薄壳结构 (1)
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薄壳结构
薄壳结构
1.概述 2.薄壳的曲面形式 3.圆顶结构 4.筒壳结构 5.双曲扁壳结构
起源与发展
起源:
• 人类远在数千年前早已找出了各式各样的 日用壳体，如锅、碗、坛、罐……以后工业逐 渐发达，造出了灯泡、钢盔、木舟、机壳等 不胜枚举。
发展
• 壳体用于建筑结构虽为时较早，但工程界 开始研究、分析、试验已是19世纪，到20 世纪初叶壳体结构的发展一直缓慢 • 二战期间及战后壳体结构发展才迅速起来。
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 建筑平面为四边形 每组壳面切割成八角形的覆盖平面丰富了建筑造型
室外透视
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
拱的断面突出壳面使室内形成光滑简洁的曲面 壳体边缘有加劲肋
三组壳体的相交处为采光带
壳体组合顶视图
• 支承结构的类型
• 支承在竖向承重构件上
支承在框架上
• 竖向承重构件
• 经向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受经向推 力的竖向分力。圆顶的跨度较大时由于经向推力很大，要求支座环的 尺寸很大。
• 斜柱或斜拱
• 通过壳体四周沿着切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给 基础；
• 或通过沿壳缘切线方向的单式或复式斜拱，把经向推力集中起来传给 基础
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
哥伦比亚塔基纳运动场的雨蓬 某礼堂 某飞机场
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。
一 、双曲扁壳的组成
边缘构件
——椭圆抛物面扁壳
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
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，这 1/8球面是由三个与水平面夹 角相等的通过球心的大圆从球 面上切割出来的 脚点处理 薄壳平面形状为48m*41.5m 的曲边三角形 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。
定义
• • • • • • 壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄璧结构。 两曲面间的距离，即壳体的厚度t。 t不随坐标变化时称为等厚度壳体，反之称为变厚度壳体。 平分壳体厚度的曲面叫做壳体的中面。 划分 设R为中面的曲率半径，在max(t/R)＜1/20的情况下，壳体 可按照薄壳理论进行计算，所得结果与按厚壳理论计算所 得结果比较起来，误差一般不超过通常工程上所容许的计 算误差（5％）。 • 根据上述不等式而将壳体划分成薄壳与厚壳两类。 • 实际应用的壳体通常是很薄的，多数在下列范围内： 1/1000＜t/R＜l/50。
横隔板
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别
边梁的形式
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
横隔板的型式
框架横隔
空腹桁架横隔
二 、筒壳的受力特点
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
• 把平板做成曲板， 曲板的内力就改变 为受压为主，受压 比受弯更能发挥材 料的性能，尤其是 多向受压，处于空 间状态更加有利。
• 横向受荷传力的梁起“担” 的作用，不能材尽其用， 并非经济的结构形式；以 曲梁承荷传力的拱起“顶” 的作用，能进一步发挥材 力，是较先进的结构形式； • 壳体与此相仿，以曲板承 荷传力，而且更进一步， 它不像拱是单向受荷传力 的平面结构，而是双向受 荷传力的空间结构，起双 向“顶”的作用。
• 圆顶的结构组成及结构型式
• 支座环
1.是圆顶结构保持几何不变的保证； 2.作用类似于拱式结构中的拉杆； 3. 对圆顶壳面起箍的作用，阻止圆顶结构在 竖 向 荷 载 作 用 下 的 裂 缝 开 展 与 破 坏 ； 4.主要承受环向拉力和弯矩 5.保证壳体基本上处于受压状态；并实现结构 的空间平衡。
旋转曲面
• 一平面曲线绕其所在平面上的轴旋转所形成的曲面，称 为旋转曲面。 • 该平面曲线可以有不同的形状，于是得到多种多样适应 于圆形平面的穹窿（圆顶）屋盖
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
平移曲面
直纹曲面
双曲抛物面 一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。
圆顶薄壳的内力状态
• 一般情况下，壳面的径向和环向弯矩较小可以忽略，壳面 内力可按无弯矩理论计算
• 受力
– 在轴向（旋转轴）对称荷载作用下，圆顶径向 受压，环向上部受压，下部可能受压，也可能 受拉，这是圆顶壳面中的主要内力。由此，圆 顶结构可以充分利用材料的强度。 – 支座对圆顶壳面起箍的作用，所以支座环承受 壳面边缘传来的推力，其截面内力主要为拉力。
• 只有空间受力的结构体系才能够很好地解 决大跨度屋盖的问题，而且只有空间体系 的结构才能组成富有造型特点的屋盖形式。
壳结构的演变
1. 两边支承的单向板只有一个方向受弯，另一个方向的抗弯 能力根本没有利用； 2.如果把做成四边支承的双向板，那么，双向受弯，两向共同 受荷，则材料的抗弯潜力得到较充分的发挥。 3.在相同荷载作用下，双向板比单向板的跨度可以大1.3~1.8倍。 4.双向板虽然是四边支承而起双向受力的作用，但还是平面结 构，它的内力还是弯矩。
扭壳面 双曲抛物面
扭壳面与双曲抛物面
柱面与柱状面
柱面由直母线沿沿着两根曲率相同的竖向曲导线移 动而形成的曲面。 柱状面由直母线沿着两根曲率不同的竖向曲导线移 动，并始终平行于一导平面而形成。
锥面与锥状面
锥面是一直母线沿一竖向曲导线移动，并始终通过 一定点而形成的曲面。 锥状面是由一直母线沿一根直导线和一根竖向曲导 线移动，并始终平行于一导平面而形成的曲面。也 称劈锥壳。
•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
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
二 、双曲扁壳的受力特点
薄膜内力为主 三个受力区
中央区： 边缘区：
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 壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小 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
• 框架
• 利用圆顶下四周的围廊或圆顶周围的低层附属建筑的框架结构，把水 平推力传给基础。 • 框架结构必须具有足够的刚度，以保证壳身的稳定性。
• 圆顶结构直接落地并支承在基础上
• 若球壳边缘全部落地，则基础同时作为受拉支座环梁。 • 若是割球壳，只有几个脚延伸入地，则基础必须能够承受水平椎力， 或在各基础之间设拉杆以平衡该水平力
四角区：
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：四周有拱形高窗，采光充分
检票口通廊： 五个双曲扁壳， 每个顶盖均可采光
薄壳的切割与组合实例
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
锥形壳
特点
• 体型复杂； • 现浇结构时费工费模板材料，施工不便； • 板厚太小，结构厚度和保温隔热都靠这几 公分厚的材料，隔热效果不好； • 长期日晒雨淋容易开裂； • 壳板的曲面容易引起室内声音反射和混响， 对声音效果要求高的大会堂、体育馆、影 剧院等不宜采用。
按照形成的特点分为：
1.旋转曲面 2.平移曲面 3.直纹曲面
Βιβλιοθήκη Baidu
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
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
平面图
剖面图
一些薄壳结构建筑实例
• 双曲薄壳结构 • 四片曲面完全分离，类似倒置船底，其上小下大 的形状给人一种稳定的感觉，在对抗风力与地震 力时甚为有力。
圣玛丽亚百花大教堂
圆顶呈双层薄壳 形，双层之间留 有空隙，上端略 呈尖形。这座教 堂大圆顶是世界 上第一座大圆顶
谢谢观赏
The End
圆顶的破坏
圆顶的薄膜内力
环向应力状态
支座环的受力
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
壳肋——葵花图案 具有装饰性
球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板， 采用36根Y字型斜柱支承 结构明朗 轻快 富 与壳板现浇成整体的肋形球壳 有表现力
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
边梁(侧边构件)：
薄壳的特点
薄壳必须具备两个条件：
1.曲面 2.刚性
1.理解为四边支承的曲板。 2.主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重。 3.强度和刚度主要依靠几何形状的合理性，而不是结构截 面尺寸得到。 4.空间整体工作性能良好，内力均匀，结构自重小； 5.强度高、刚度大、材料省、经济合理。 6.曲面多样化，丰富建筑造型。
圆顶薄壳
• • • • • • • • 圆顶薄壳的特点 旋转曲面、正高斯曲率； 球面壳、椭球面壳、旋转抛物面； 适用于平面形状为圆型的建筑； 杂技院、剧院、展览馆、天文馆、圆形水池顶盖 是最早出现的一种古老型式。 厚度薄、结构自重轻、节省材料； 壳体的径向和环向弯矩极小，可以忽略；壳体主要 承受压力，压力沿整个球面呈扩散均匀分布，可以 充分利用材料强度。
薄壳结构
1.概述 2.薄壳的曲面形式 3.圆顶结构 4.筒壳结构 5.双曲扁壳结构
起源与发展
起源:
• 人类远在数千年前早已找出了各式各样的 日用壳体，如锅、碗、坛、罐……以后工业逐 渐发达，造出了灯泡、钢盔、木舟、机壳等 不胜枚举。
发展
• 壳体用于建筑结构虽为时较早，但工程界 开始研究、分析、试验已是19世纪，到20 世纪初叶壳体结构的发展一直缓慢 • 二战期间及战后壳体结构发展才迅速起来。
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 建筑平面为四边形 每组壳面切割成八角形的覆盖平面丰富了建筑造型
室外透视
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
拱的断面突出壳面使室内形成光滑简洁的曲面 壳体边缘有加劲肋
三组壳体的相交处为采光带
壳体组合顶视图
• 支承结构的类型
• 支承在竖向承重构件上
支承在框架上
• 竖向承重构件
• 经向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受经向推 力的竖向分力。圆顶的跨度较大时由于经向推力很大，要求支座环的 尺寸很大。
• 斜柱或斜拱
• 通过壳体四周沿着切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给 基础；
• 或通过沿壳缘切线方向的单式或复式斜拱，把经向推力集中起来传给 基础
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
哥伦比亚塔基纳运动场的雨蓬 某礼堂 某飞机场
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。
一 、双曲扁壳的组成
边缘构件
——椭圆抛物面扁壳
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
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，这 1/8球面是由三个与水平面夹 角相等的通过球心的大圆从球 面上切割出来的 脚点处理 薄壳平面形状为48m*41.5m 的曲边三角形 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。
定义
• • • • • • 壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄璧结构。 两曲面间的距离，即壳体的厚度t。 t不随坐标变化时称为等厚度壳体，反之称为变厚度壳体。 平分壳体厚度的曲面叫做壳体的中面。 划分 设R为中面的曲率半径，在max(t/R)＜1/20的情况下，壳体 可按照薄壳理论进行计算，所得结果与按厚壳理论计算所 得结果比较起来，误差一般不超过通常工程上所容许的计 算误差（5％）。 • 根据上述不等式而将壳体划分成薄壳与厚壳两类。 • 实际应用的壳体通常是很薄的，多数在下列范围内： 1/1000＜t/R＜l/50。
横隔板
是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别
边梁的形式
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
横隔板的型式
框架横隔
空腹桁架横隔
二 、筒壳的受力特点
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
• 把平板做成曲板， 曲板的内力就改变 为受压为主，受压 比受弯更能发挥材 料的性能，尤其是 多向受压，处于空 间状态更加有利。
• 横向受荷传力的梁起“担” 的作用，不能材尽其用， 并非经济的结构形式；以 曲梁承荷传力的拱起“顶” 的作用，能进一步发挥材 力，是较先进的结构形式； • 壳体与此相仿，以曲板承 荷传力，而且更进一步， 它不像拱是单向受荷传力 的平面结构，而是双向受 荷传力的空间结构，起双 向“顶”的作用。
• 圆顶的结构组成及结构型式
• 支座环
1.是圆顶结构保持几何不变的保证； 2.作用类似于拱式结构中的拉杆； 3. 对圆顶壳面起箍的作用，阻止圆顶结构在 竖 向 荷 载 作 用 下 的 裂 缝 开 展 与 破 坏 ； 4.主要承受环向拉力和弯矩 5.保证壳体基本上处于受压状态；并实现结构 的空间平衡。
旋转曲面
• 一平面曲线绕其所在平面上的轴旋转所形成的曲面，称 为旋转曲面。 • 该平面曲线可以有不同的形状，于是得到多种多样适应 于圆形平面的穹窿（圆顶）屋盖
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
平移曲面
直纹曲面
双曲抛物面 一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。
圆顶薄壳的内力状态
• 一般情况下，壳面的径向和环向弯矩较小可以忽略，壳面 内力可按无弯矩理论计算
• 受力
– 在轴向（旋转轴）对称荷载作用下，圆顶径向 受压，环向上部受压，下部可能受压，也可能 受拉，这是圆顶壳面中的主要内力。由此，圆 顶结构可以充分利用材料的强度。 – 支座对圆顶壳面起箍的作用，所以支座环承受 壳面边缘传来的推力，其截面内力主要为拉力。
• 只有空间受力的结构体系才能够很好地解 决大跨度屋盖的问题，而且只有空间体系 的结构才能组成富有造型特点的屋盖形式。
壳结构的演变
1. 两边支承的单向板只有一个方向受弯，另一个方向的抗弯 能力根本没有利用； 2.如果把做成四边支承的双向板，那么，双向受弯，两向共同 受荷，则材料的抗弯潜力得到较充分的发挥。 3.在相同荷载作用下，双向板比单向板的跨度可以大1.3~1.8倍。 4.双向板虽然是四边支承而起双向受力的作用，但还是平面结 构，它的内力还是弯矩。
扭壳面 双曲抛物面
扭壳面与双曲抛物面
柱面与柱状面
柱面由直母线沿沿着两根曲率相同的竖向曲导线移 动而形成的曲面。 柱状面由直母线沿着两根曲率不同的竖向曲导线移 动，并始终平行于一导平面而形成。
锥面与锥状面
锥面是一直母线沿一竖向曲导线移动，并始终通过 一定点而形成的曲面。 锥状面是由一直母线沿一根直导线和一根竖向曲导 线移动，并始终平行于一导平面而形成的曲面。也 称劈锥壳。
•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
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
二 、双曲扁壳的受力特点
薄膜内力为主 三个受力区
中央区： 边缘区：
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 壳体越高越薄，弯矩越小，弯矩作用区越小 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
• 框架
• 利用圆顶下四周的围廊或圆顶周围的低层附属建筑的框架结构，把水 平推力传给基础。 • 框架结构必须具有足够的刚度，以保证壳身的稳定性。
• 圆顶结构直接落地并支承在基础上
• 若球壳边缘全部落地，则基础同时作为受拉支座环梁。 • 若是割球壳，只有几个脚延伸入地，则基础必须能够承受水平椎力， 或在各基础之间设拉杆以平衡该水平力
四角区：
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：四周有拱形高窗，采光充分
检票口通廊： 五个双曲扁壳， 每个顶盖均可采光
薄壳的切割与组合实例
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
锥形壳
特点
• 体型复杂； • 现浇结构时费工费模板材料，施工不便； • 板厚太小，结构厚度和保温隔热都靠这几 公分厚的材料，隔热效果不好； • 长期日晒雨淋容易开裂； • 壳板的曲面容易引起室内声音反射和混响， 对声音效果要求高的大会堂、体育馆、影 剧院等不宜采用。
按照形成的特点分为：
1.旋转曲面 2.平移曲面 3.直纹曲面
Βιβλιοθήκη Baidu
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
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
平面图
剖面图
一些薄壳结构建筑实例
• 双曲薄壳结构 • 四片曲面完全分离，类似倒置船底，其上小下大 的形状给人一种稳定的感觉，在对抗风力与地震 力时甚为有力。
圣玛丽亚百花大教堂
圆顶呈双层薄壳 形，双层之间留 有空隙，上端略 呈尖形。这座教 堂大圆顶是世界 上第一座大圆顶
谢谢观赏
The End
圆顶的破坏
圆顶的薄膜内力
环向应力状态
支座环的受力
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
壳肋——葵花图案 具有装饰性
球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板， 采用36根Y字型斜柱支承 结构明朗 轻快 富 与壳板现浇成整体的肋形球壳 有表现力
第三节 筒 壳
一 、筒壳的结构组成
边梁(侧边构件)：
薄壳的特点
薄壳必须具备两个条件：
1.曲面 2.刚性
1.理解为四边支承的曲板。 2.主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重。 3.强度和刚度主要依靠几何形状的合理性，而不是结构截 面尺寸得到。 4.空间整体工作性能良好，内力均匀，结构自重小； 5.强度高、刚度大、材料省、经济合理。 6.曲面多样化，丰富建筑造型。
圆顶薄壳
• • • • • • • • 圆顶薄壳的特点 旋转曲面、正高斯曲率； 球面壳、椭球面壳、旋转抛物面； 适用于平面形状为圆型的建筑； 杂技院、剧院、展览馆、天文馆、圆形水池顶盖 是最早出现的一种古老型式。 厚度薄、结构自重轻、节省材料； 壳体的径向和环向弯矩极小，可以忽略；壳体主要 承受压力，压力沿整个球面呈扩散均匀分布，可以 充分利用材料强度。