(八)薄壳结构

现代建筑结构欣赏薄壳结构嘉庚学院土木工程系许云燕•薄壳结构概念:曲板的内力改变为受压为主，受压比受弯有利得多，尤其是多向受压，处于空间工作状态更加有利薄壳必须具备两个条件：一是“曲面的”，二是“刚性的”。所以，薄壳可以简单理解为四边支承的曲板。薄壳的结构组成一般包括：曲面的壳板和周边的边缘构件两部分。•薄壳结构的优点：薄壳突出一个“薄”字，故其优点是：材料省、很经济；自重小，为大跨度提供有利条件；曲板的曲面多样化，为建筑造型提供丰富多采的创造条件。壳结构的缺点：体型复杂，现浇结构时费工费模料，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，隔热效果不够好，长期日晒雨淋容易开裂；壳板天棚的曲面容易引起室内声音反射和混响，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜采用。第一节薄壳结构的受力特点与优缺点第二节薄壳的型式与曲面关系薄壳结构是一种薄得不致于产生明显的弯曲应力，但厚度是以承受压力、拉力和剪力的形抵抗结构。所谓“形抵抗结构”就是将材料造成一定的形式从而获得强度去承受荷载的结构。薄壳结构赖以获得这种能力的“形”就是曲面，薄壳的结构效能就是归功于曲面的曲率和几何特征。薄壳的型式很多，诸如球面壳、圆柱壳、双曲扁壳、幕结构、折结构等，都是由曲面变化而创造出的各种型式。薄壳基本曲面形式几何形成的类型:一、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。常见的有：球形曲面、旋转抛物面和旋转双曲面。二、平移曲面竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成的曲面称为平移曲面。工程中常见的有椭圆抛物面双曲扁壳和双曲抛物面。注意区别。三、直纹曲面一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。常见的有：1.双曲抛物面(鞍壳、扭壳)如上图(b)所示的双曲抛物面，也可按直纹曲面的方式形成，即工程中的鞍壳。工程中扭壳是由扭曲面构成的。2．柱面与柱状面柱面是由直母线沿一竖向曲导线移动而形成的，如筒壳。柱状面是由一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，如柱状面壳。3.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，如锥面壳。锥状面是由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。四、复杂曲面在上述的基本几何曲面上任意切取一部分，或将曲面进行不同的组合，便可得到各种各样复杂的曲面。第三节圆顶薄壳一、圆顶薄壳型式•圆顶薄壳的曲面是球形曲面，故也称“球面薄壳”。•圆顶薄壳是最早出现的一种古老型式，它的受力简单。壳板的径向和环向弯矩极小，可以忽略。所以，壳体主要承受压力，压力沿整个球面扩散均匀分布，可以充分利用材料的强度。边缘构件为一圆环，对圆顶壳面起箍的作用，圆顶通过它搁在支承构件上，边缘构件主要承受环向拉力和弯矩。根据壳板构造，圆顶薄壳可以分为：平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶三种。二、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。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。从此可以看出，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。由于支座环对壳面边缘变形的约束作用，壳面的边缘附近产生径向的局部弯矩。•圆顶薄壳的支承结构，一般有以下几种：•(1)通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上。•(2)支承在斜柱或斜拱上。•(3)支承在框架上。•(4)圆顶结构直接落地并支承在基础上。第四节圆柱形薄壳圆柱形薄壳的曲面呈单曲外形，故也称为“筒壳”。筒壳因其几何形状简单，模板制作容易，施工简单，故广泛用于工业与民用建筑屋盖上。筒壳一般由壳板、边梁和横隔三部分组成。一、长薄壳•（一）形式和尺寸•当l1/l2≥l时，称为长薄壳。此时，由于l1/l2的比值较大，筒壳的受力情况像曲线截面的梁一样，其计算理论与曲线截面梁相仿。•长薄壳的l1/l2的比值一般为l.5～2.5，最大可达3～4。长薄壳的跨长最大可达30m。•壳体截面的总高度f不应小于（1／10～1／15）l1；矢高f1不应小于1／8l2。•壳板的厚度一般为3～8cm。（二）长壳受力特点和内力计算简介薄壳是空间结构，在荷载作用下产生的内力与普通梁板结构不同，内力的计算也比普通梁板结构复杂得多。二、短壳短壳一般也是由壳板、边梁和横隔构件三部分组成，其跨度与波长的比值l1/l21，通常等于或小于0.5。短壳一般是多跨的。（一）壳板壳板的矢高f1不应小于1/8l2。壳板内的应力不大，通常不必计算，可按跨度及施工条件决定其厚度。对普通跨度（l1＝6～12m，l2＝18～30m）的屋盖，当矢高不小于1/8l2时，厚度可按表9－1选定。（二）边梁边梁宜采用矩形截面，其高度一般为（1/15-1/10）l1，而不应小于1/15l1，宽度为高度的1/5-2/5。（三）横隔构件横隔构件的间距一般采用6～12m。三、圆柱壳的开洞处理圆柱壳建筑的通风采光可以采用锯齿形屋盖的办法来解决，也可以采用天窗孔的做法来处理。四、工程实例•圆柱壳由于适用跨度大，平面进深也大，支承结构可以多样化，可根据建筑空间和造型的不同需要去选择，所以，这种薄壳广泛用于单层工业厂房和各种公共建筑如展览馆上。•圆柱壳还可根据建筑的使用需要，可以做成单波单跨、单波多跨、多波单跨及多波多跨等各种形式。我国许多纺织厂采用锯齿形的长筒壳。第五节双曲扁壳包括二部分：壳身和竖直边缘构件，因它在壳体的两个互相垂直的平面上都有曲率，且f/L《1/5，顾名思义称之为双曲扁壳。一、双曲扁壳的结构组成二、双曲扁壳的受力特点可将平板理论中的某些公式直接应用到双曲扁壳结构的计算中。三、双曲扁壳的结构构造矢高与底面短边之比不能大于l／5。曲率比及底面长边与短边之比均不宜超过2。节点构造及配筋形式第七节折板结构一、折板的特点同是一块板的截面，如果把折叠起来成折板，惯性矩就可增大许多；同是一块板的材料，折叠后等于把材料从中和轴位置远离拉开，即可收到大大的结构效益了。二、折板受力特点折板结构的波长l2一般不宜太大。实际工程中，跨度l1经常是波长l2的好几倍长，尤其是预制预应力V形折板，l1/l2一般都在5以上。因此，折板结构大多是长折板，它的受力性能与长筒壳类似。边梁下无中间支撑且l1/l2》3的长折极可按梁理论计算。•（1）板的横向计算•（2）折板的纵向计算•（3）横隔框架的计算三、折板结构的型式（一）无边梁的折板——预制V形板波长——一般2m和3m；跨度——一般6～15m（预应力时可达21m）；倾角——板与水平面的倾角一般为30～45度；折板高度——为了保证折板的刚度，折板高度不宜小于1/20跨度。（二）有边梁的折板——筒壳式折板结构（二）有边梁的折板——筒壳式折板结构有边梁的折板结构由折板、边梁和横隔构件三部分组成，是现浇结构。四、现代建筑中，折板的应用与演变由于折板建筑具有波浪起伏的轮廓和丰富多变的阴影，大大丰富了建筑的造型艺术和个性表现。所以，折板不仅用于建筑物主体的屋盖上。而且，近代建筑中，折板常常用在门廊雨罩或一些建筑小品上面，很具特色。•雁形板：梁板合一的构件，实质为折板。有普通型、加肋型、拉杆型。