第五章薄壁空间结构 第五章薄壁空间结构 第一节概述 一（薄壁空间结构发展简况二（曲面理论相关知识1（基本概念: （1）薄壳：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。当S 不随坐标位置的不同而改变时，称为等厚壳; 反之，称为变厚度壳。两个曲面之间的距离称为壳体的厚度（S ），当S与壳体的其它尺寸（如曲率半径R,跨度L等）小的多时，一般要求S /R?1/20,（鸡蛋壳的S /R?1/50）称为薄壳结构。现代建筑中所采用的壳体一般为薄壳结构。 （2）中曲面：等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的中曲面。薄壳结构，可以仅以中曲面的方程描述整个结构的变形及内力。 （3）高斯曲率：曲面上任意一点上的高斯曲率等于该点两主曲率的乘积： K=kk=1/RR1212 A（正高斯曲率：K=kk>0 12 B（负高斯曲率:K=kk<0 12 C（零高斯曲率：K=kk=0，即其中一个主方向为直线。12 ⑷矢高、矢率：中曲面覆盖的底面的短边为A,如图示:f/a称为矢率。矢率很小的壳体称为扁壳，矢率较大着称为陡壳。在混凝土结构中，f/a?1/5 时，称为扁壳。 三（薄壳结构的内力 1（薄壳的内力：如图：对于任意壳体结构，在荷载作用下，壳体的内力可以分为两类——作用于中曲面内的和作用于中曲面外的弯曲内力。弯曲内力是由于中曲面 的曲率和扭率改变而产生的，它包括弯矩、横剪力、扭矩; 理想的薄膜没有抵抗弯曲和扭曲的能力，在荷载的作用下只产生正向应力N和顺剪力；因此，设计中应选
取合理的曲面形式，使壳体内的弯曲内力小到足可以忽略的程度。2（可以忽略弯曲内力的条件:A。薄壁S /R?1/20,并同时满足 B（壳体具有均匀、连续变化的曲面； C（壳体上的荷载是均匀连续的； D（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沿切线方向位移的反力。 由于壳体主要承受薄膜内力，弯曲内力很小，且薄膜内力沿壳壁是均匀分布的，所以，壳体结构可以充分发挥材料强度，做到壳体薄，自重轻而强度大。因而经济。 第二节薄壳结构的曲面形式 一（旋转曲面: 由一平面曲线作为母线绕其平面内的轴旋转而成的曲面。不同形状的母线，形成的旋转曲面也不同。 二（平移曲面: 一条竖向曲线做母线沿另一条竖向曲线（导线）平行移动所形成的曲面。1（椭圆抛物面: 母线: 抛物线；导线: 与母线凸向相同的抛物线平移形成，其形成的曲面与水平面的截交面为一椭圆。 2（双曲抛物面: 母线: 抛物线；导线: 与母线凸向相反的抛物线平移形成。其形成的曲面 与水平面的截交面为一双曲线。 三（直纹曲面: 由一根直线（母线）的两端分别沿两固定的曲线（导线）移动而形成 的曲面。工程中常见的直纹曲面 1（扭壳、鞍壳: 扭壳是由扭曲面构成的。扭曲面则是一根直母线沿两根互相倾斜但不相交的直导线平移而成的曲面; 鞍壳即双曲抛物面构成的。 2（柱面、柱状面:
通过这一个学期建筑结构选型将建筑结构分类如下:●平面结构 梁柱结构(框架结构 桁架结构 单层钢架结构 拱式结构 ●空间结构 薄壁空间结构 网架结构 网壳结构网格结构 悬索结构 薄膜结构 ●高层建筑结构 ●平面结构 平面屋盖结构空间跨度相比较小,节点、支座形式较简单。 2008年奥运会摔跤比赛馆总建筑面积约23950平方米,比赛馆平面是一个82.4*94米平面,屋面是反对称的折面,采用巨型门式钢钢架结构,将建筑塑造为富有韵律感的
造型,如图所示。三维整体模型工程屋盖由12榀空间门式钢钢架组成,跨度82.4米,中心距8,0米,钢刚架为四肢组合的格构式结构。构件间的连接节点均为相贯节点,钢架柱(钢管连接于看台部分的钢筋混凝土柱,屋盖结构外形简洁、流畅,节点形式简单,刚度大,几何特性好。 单榀空间门式钢刚架单榀空间门式钢刚架(有连系杆单榀空间门式钢刚架(有连系杆
刚架柱支座 ●空间结构 ●网格结构 ?网架结构 一:2008奥运会国家体育馆 国家体育馆位于北京奥林匹克公园中心区,建筑面积80 476m2 ,固定座席118 万座,活动座2 000座,用于举办2008 年奥运会的体操、手球比赛,赛后用于举办体育比赛和文艺演出。虽然体育馆在功能上划分为比赛馆和热身馆两部分,但屋盖结构在两个区域连成整体,即采用正交正放的空间网架结构连续跨越比赛馆和热身馆两个区域,形成一个连续跨结构。空间网架结构在南北方向的网格尺寸为815m,东西方向的网格有两种尺寸,其中中间(轴a和○K之间的网格尺寸为1210m,其他轴的网格尺寸为815m。按照建筑造型要求,网架结构厚度在11518~31973m之间。不包括悬挑结构在内,比赛馆的平面尺寸为114m ×144m,跨度较大,为减小结构用钢量,增加结构刚度,充分发挥结构的空间受力性能,在空间网架结构的下部还布置了双向正交正放的钢索,钢索通过钢桅杆与其上部的网架结构相连,形成双向张弦空间网格结构。其中最长桅杆的长度为91237m,钢索形状根据桅杆高度通过圆弧拟合确定。在
第一章梁 1.梁按支座约束分为： 静定梁和超静定梁，根据梁跨数的不同，有单跨静定梁或单跨超静定梁、多跨静定梁或多跨连续梁。 2.简述简支梁和多跨连续梁的受力特点和变形特点？ 答：简支梁的缺点是内力和挠度较大，常用于中小跨度的建筑物。简支梁是静定结构，当两端支座有不均匀沉降时，不会引起附加内力。因此，当建筑物的地基较差时采用简支梁结构较为有利。简支梁也常被用来作为沉降缝之间的连接构件。 多跨连续梁为超静定结构，其优点是内力小，刚度大，抗震性能好，安全储备高，其缺点是对支座变形敏感，当支座产生不均匀沉降时，会引起附加内力。（图见5页） 3.悬挑结构的特点：悬挑结构无端部支撑构件、视野开阔、空间布置灵活。 悬挑结构首要关注的安全性是：倾覆、承载力、变形等。 第二章桁架结构 1.桁架结构的组成： 上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖腹杆 2.桁架结构受力计算采用的基本假设： （1）组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线（轴线）都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面。 （2）桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。（铰接只限制水平位移和竖向位移，没有限制转动。） （3）所有外力（包括荷载及支座反力）都作用在桁架的中心平面内，并集中作用于节点上（节点只受集中力作用） 3.桁架斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号（拉或压）有何关系？ 答：斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号（拉或压）有直接的关系。对于矩形桁架，斜腹杆外倾受拉，内倾受压，竖腹杆受力方向与斜腹杆相反，对于三角形桁架，斜腹杆外倾受压，内倾受拉，而竖腹杆则总是受拉。（图见11页） 4.按屋架外形的不同，屋架结构形式有几种？ 答：三角形屋架，梯形屋架，抛物线屋架，折线型屋架，平行弦屋架等。 屋架结构的选型应从哪几个方面考虑？ 答：（1）屋架结构的受力；（2）屋面防水构造；（3）材料的耐久性及使用环境；（4）屋架结构的跨度。 屋架结构的布置有哪些具体要求？ 答：（1）屋架的跨度：一般以3m为模数； （2）屋架的间距：宜等间距平行排列，与房屋纵向柱列的间距一致，屋架直接搁置在柱顶； （3）屋架的支座：当跨度较小时，一般把屋架直接搁置在墙、垛、柱或圈梁上。当跨度较大时，则应采取专门的构造措施，以满足屋架端部发生转动的要求。 5.屋架结构的支撑有哪几种？ 答：屋架支撑包括设置在屋架之间的垂直支撑，水平系杆以及设置在上、下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平面内的纵向水平支撑。 第三章单层刚架结构 1.刚架结构：是指梁、柱之间为刚性连接的结构。 2.排架结构：是梁和柱之间为铰接的单层刚架。 3.在单层单跨刚架结构中约束条件对结构内力有何影响？ 答：约束越多，内力越分散，内力值越小，变形越小，即刚度越大。
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。
第一章梁 1.梁按支座约束分为：静定梁和超静定梁，根据梁跨数的不同，有单跨静定梁或单跨超静定梁、多跨静定梁或多跨连续梁。 2.简述简支梁和多跨连续梁的受力特点和变形特点？答：简支梁的缺点是内力和挠度较大，常用于中小跨度的建筑物。简支梁是静定结构，当两端支座有不均匀沉降时，不会引起附加内力。因此，当建筑物的地基较差时采用简支梁结构较为有利。简支梁也常被用来作为沉降缝之间的连接构件。 多跨连续梁为超静定结构，其优点是内力小，刚度大，抗震性能好，安全储备高，其缺点是对支座变形敏感，当支座产生不均匀沉降时，会引起附加内力。（图见5 页） 3.悬挑结构的特点：悬挑结构无端部支撑构件、视野开阔、空间布置灵活。悬挑结构首要关注的安全性是：倾覆、承载力、变形等。 第二章桁架结构 1.桁架结构的组成：上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖腹杆 2.桁架结构受力计算采用的基本假设： （1）组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线（轴线）都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面。 （2）桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。（铰接只限制水平位移和竖向位移，没有限制转动。） （3）所有外力（包括荷载及支座反力）都作用在桁架的中心平面内，并集中作用于节点上（节点只受集中力作用） 3.桁架斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号（拉或压）有何关系？答：斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号（拉或压）有直接的关系。对于矩形桁架，斜腹杆外倾受拉，内倾受压，竖腹杆受力方向与斜腹杆相反，对于三角形桁架，斜腹杆外倾受压，内倾受拉，而竖腹杆则总是受拉。（图见11 页） 4.按屋架外形的不同，屋架结构形式有几种？答：三角形屋架，梯形屋架，抛物线屋架，折线型屋架，平行弦屋架等。屋架结构的选型应从哪几个方面考虑？ 答：（1）屋架结构的受力；（2）屋面防水构造；（3）材料的耐久性及使用环境；（4）屋架结构的跨度。 屋架结构的布置有哪些具体要求？ 答：（1）屋架的跨度：一般以3m 为模数； （2）屋架的间距：宜等间距平行排列，与房屋纵向柱列的间距一致，屋架直接搁置在柱顶； （3）屋架的支座：当跨度较小时，一般把屋架直接搁置在墙、垛、柱或圈梁上。当跨度较大时，则应采取专门的构造措施，以满足屋架端部发生转动的要求。 5.屋架结构的支撑有哪几种？答：屋架支撑包括设置在屋架之间的垂直支撑，水平系杆以及设置在上、下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平面内的纵向水平支撑。 第三章单层刚架结构 1.刚架结构：是指梁、柱之间为刚性连接的结构。 2.排架结构：是梁和柱之间为铰接的单层刚架。 3.在单层单跨刚架结构中约束条件对结构内力有何影响？答：约束越多，内力越分散，内力值越小，变形越小，即刚度越大。 （单层单跨刚架结构按构件的布置和支座约束条件可分为无铰刚架，两铰刚架，三铰刚架。 4.从截面形式看，钢刚架结构有哪两种类型？答：实腹式（型钢）和格构式（桁架）。 5.钢筋混凝土刚架在构件转角处为避免受力过大，可采取什么措施？答：在构件转角处，由于弯矩过大，且应力集中，可采取加腋的形式，也可适当地用圆弧过渡。为了减少材料用量，减轻结构自重，也可采用空腹刚架。空腹刚架有两种形式，一种是把杆件做成空心截面，另一种是在杆件上留洞。 6.刚架结构的支撑系统起什么作用？应怎样布置？答：为保证结构的整体稳定性，应在纵向柱间布置连系梁及柱间支撑，同时在横梁的顶面设置上弦横向水平支撑。柱间支撑和横梁上弦横向水平支撑宜设置在同一开间内。
建筑结构选型 ——薄壳结构 学校： 专业班级： 指导老师： 小组成员：
摘要 大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构，即壳体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20，为薄壁空间结构的一种，它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。他们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。 关键词 形态分类受力特点应用与发展案例研究 正文 1 薄壳结构的定义 壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。 1.1薄壳结构的特点 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。两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。 由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理想。 由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。 不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳)易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。 2 薄壳结构型式与曲面的关系 2.1旋转曲面 由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转而成的曲面，称为旋转曲面。该平面曲线可有不同形状，因而可得到用于薄壳结构中的多种旋转曲面，如球形曲面、旋转抛物面和旋转双曲面等（如下图）。圆顶结构就是旋转曲面的一种。
目录 第一章一般平板结构 第二章桁架与屋架 第三章刚架结构与排架结构第四章网架结构 第五章高层建筑结构 第六章拱结构 第七章悬索结构 第八章薄壁空间结构 附篇膜建筑结构
第一章一般平板结构 举例中央电视台新址 结构形式 中央电视台总部大楼主楼的两座塔楼双向内倾斜6度，在163米以上由“L”形悬臂结构连为一体，建筑外表面的玻璃幕墙由强烈的不规则几何图案组成，央视大楼的结构是由许多个不规则的菱形渔网状金属脚手架构成的。这些脚手架构成的菱形看似大小不一，没有规律，但实际上却经过精密计算。作为大楼主体架构，这些钢网格暴露在建筑最外面，而不是像大多数建筑那样深藏其中。奥雷·舍人说，这样压力基本都能沿着系统传递下去，并找到导入地面的最佳路径。从外观上看，大楼有一部分钢网结构（包括拐角等压力较大部位）比较密
集，它们也是整体设计思想的一部分。由于大楼的不规则设计造成楼体各部分的受力有很大差异，这些菱形块就成为了调节受力的工具。受力大的部位，将用较多的网纹构成很多小块菱形以分解受力；受力小的部位就刚好相反，用较少的网纹构成大块的菱形。 施工情况 1、压力不平衡可致地陷，就像跷跷板两边分别放坦克和书桌。“好看难建”。北京市勘察设 计研究院的国家级勘察大师张在明用了这四个字简单概括了央视新址的工程特点。具体负责央视新址勘察的耿一然工程师介绍说，央视新楼的怪异形状导致了对地基压力的极端不平衡。“两座巨型塔楼和旁边的低矮建筑位于同一个地基之上，这就像把一辆坦克和一张书桌放在跷跷板的两边”。据测算，央视新楼的地基将承受三种截然不同的压力：两座塔楼的地上层数分别为51层和45层，高约230米。由于塔楼主体并不是垂直于地面的，而是呈84度斜角向天空延伸，其压力相当于约300米高楼的压力，超200吨／平方米；地上建筑为9层的裙楼，下压力较为正常，大约是40吨／平方米；而主塔楼的旁边是地上1层、地下3层的低矮建筑，这部分地基的压力仅有15吨／平方米，甚至还没有挖掉的土的压力大。耿一然介绍，在同一个地基上的三种压力竟然相差十多倍，这在北京的建筑史上是非常罕见的。塔楼的压力足以使地基下陷超过一米，如解决不好，可致使建筑物出现结构变形、管线爆裂、玻璃幕墙脱落等问题。 2、反弹力可致地基上浮，地基就像漂起来的空盒子。危险性不止在于土，地基压力极小的 低矮建筑部分还要受到地下水的严重影响。耿一然介绍说，由于低矮建筑部分压力过小，在地下水反弹力的影响下，地基肯定要上浮；另一方面，目前央视工程的地下水位在地下15米左右，但其历史最高水位曾达到地下3米。“如果地下水位上升，低矮建筑就会像‘空盒子’在水里漂起来。”三难悬梁百米空中建楼罕见就像半空出现海市蜃楼塔楼在百米左右的空中将通过一折成直角的悬挑部分相连接，而这一悬挑部分实际就是一座约10层楼的建筑体。这个建筑体下方没有任何依托，就好像半空中出现的海市蜃楼，其空间难题可想而知。 解决方案一：底板就像雪地上放木板，人站上面不下陷，针对塔楼压力，专家们的解决米的钢筋混凝土底板，这样就可以将压力减小到110吨／平方米。耿一然 说：“这就好像在雪地里放一块大木板，人站上去就不会陷进去。” 解决方案二：桩柱就像钉子钉入木头，既防下陷又防外拔。在加铺底板的同时，专家 们研究出另一个方案———打桩，将若干混凝土柱子插入地基下面一定深 度。它一方面可将地下土层“挤”得更密实，增强抗压能力；另一方面可 与周围土层产生强大的摩擦力，就像钉子钉入木头一样，再往下压就会 很困难。耿一然介绍说：“普通桩柱已经不能满足要求，将采用一种直径 达1米、长达50米的桩柱，这么深的桩柱在北京的建筑中将是首次使用。” 在地基压力小的地方，也将采用打桩的办法。与前者不同的是，桩柱在 这里的作用是“抗浮”，耿一然同样用了“钉子”来打比方：“当把钉子 钉进木板后，要想把它往外拔也不是件容易的事情。”