
如图5.1.4所示。
2．平移曲面——平移
由一条竖向曲线作母线沿着另一条竖向曲线(导线)平行移动所形
成的曲面称为平移曲面。在房屋建筑中常见的平移曲面有椭圆抛物面
和双曲抛物面，所形成的壳体称为椭圆抛物面壳和双曲抛物面壳。
化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。
2圆 顶
圆顶结构是既古老而近代仍在大量应用的一种结构型式。它适用于平 面为圆形的建筑，如作为杂技院、剧院、展览馆、天文馆等的屋盖。 目前已建成的大跨度钢筋混凝土圆顶，直径已达200多米。
圆顶结构穹拱式的造型及独特的受力特点（四周传力），使它既满足 了圆形平面建筑的功能要求，又具有很好的力学性能。圆顶的覆盖跨 度可以很大而其厚度却很薄，壳身内的应力通常很小，钢筋配置及壳 身厚度均按构造要求来确定，因此，圆顶结构的材料用量很省。
在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体。因高层建筑中的水 平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。
框架-剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承 受约20~30%，剪力墙承受70~80%。剪力墙长度按每建筑平方米50mm的标 准设计。
5.框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？ 应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变
能力。
2）设置圈梁和构造柱。 5.砌体结构的常用结构承重方案 横墙承重
框架结构 框架结构 由竖向的柱和水平横梁所组成，梁柱之间的连
接通常为刚性连接。柱与基础间的连接亦为刚性连接。 框架结构各个构件的作用 框架结构的梁和柱子主要形成
平面刚度，主要是横向刚度，，楼板在形成空间刚度的作 用不可忽视。 框架结构的分类 分为钢框架和钢筋混凝土框架。钢框架 结构自重轻、抗震性能好、施工速度快等优点。由于用钢 量大、造价高、耐水和耐腐蚀性能差等缺点，目前我国应 用较少。钢筋混凝土框架结构造价低、取材方便、耐久性 好、可模性等优点，在我国应用非常普遍。
(5)采用柔模喷涂成壳
柔模是用棉麻织物(如帆布、麻袋布等)、草苇、篾席、荆 竹、藤芭或钢丝网等抗拉性能好的柔韧材料作模板，在其 上涂沫或喷射砂浆或混凝土，待其结硬后，柔模同时成为 壳体的配筋，以抵抗拉力。棉麻织物也可在砂浆或混凝土 达到强度后，揭下洗净重复使用。
薄壳结构教学内容复习：
一、薄壳结构的概念 二、薄壳结构受力特点和用途 三、薄壳结构的曲面形式种类
高层建筑核心内容复习
1.与多层建筑结构相比，高层建筑结构的计算具有哪些特殊性？ 2.高层建筑的力学特征和结构体系最大的特点是什么？
以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求； 概念设计是重要，尤其对于抗震问题； 多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。 3.高层建筑的常见结构形式主要包括哪些？适应条件怎样？ 框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构； 筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等 4.何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在30层以下的高层建筑 中应用特别广泛？