建筑结构与选型3.7节壳体结构

3.7壳体结构壳体结构由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。壳体结构可做成各种形状，以适应工程造形的需要，因而广泛应用于工程结构中，如大跨度建筑物顶盖、中小跨度屋面板、工程结构与衬砌、各种工业用管道压力容器与冷却塔、反应堆安全壳、无线电塔、贮液罐等。工程结构中采用的壳体多由钢筋混凝土做成，也可用钢、木、石、砖或玻璃钢做成。中国国家大剧院位于北京市中心天安门广场西，人民大会堂西侧，西长安街以南，由国家大剧院主体建筑及南北两侧的水下长廊、地下停车场、人工湖、绿地组成，总占地面积11.89万平方米，总建筑面积约16.5万平方米，其中主体建筑10.5万平方米，地下附属设施6万平方米，总投资额26.88亿人民币（大剧院最新公布的造价数字是31亿元人民币）。由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，设计方为法国巴黎机场公司。南通体育会展中心体育场悉尼歌剧院3.7.1概述圆形筒仓（1/10）、万神庙（43.6m；7-0.6m）罗马小体育馆,61m；壁壳25mm；肋条110mm几何特征—曲面;结构特征—空间薄壁结构;受力特征—薄膜内力（拉压剪，以压为主）;破坏特征—压屈失稳;目前的构造做法和施工技术：采用骨架式壳面；用预制装配式分片式浇筑；重复使用模具，利用永久性模具和充气模具。•壳体结构（shellstructure）由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。•壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。•当整个薄壳的所有横截面均没有弯矩和扭矩时，由中面的拉伸、压缩、剪切变形产生的正向力和顺剪力被称为理想的薄膜内力。壳体曲面3.7.2壳体结构的曲面形式直纹平移曲面曲纹平移曲面（1）旋转曲面（2）平移曲面上述各类的曲面的切割组合壳体曲面的几何性质：（1）旋转曲面：母线绕平面内一根轴线旋转而成1）球形曲面（1）2）圆锥曲面（2）3）旋转双曲面（3）（2）直纹平移曲面：直母线，两端各沿两固定曲导线平行移动而成1）柱曲面（4、5）2）锥面（6、7）3）扭面（8）3.7.2壳体结构的曲面形式运动的线段称为的母线控制母线运动的线为导线（3）曲纹平移曲面椭圆抛物面：竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成双曲抛物面：母线与导线均为抛物线，但曲率相反（4）上述三种曲面切割、组合形成的曲面其他的曲面划分方法（略）：（1）曲率半径R和曲率1/R（2）主曲率1/R1、1/R2和高斯曲率K（3）单曲面（展开面）双曲面（不可展开面）（4）按高斯曲率划分正高斯曲率壳、负高斯曲率壳、零高斯曲率壳3.7.3圆球壳体（1）圆球壳体是圆球体的一个截段，为旋转曲面族，属于正高斯曲率的同向双曲面壳。在轴对称竖向或经向荷载作用下，竖拱上半部有下陷的倾向，下半部有外扩的倾向。这种倾向被水平圆环所阻。使得上半部水平圆环受压、下半部水平圆环受拉。界限：φ=45-52°对非半圆球壳结构（φ＜90°）的组成和受力的概念相同。大部分处于薄膜状态，其内力称薄膜内力，只有局部区域产生弯曲。壳体处于薄膜状态的条件：壳体边缘的支承方向应在其中面的切线的方向，而且允许壳体沿中面法线方向自由变形。壳体所受荷载应连续分布，集中荷载下有弯曲内力。壳体的厚度和曲率都是逐渐变化的。当球壳是支承在环梁、斜拱或斜柱上时，这些支承会约束壳体受载后的变形，产生局部弯曲及局部区域的弯曲应力。球壳承受的薄膜内力（略）0qRNRNcos1sin2)2(0hRaRdahN)coscos11(hRN2pRN22cospRN（1）承受沿球面的法向荷载q（2）在竖向均布活载p作用下:支承环对壳身边缘有约束作用。在支承环附近的狭窄区域内发生数值不甚大且衰减很快的经向弯矩。所以壳身在支承环附近适当加厚并配双层钢筋，也可以采用预应力混凝土支承环。cosNRHRTrr0dSNT（2）骨架式壳体由刚性杆件组成，除承受轴向内力外，也可承受弯矩；1）径向肋式（a）：取消壳面，保留径向肋和水平环梁（或取消壳面和水平环梁，在径向肋条间再做平行的次肋条）2）网格式（b、c、d）：取消壳面和所有径向及环梁3）同心环梁式（e、f）：同径向肋式但方格间加设斜杆或交叉斜杆（或取消肋条，在环梁间形成三角形网格）网状筒拱3.7.4筒形壳体直纹平移曲面族的一类，属于零高斯曲率的单面壳；影响筒形壳体的结构特征的因素：横截面形状、支撑条件、边缘构件、跨度和边缘尺寸。横截面形状：圆弧、抛物线、双曲线、椭圆等；单/多波筒体、反放筒体、对称、不对称筒体、组合筒体和交叉筒体。支承条件：两端横向、纵向连续、纵向多点支承边缘构件：梁、墙、基础、柱、拱跨度：单跨、连续多跨筒壳的内力分析有三种：1）l1/l2≥3，长筒壳：建筑力学中梁的理论2）l1/l2≤1/2，短筒壳：薄膜理论3）1/2＜l1/l2＜3，中长筒壳：半弯矩理论工程常用长筒壳的估算要点（略）：1）筒壳视为两端支撑在横隔构件上的曲线截面梁2）拱圈3）参照梁的配筋配置长筒体的抗弯、抗剪钢筋并保证纵向受压稳定4）横隔构件按偏心受拉构件设计估算长筒壳的壳身大部分是多波式；筒壳截面总高度H不宜小于（1/15~1/10）l1其中l1可达30m，壳身矢高f≥（l2/8）；与壳身截面对应的圆心角不宜大于900（φ≤450），300时较好；壳板厚50~80mm；边梁应设置纵向受拉钢筋，由于可以进行壳底水平侧移的约束，有时将边梁水平放置。短筒壳一般为多跨，纵向应力分布则呈曲线关系；短筒壳壳顶有纵向拉应力，纵向最大压应力也不发生在壳顶处。一般跨度为l1=6~12m,l2=18~30m,失高f≥（l2/8）壳板构造筋φ4~φ6，@100~160mm3.7.5双曲抛物面壳体（简称双抛面）双曲抛物面壳体又称扭壳，属于负高斯曲面的双曲壳。单块双抛面壳的几何特征类似于一个马鞍形。结构特征：由扭壳面和4个直线形边缘构件及其支承组成，支承点可以是1、2、3、4或多点。矩形底面的单块双抛面壳体屋盖的底边边长比a:b一般为1~2为宜。单倾单块双抛面壳的f/b以1:2~1:4为宜，双倾单块双抛面壳以1:2~1:8为宜。双抛面是一个扁平的马鞍形的移动面，由沿一个凹向（凸向）抛物线导线并与它相垂直的凸向（凹向）抛物线母线移动而成。它在马鞍面上同时形成一个矩形坐标系，其中每一根纤维都是斜直线；两组正交的斜直线又可看成一系列正交的上凸受压拱和下凹受拉索的组合，他们都支承在两侧的边缘构件上。北京：燕山石化化肥库（双曲扁壳屋盖、薄壳边缘构件为带拉杆的拱）北京燕山：钢筋混凝土组合双曲抛物面屋盖补充：折板结构北京：燕山石化某仓库（折板结构）某折板结构水泵房（外景）某折板结构水泵房（内景）折板结构通常预制生产，为增大使用跨度，可沿折板纵向施加预应力，一般可在预应力台座上采用先张法施工。每两块折板可以象折页一样折拢，便于吊装运输。吊装就位后再打开折板，搁置在预先准备好的三角形支座上。根据折板打开后的角度，可以改变折板的有效高度h，以适应不同跨度的需要。目前国内重复使用图集CG434提供波宽为2m、3m两种预应力V形折板，调整折板横向倾角可改变折板的有效高度h，以适应不同跨度和不同承载力的要求，跨度可在6m到18m范围内选用。折板结构，特别是V形折板施工方便、自重轻、经济指标好，跨度可以做得比较大，外形也有特点，但屋盖隔热、保暖比较麻烦，若做吊顶，经济指标就提高了。故特别适合没有保暖要求的仓库及水泵房。