第五讲--钢筋混凝土空间薄壁结构

建筑结构选型第五讲孟昭博聊城大学建筑工程学院建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.1概述桁架结构刚架结构拱式结构梁式结构平面受力结构面内：承受屋面板传来的竖向荷载面外：需设支撑体系保证安全及稳定平面受力结构体系的特点：优点：荷载为单向传递，计算分析方便，结构施工吊装方便。缺点：结构内力较大，材料强度得不到充分发挥，随着结构材料用量的增加，空间整体性能下降，结构安全性降低。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构随着材料的发展、施工技术的进步及计算机分析软件的应用，给空间结构体系的发展提供了有力的支持。空间结构体系网架及网壳结构悬索结构膜结构薄壁结构杂交结构薄壁结构指结构的厚度远小于其长度和宽度，一般由金属或钢筋混凝土做成。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构钢筋混凝土大跨空间薄壁结构由曲面形薄板构成的薄壳结构由平板构成的折板、雁形板、幕结构建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.1.1薄壳结构的概念起源自然界中存在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、蜗牛壳、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，着实令人惊叹！万灵之首的人类仿生自然界造出了各种各样的壳体结构如锅、碗、瓶、坛、罐子以及灯泡、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世纪初叶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。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构壳结构的演变两边支承的单向板只有一个方向受弯，另一个方向的抗弯能力根本没有利用；如果把做成四边支承的双向板，那么，双向受弯，两向共同受荷，则材料的抗弯潜力得到较充分的发挥。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构壳结构的演变在相同荷载作用下，双向板比单向板的跨度可以大1.3~1.8倍。双向板虽然是四边支承而起双向受力的作用，但还是平面结构，它的内力还是弯矩。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构壳结构的演变把平板做成曲板，曲板的内力就改变为受压为主，受压比受弯更能发挥材料的性能，尤其是多向受压，处于空间状态更加有利。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构壳结构的演变横向受荷传力的梁起“担”的作用，不能材尽其用，并非经济的结构形式；以曲梁承荷传力的拱起“顶”的作用，能进一步发挥材力，是较先进的结构形式；壳体与此相仿，以曲板承荷传力，而且更进一步，它不像拱是单向受荷传力的平面结构，而是双向受荷传力的空间结构，起双向“顶”的作用。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构壳体结构：一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构，也称曲面结构。两个曲面的距离δ等厚壳：当厚度δ不随坐标位置的不同而改变时称为等厚壳变厚壳：当厚度δ随坐标位置的不同而改变时称为变厚壳。薄壳：当厚度δ远小于壳体的最小曲率半径R时，称为薄壳。否则，称为厚壳或中厚壳。定义一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。1/1000＜δ/R＜l/50建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构薄壳的特点薄壳必须具备两个条件：•曲面•刚性可理解为四边支承的曲板。主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重。强度和刚度主要依靠几何形状的合理性，而不是结构截面尺寸得到。空间整体工作性能良好，内力均匀，结构自重小；强度高、刚度大、材料省、经济合理。曲面多样化，丰富建筑造型。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构薄壳的特点体型复杂；现浇结构时费工费模板材料，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，隔热效果不好；长期日晒雨淋容易开裂；壳板的曲面容易引起室内声音反射和混响，对声音效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等不宜采用。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构薄壳的曲面构成壳体的中面：平分壳体厚度的曲面。在任意形状的壳的中面上某一点m可作法线mn。包含该法线可作一系列的平面（法截面），各平面与中面相交可得许多具有确定方向的曲线（法截线），其中有两条相互垂直或正交的曲线r和t的曲率具有极值，一条曲率最大，另一条曲率最小，这两条曲线的曲率称为曲面在该点的主曲率，用k1、k2表示。曲面任意点上的高斯曲率K)15(112121RRkkK法截面法截线建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构薄壳的曲面分类K＝k1k2＞0正高斯曲率曲面，椭圆抛物面、球面K＝k1k2=0零高斯曲率曲面，圆柱面、圆锥面K＝k1k20负高斯曲率曲面，双曲抛物面建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构壳体的矢率被中曲面所覆盖的底面最短边为a，在底面以上的中曲面上的最高点o称为壳顶。壳顶到底面之间的距离称为矢高f，f/a称为矢率。矢率大称为陡壳矢率小称为扁壳二者无明确界限，主要取决于计算上所容许的误差大小。当a/f≤1/5时，可按扁壳计算建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.1.2薄壳结构的曲面形式按照形成的特点分为：旋转曲面、平移曲面、直纹曲面、复杂曲面。1）旋转曲面一平面曲线绕其所在平面上的轴旋转所形成的曲面，称为旋转曲面。该平面曲线可以有不同的形状，于是得到多种多样适应于圆形平面的穹窿（圆顶）屋盖建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构椭球曲面旋转抛物面旋转双曲面球形曲面建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构2）平移曲面由一条竖向曲线作母线沿着另一竖向曲线((导线))平行移动所形成的曲面称为平移曲面。常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，所形成的壳体称为椭圆抛物壳和双曲抛物壳。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构椭圆抛物面双曲抛物面建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构3）直纹曲面由一段直线((母线))的两端分别沿两固定曲线((导线))移动所形成的曲面叫直纹曲面。房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形曲面、锥曲面、扭曲面等。建造时容易制作，工程应用较多建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构柱形曲面柱面由直母线沿沿着两根曲率相同的竖向曲导线移动而形成的曲面。柱状面由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。柱面柱状面建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构劈锥曲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。锥状面是由一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。也称劈锥曲面。锥面劈锥曲面建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构扭曲面扭壳面双曲抛物面扭壳面与双曲抛物面建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.1.3薄壳结构的内力建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构理论分析表明：当曲面结构的厚度δ小于其最小主曲率半径R的1/20并能满足下列条件时，薄膜内力是壳体结构中的主要内力：（1）壳体具有均有连续的曲面；（2）壳体上的荷载是均匀连续分布的；（3）壳体的各边界能够沿着曲面的法线放心自由移动，支座只能阻止曲面切线方向位移的反力。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.1.4薄壳结构的施工（1）现浇混凝土壳体1）薄壳结构的施工方法优点：整体性好；缺点：支架、模板用量大，费料、费工，且不易保证浇注质量。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构（2）预制单元、高空装配成整体壳体优点：所需模板少，现场高空作业量大大减少，工期短，且施工不受季节的影响；缺点：其抗震性能较现浇混凝土壳体差。（3）地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升优点：可减少壳体的高空作业量和大部分脚手架；缺点：需要特殊的钢构件临时加固，所需设备起重量较大。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构（4）装配整体式叠合壳体利用钢丝网水泥薄板作模板，其上浇筑钢筋混凝土现浇层，由钢丝网水泥薄板和现浇钢筋混凝土层形成整体共同工作。优点：即减少了模板的用量，又具有较好的整体性。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构（5）采用柔模喷涂成壳柔模是用棉麻织物（帆布、麻袋等）、草苇、钢丝网等抗拉性能好的柔韧材料做模板，在其上涂抹或喷射混凝土或砂浆，待其硬化后，柔模成为壳体的配筋，抵抗拉力。棉麻织物也可在砂浆或混凝土达到强度后，揭下洗净重复利用。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构2）预应力结构预应力能够提高空间结构的刚度及抗裂性，可以连接装配式构件，能够节约钢筋用量，减小侧边构件的尺寸。预应力钢筋布置在横隔、侧边构件及其衔接的壳板受拉区、旋转壳的支座环、拉杆、结构的支座部分，以及最大剪力作用区。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.2圆顶圆顶薄壳的特点正高斯曲率旋转曲面；球面壳、椭球面壳、旋转抛物面；适用于平面形状为圆型的建筑，如杂技院、剧院、展览馆、天文馆、圆形水池顶盖厚度薄、结构自重轻、节省材料；壳体的径向和环向弯矩极小，可以忽略；壳体主要承受压力，压力沿整个球面呈扩散均匀分布，可以充分利用材料强度。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构我国解放后建成的第一座天文馆—北京天文馆，其顶盖为直径25m的半球形圆顶结构，壳体厚度只有60mm，混凝土利用喷射施工法，每平米结构自重只有200kg左右。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.2.1圆顶的结构组成及结构形式支座环壳身下部支承1）壳身结构平滑圆顶（a)、肋形圆顶（b）和多面圆顶（c、d）建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构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。平滑圆顶建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构肋形圆顶有采光要求；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径向肋系、环向肋系、壳面板建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构多面圆顶由数个拱形薄壳相交而成；与平滑圆顶结构相比，支座距离较大；与肋型圆顶结构相比，可节省材料；有通风采光要求时刻在顶部开设圆形孔洞。建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构2）支座环是圆顶结构保持几何不变的保证；作用类似于拱式结构中的拉杆；对圆顶壳面起箍的作用，阻止圆顶结构在竖向荷载作用下的裂缝开展与破坏；主要承受环向拉力和弯矩保证壳体基本上处于受压状态；并实现结构的空间平衡。可采用钢筋混凝土梁或预应力混凝土梁建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构3）支承结构砖墙、钢筋混凝土柱这时径向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受径向推力的竖向分力。受力明确，构造简单。当圆顶的跨度较大时由于经向推力很大，要求支座环的尺寸很大。同时，这样的支座环，其表现力也不够丰富活跃。（1）圆顶结构通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上图5-2-5（a）建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构（2）圆顶结构支承在斜柱或斜拱上通过壳体四周沿着切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给基础；或通过沿壳缘切线方向的单式或复式斜拱，把经向推力集中起来传给基础。在平面上，斜柱、斜拱可按正多边形布置，以便与建筑平面相协调；在立面上，斜柱、斜拱可与建筑围护及门窗重合布置，也可暴露在建筑物的外面，以取得较好的建筑立面效果。这种结构方案清新、明朗，既表现了结构的力量与作用，又极富装饰性。但倾斜的柱脚或拱脚将使基础受到水平推力的作用。斜拱建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构（3）圆顶结构支承在框架上利用圆顶下四周的围廊或圆顶周围的低层附属建筑的框架结构，把水平推力传给基础。框架结构必须具有足够的刚度，以保证壳身的稳定性。图5-2-5（d）建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构(4)圆顶结构直接落地并支承在基础上落地的圆顶就像落地拱一样，经向推力直接传给基础。若球壳边缘全部落地，则基础同时作为受拉支座环梁。若是割球壳，只有几个脚延伸入地，则基础必须能够承受水平椎力，或在各基础之间设拉杆以平衡该水平力。图5-2-5（e）建筑结构选型第五章钢筋混凝土薄壁结构5.2.2圆顶的受力特点球壳在均布竖向荷载作用下，在上部承受环向压力，而在下部承受环向拉力。由于砖砌体或混凝土的抗拉强度极低，故往往在圆顶的下部沿径向出现多条裂缝。支座环的边框作用相