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。

8．2 壳体和折板结构体系——薄壁空间结构体系壳体：由单曲面或双曲面板组成，以曲面的空间刚度折板：由平面板组成，以折板组成的空间刚度 概述：壳体结构的发展简况 自然界：果壳、贝壳、鸡蛋、头颅等曲线优美、形态善变、厚度之薄—令人惊叹遵循：用最少之料构成最坚之型的规律可见：壳体是最自然、最合理、最有效、最进步的结构型式人类：锅、匙、碗、杯、瓶、罐、坛、乒乓球、灯泡、钢盔、汽车壳、飞机壳等。

壳体结构的覆盖面积大，无需中柱，室内空间开阔宽敞，用于市场、礼堂、体育馆、飞机库……用于屋盖结构：1954、1955 北京展览馆上海展览馆1959 广东，大会堂 扁球壳 1960 新疆，金工车间 椭圆旋转球壳 1958 北京火车站 1964 北京网球馆保证结构刚度单波多跨筒壳双曲扁壳……缺点：● 现浇砼费模板、制作复杂——壳体本身材料与人工费比很小柔模喷涂成壳：帆布、 钢丝网等预制壳块、高空装配地面现浇、整体吊装● 有些壳体（球壳、扁壳等）易产生回声现象 还存在计算复杂，尚需研究开孔影响、稳定、 振动、徐变等问题一、 壳体结构的力学特征鸡蛋壳 δ/R=1/50 δ壳体厚度 一般壳体要求 δ/R<=1/20R —曲率半径 1● 影 响 发 展 但施工材料与人工费都很高,占总造价50%~70%左右称之为曲面应力或切向力，又称为薄膜应力。

沿厚度分布均匀，经济。

这层膜很薄，却能直接抗衡外荷，并直接传力给支座，● 承受少许横向弯矩——只有在非对称均布荷载作用时（扭矩）（曲线外形使壳体风载很小，一般可不计；一般壳体不允许吊挂不对称荷载）为此，要增配钢筋，有时甚至要增加厚度，不理想。

M 甚小）抗衡并传递外荷，这也是壳之所以薄的原因。

● 中面或中心面——因为，壳薄，所以，可认为沿厚度方向均匀分布，一般把厚度中心的面称为中面或中心面，壳体的线形以次为准。

实现薄膜应力的条件：a ． 中面的曲率是连续变化的；b ． 壳体厚度是逐渐变化的；c ． 荷载是连续分布的；d ． 壳体的支座只在中面的切线方向阻止位移并产生反力。

Chap 5 薄壁空间结构n本章主要内容：n1、概述n2、圆顶n3、筒壳n4、折板n5、双曲扁壳n6、双曲抛物面扭壳n7、薄壁空间结构的其他形式n自然界中存在着丰富多彩的壳体结构，如植物的果壳、种子、茎杆等等，以及动物界的蛋壳、蚌壳、蜗牛、脑壳等等。

它们的形态变化万千，曲线优美，且厚度之薄，用料之少，而结构之坚，着实让人惊叹！万灵之首的人类仿生于自然界，又造出了各种各样的壳体结构为自所用，如锅、碗、杯、瓶、坛、罐，以及灯泡、安全帽、轮船、飞机等。

n以上所列种种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。

两个曲面之间的距离即为壳体的厚度（δ），当δ比壳体其它尺寸（如曲率半径R，跨度l 等）小得多时，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。

n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，壳体采承受较小的弯矩和扭矩。

n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；而且壳体为曲面，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。

例如6m×6m 的钢筋混凝土双向板，最小厚度需130mm，而35m×35m的双向扁壳屋盖，壳板厚度仅需80mm。

n薄壳的薄膜内力n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。

n不过，薄壳结构也又其自身的不足之处，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。

薄壁空间结构
薄壁空间结构，也称壳体结构。

它的厚度比其他尺寸(如跨度)小得多，所以称薄壁。

它属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴向压力，弯矩很小。

它的受力比较合理，材料强度能得到充分利用。

薄壳常用于大跨度的屋盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库等。

薄壳结构多采用现浇钢筋混凝土，费模板、费工时。

薄壁空间结构的曲面形式很多。

这里讲两种，筒壳和双曲壳。

筒壳一般由壳板、边梁和横隔三部分组成。

筒壳的空间工作是由这三部分结构协同完成的。

它的跨度在30m以内是有利的。

当跨度再大时，宜采用双曲薄壳。

双曲壳特别适用于大空间大跨度的建筑。

双曲壳又分为圆顶壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳。

目前圆顶的直径已达200多米。

圆顶结构可用在大型公共建筑中，如天文馆、展览馆的屋盖。

圆顶结构由壳面、支座环组成。

通过支座环支于垂直构件上。

壳面主要承受压力，支座环承受拉力。

北京天文馆顶盖为半球形圆顶，直径25m，壳面厚6cm，结构自重约200kg／m2。

双曲扁壳是双曲抛物面的一种形式，它由壳板和竖直的边缘构件(横隔构件)组成。

因为扁壳的矢高比底面尺寸小得多，大约为l／5，所以叫扁壳。

例如北京火车站大厅，35mx35m的双曲面扁壳屋盖，壳板为8cm，宽敞明亮，是一成功的范例。

钢筋混凝土空间薄壁结构在现代建筑领域中，钢筋混凝土空间薄壁结构以其独特的优势和特点，成为了众多建筑设计中的重要选择。

这种结构形式不仅在力学性能上表现出色，还能够为建筑带来美观与创新。

首先，我们来了解一下什么是钢筋混凝土空间薄壁结构。

简单来说，它是由较薄的钢筋混凝土板或壳组成的空间结构体系。

这些薄壁构件通常具有较大的跨度和较小的厚度，通过合理的设计和布局，能够承受各种荷载并保持结构的稳定性。

与传统的结构形式相比，钢筋混凝土空间薄壁结构具有诸多优点。

其一，它能够充分发挥材料的性能。

由于薄壁结构的截面尺寸较小，混凝土和钢筋的应力分布更加均匀，从而提高了材料的利用率。

其二，这种结构具有良好的空间整体性。

薄壁构件相互连接，形成一个连续的空间受力体系，能够有效地抵抗来自各个方向的荷载，增强了结构的抗震性能和抗风性能。

其三，钢筋混凝土空间薄壁结构造型美观，可以创造出丰富多样的建筑形态，满足人们对于建筑美学的追求。

在实际应用中，钢筋混凝土空间薄壁结构的形式多种多样。

比如，筒壳结构常用于大跨度的工业厂房和仓库；双曲抛物面壳结构则常见于展览馆、体育馆等公共建筑；而折板结构则适用于一些小型的建筑或构筑物。

以筒壳结构为例，它是由单向或双向弯曲的弧形薄板组成。

在承受竖向荷载时，筒壳主要通过薄膜内力来传递荷载，其内力分布较为均匀，能够有效地跨越较大的空间。

同时，筒壳结构的边缘构件可以有效地约束薄板的变形，提高结构的整体稳定性。

双曲抛物面壳结构则是一种具有独特几何形状的薄壁结构。

它的曲面形状类似于马鞍，具有良好的力学性能。

在荷载作用下，双曲抛物面壳结构的内力分布较为复杂，但通过合理的设计和配筋，可以充分发挥其承载能力。

这种结构形式不仅能够提供较大的空间，还能够营造出独特的建筑效果，给人以强烈的视觉冲击。

折板结构是由一系列平板组成的折线形薄壁结构。

它具有构造简单、施工方便等优点。

在折板结构中，平板之间通过刚性节点连接，共同承受荷载。

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δ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（δ），当δ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δ/R≤1/20，（鸡蛋壳的δ/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=k1k2=1/R1R2A．正高斯曲率：K=k1k2>0B．负高斯曲率：K=k1k2<0C．零高斯曲率：K=k1k2=0，即其中一个主方向为直线。

（4）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δ/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。