6第二篇 大跨度建筑屋盖结构-薄壁空间结构

a)壳体结构的内力
b）薄膜内力
内力可以分为两类，作用于中曲面内的薄膜内力和作用于中曲面外的 弯曲内力。理想的薄膜在荷载作用下只能产生轴向力Nx、Ny和顺剪力 Sxy=Syx，因此，这三对内力通称为薄《膜薄壁内空力间结。构》
弯曲内力是由于中曲面的曲率和扭率的改变而产生的，它包括有横剪力Vx、 Vy；弯矩Mx、My以及扭矩Mxy=Myx。理论分析表明：当曲面结构的壁厚t于 其最小主曲率半径R的二十分之一并能满足下列条件时，薄膜内力是壳体结构 中的主要内力：
筒壳的纵向悬挑
《薄壁空间结构》
（4）横向悬挑 横向悬挑可用于雨蓬、站台、大看台、也可用于大厅和外墙采光多或开门特大 （如飞机库、车库）的建筑物。 悬挑横隔密排者为短筒壳，疏排者为长筒壳。
筒壳《的薄壁横空向间结悬构挑》
（5）并列组合
等宽筒壳并列可组成矩形平面 屋顶,也可组成水塔的圆柱形水 箱。锥形变宽筒壳并列可组成 扇形、环形平面屋顶，也可组成 水塔的锥形水箱, 并列筒壳相接 处形成刚劲有力的折缝。
（a）平滑圆顶 （b）肋形圆顶 （c）（d）多面圆顶
在实际工程中，平滑圆顶应用较多。当建筑平面不完全是圆形，或由于采光 要求需要将圆顶表面分成独立区格时，可采用肋形圆顶。肋形圆顶是由径向 肋系、环向肋系与壳板组成，与壳板整体连接。多面圆顶结构是由数个拱形 薄壳相交而成。有时为了建筑造型上的要求，也可将多面圆顶稍作修改。 多面圆顶结构与圆形圆顶结构相比，其优点主要是支座距离可以较大，同时 建筑外形活泼。多面圆顶结构比肋形圆顶结构经济，自重较轻。
《薄壁空间结构》
筒《壳薄的壁空折间结缝构与》 形变
（2）形变 圆柱形筒壳的外形单调、缺乏活力。若在一个筒壳中，其波宽与矢高沿 纵向变化，或两端支座一高一低变化其形象，则筒壳的造型立时顿变， 显出无穷的活力。这一变化已经超出了筒壳，进入锥壳的范围,且能组成 圆周形平面。

圆顶的支座环相当于拱的拉杆， 主要为受拉，可采用普通或预 应力混凝土梁。当圆顶不是支 承在墙上而是柱上时，还同时 受弯、剪、扭的作用。
C.框架支承
D.落地支承
圆顶
• 结构构造
1.壳板厚度
t=R/600，且现浇时≥40mm， 装配整体式时≥30mm 。
3.支座环附近构造及配筋
支座环约束附 近的局部弯矩 支座环附近壳板应 加厚并双层配筋 增加厚度≥t
长壳与曲线截面梁的应力状 态相似，可按梁理论计算
筒壳
• 筒壳的受力特点
3.筒壳的传力模式
当横隔为实体梁时， 梁应按偏拉构件计算 并非将荷载竖 向地传给横隔
而是通过壳面内的顺 剪力将荷载传给横隔
当横隔为桁架时，应将顺剪力换 算成节点上的集中荷载再计算
筒壳
• 筒壳的结构构造
1.短壳（L1/L2≤2）
果壳
蜗牛壳
蛋壳
蚌壳
脑壳
种子
概述
• 薄壳结构的概念
4.壳体结构实例
B.生活中的壳体结构
灯泡
乒乓球
飞机
罐
安全帽
轮船
概述
• 薄壳结构的曲面形式
1.旋转曲面
旋转曲面： 由一条平面曲线绕着该 平面内某一给定直线旋 转一周所形成的曲面。 旋转壳： 以旋转曲面为中曲面的 壳体。 母线： 即绕旋转曲转动的曲线。 旋转轴： 旋转时不动的直线。 抛物球壳 椭球壳 双曲球壳
概述
• 薄壳结构的概念
2.描述壳体结构的相关概念
I.高斯曲率 —曲面上某点两个主曲率乘积
J.壳顶 —在曲面以上 的中曲面的最 高点，如下图 的 o点 K.矢高 —壳顶到底面 的距离，如右 图的f L.矢率 —矢高与底面 短边之比，即 右图中的f/a M.扁壳与陡壳 —矢率较小者为扁壳，较 大者为陡壳，工程上常 以f/a=1/5为界限

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。
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。
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。
(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。

椭圆球壳
x y zc f 1 2 2 a c
2 2 2
ra x ra ,
z 0
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5.3.1选型设计
1．几何特性
x 2 y 2 ra2
2 r 2 a f z x f
抛物面球壳
2 r 2 2 a f z x y f
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5.3.1选型设计
薄壳结构
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 概述 薄壳的曲面形式 圆顶薄壳 筒壳 双曲扁壳
5 薄壳结构
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。 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，壳体结构的发展一直缓慢， 主要原因是计算繁琐。 二战期间及战后壳体结构发展才迅速起来。
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5.3.2 圆顶结构组成和形式
支撑构件
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5.3.3 圆顶薄壳的内力状态
计算
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。
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5.3.2 圆顶结构组成和形式
壳身
平滑圆顶结构 实际工程中用的较多。 钢筋沿径线及沿同心圆放置；径向钢筋的数量朝圆顶 点方向根据圆顶周长的减少而减少； 当厚度大于80mm时，为避免收缩及温度裂缝，应放置 两层钢筋。 肋形圆顶结构 当壳体受集中荷载作用； 当壳体厚度较小； 采用装配整体式结构时 经向肋系、环向肋系、壳面板 27