薄殼結(jié)構(gòu)（課堂PPT）

1、1薄殼結(jié)構(gòu)234 薄殼結(jié)構(gòu) 1.概述 2.薄殼的曲面形式 3.圓頂結(jié)構(gòu) 4.筒殼結(jié)構(gòu) 5.雙曲扁殼結(jié)構(gòu) 5 起源與發(fā)展起源與發(fā)展 起源起源: : 人類遠(yuǎn)在數(shù)千年前早已找出了各式各樣的日用殼體，如鍋、碗、壇、罐以后工業(yè)逐漸發(fā)達(dá)，造出了燈泡、鋼盔、木舟、機(jī)殼等不勝枚舉。6 發(fā)展發(fā)展 殼體用于建筑結(jié)構(gòu)雖為時較早，但工程界開始研究、分析、試驗(yàn)已是19世紀(jì)，到20世紀(jì)初葉殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直緩慢 二戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后殼體結(jié)構(gòu)發(fā)展才迅速起來。 只有空間受力的結(jié)構(gòu)體系才能夠很好地解決大跨度屋蓋的問題，而且只有空間體系的結(jié)構(gòu)才能組成富有造型特點(diǎn)的屋蓋形式。7殼結(jié)構(gòu)的演變殼結(jié)構(gòu)的演變 1. 兩邊支承的單向板只有一個方向

2、受彎，另一個方向的抗彎能力根本沒有利用； 2.如果把做成四邊支承的雙向板，那么，雙向受彎，兩向共同受荷，則材料的抗彎潛力得到較充分的發(fā)揮。 3.在相同荷載作用下，雙向板比單向板的跨度可以大1.31.8倍。 4.雙向板雖然是四邊支承而起雙向受力的作用，但還是平面結(jié)構(gòu)，它的內(nèi)力還是彎矩。8 把平板做成曲板，曲板的內(nèi)力就改變?yōu)槭軌簽橹?，受壓比受彎更能發(fā)揮材料的性能，尤其是多向受壓，處于空間狀態(tài)更加有利。9 橫向受荷傳力的梁起“擔(dān)”的作用，不能材盡其用，并非經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式；以曲梁承荷傳力的拱起“頂”的作用，能進(jìn)一步發(fā)揮材力，是較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式； 殼體與此相仿，以曲板承荷傳力，而且更進(jìn)一步，它不像拱是單

3、向受荷傳力的平面結(jié)構(gòu)，而是雙向受荷傳力的空間結(jié)構(gòu)，起雙向“頂”的作用。10定義定義 殼體結(jié)構(gòu)一般是指由兩個幾何曲面構(gòu)成的空間薄璧結(jié)構(gòu)。 兩曲面間的距離，即殼體的厚度t。 t不隨坐標(biāo)變化時稱為等厚度殼體，反之稱為變厚度殼體。 平分殼體厚度的曲面叫做殼體的中面。 劃分 設(shè)R為中面的曲率半徑，在max(t/R)1/20的情況下，殼體可按照薄殼理論進(jìn)行計算，所得結(jié)果與按厚殼理論計算所得結(jié)果比較起來，誤差一般不超過通常工程上所容許的計算誤差（5）。 根據(jù)上述不等式而將殼體劃分成薄殼與厚殼兩類。 實(shí)際應(yīng)用的殼體通常是很薄的，多數(shù)在下列范圍內(nèi)：1/1000t/Rl/50。11薄殼的特點(diǎn)薄殼的特點(diǎn)薄殼必須具備

4、兩個條件： 1.曲面 2.剛性 1.理解為四邊支承的曲板。 2.主要依靠曲面內(nèi)的雙向軸力和順剪力承重。 3.強(qiáng)度和剛度主要依靠幾何形狀的合理性，而不是結(jié)構(gòu)截面尺寸得到。 4.空間整體工作性能良好，內(nèi)力均勻，結(jié)構(gòu)自重??； 5.強(qiáng)度高、剛度大、材料省、經(jīng)濟(jì)合理。 6.曲面多樣化，豐富建筑造型。12特點(diǎn)特點(diǎn) 體型復(fù)雜； 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)時費(fèi)工費(fèi)模板材料，施工不便； 板厚太小，結(jié)構(gòu)厚度和保溫隔熱都靠這幾公分厚的材料，隔熱效果不好； 長期日曬雨淋容易開裂； 殼板的曲面容易引起室內(nèi)聲音反射和混響，對聲音效果要求高的大會堂、體育館、影劇院等不宜采用。13按照形成的特點(diǎn)分為：1.旋轉(zhuǎn)曲面2.平移曲面3.直紋曲面14旋

5、轉(zhuǎn)曲面 一平面曲線繞其所在平面上的軸旋轉(zhuǎn)所形成的曲面，稱為旋轉(zhuǎn)曲面。 該平面曲線可以有不同的形狀，于是得到多種多樣適應(yīng)于圓形平面的穹窿（圓頂）屋蓋15平移曲面平移曲面 由一條豎向曲線做母線沿著另一條豎向曲線（導(dǎo)線）平行移動所形成的曲面16平移曲面平移曲面17直紋曲面直紋曲面 雙曲拋物面一直線沿二固定曲線移動形成的曲面。扭殼面與雙曲拋物面扭殼面與雙曲拋物面扭殼面扭殼面雙曲拋物面雙曲拋物面18柱面與柱狀面柱面與柱狀面柱面由直母線沿沿著兩根曲率相同的豎向曲導(dǎo)線移動而形成的曲面。柱狀面由直母線沿著兩根曲率不同的豎向曲導(dǎo)線移動，并始終平行于一導(dǎo)平面而形成。19錐面與錐狀面錐面與錐狀面錐面是一直母線沿一豎

6、向曲導(dǎo)線移動，并始終通過一定點(diǎn)而形成的曲面。錐狀面是由一直母線沿一根直導(dǎo)線和一根豎向曲導(dǎo)線移動，并始終平行于一導(dǎo)平面而形成的曲面。也稱劈錐殼。20圓頂薄殼 圓頂薄殼的特點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)曲面、正高斯曲率； 球面殼、橢球面殼、旋轉(zhuǎn)拋物面； 適用于平面形狀為圓型的建筑； 雜技院、劇院、展覽館、天文館、圓形水池頂蓋 是最早出現(xiàn)的一種古老型式。 厚度薄、結(jié)構(gòu)自重輕、節(jié)省材料； 殼體的徑向和環(huán)向彎矩極小，可以忽略；殼體主要承受壓力，壓力沿整個球面呈擴(kuò)散均勻分布，可以充分利用材料強(qiáng)度。21 圓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)型式22 支座環(huán)支座環(huán) 1.是圓頂結(jié)構(gòu)保持幾何不變的保證； 2.作用類似于拱式結(jié)構(gòu)中的拉桿； 3.對圓頂殼

7、面起箍的作用，阻止圓頂結(jié)構(gòu)在 豎向荷載作用下的裂縫開展與破壞； 4.主要承受環(huán)向拉力和彎矩 5.保證殼體基本上處于受壓狀態(tài)；并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的空間平衡。 23 支承結(jié)構(gòu)的類型支承結(jié)構(gòu)的類型 支承在豎向承重構(gòu)件上支承在豎向承重構(gòu)件上支承在框架上支承在框架上24豎向承重構(gòu)件豎向承重構(gòu)件 經(jīng)向推力的水平分力由支座環(huán)承擔(dān)，豎向支承構(gòu)件僅承受經(jīng)向推力的豎向分力。圓頂?shù)目缍容^大時由于經(jīng)向推力很大，要求支座環(huán)的尺寸很大。斜柱或斜拱斜柱或斜拱通過殼體四周沿著切線方向的直線形、Y形或叉形斜柱，把推力傳給基礎(chǔ)；或通過沿殼緣切線方向的單式或復(fù)式斜拱，把經(jīng)向推力集中起來傳給基礎(chǔ)框架框架利用圓頂下四周的圍廊或圓頂周圍的低層附

8、屬建筑的框架結(jié)構(gòu)，把水平推力傳給基礎(chǔ)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度，以保證殼身的穩(wěn)定性。圓頂結(jié)構(gòu)直接落地并支承在基礎(chǔ)上圓頂結(jié)構(gòu)直接落地并支承在基礎(chǔ)上若球殼邊緣全部落地，則基礎(chǔ)同時作為受拉支座環(huán)梁。若是割球殼，只有幾個腳延伸入地，則基礎(chǔ)必須能夠承受水平椎力，或在各基礎(chǔ)之間設(shè)拉桿以平衡該水平力25圓頂薄殼的內(nèi)力狀態(tài)圓頂薄殼的內(nèi)力狀態(tài) 一般情況下，殼面的徑向和環(huán)向彎矩較小可以忽略，殼面內(nèi)力可按無彎矩理論計算 受力 在軸向（旋轉(zhuǎn)軸）對稱荷載作用下，圓頂徑向受壓，環(huán)向上部受壓，下部可能受壓，也可能受拉，這是圓頂殼面中的主要內(nèi)力。由此，圓頂結(jié)構(gòu)可以充分利用材料的強(qiáng)度。 支座對圓頂殼面起箍的作用，所以支座環(huán)承

9、受殼面邊緣傳來的推力，其截面內(nèi)力主要為拉力。26圓頂?shù)钠茐?圓頂?shù)谋∧?nèi)力27支座環(huán)的受力28圓頂?shù)墓こ虒?shí)例羅馬小體育宮鋼筋混凝土網(wǎng)肋形扁球殼結(jié)構(gòu) 球殼采用預(yù)制鋼絲網(wǎng)水泥菱形構(gòu)件作模板，與殼板現(xiàn)澆成整體的肋形球殼殼肋葵花圖案 具有裝飾性采用36根Y字型斜柱支承 結(jié)構(gòu)明朗 輕快 富有表現(xiàn)力2930邊梁邊梁(側(cè)邊構(gòu)件側(cè)邊構(gòu)件)：橫隔板橫隔板31a 最經(jīng)濟(jì)最經(jīng)濟(jì)b 適用于邊梁下有墻或中間支承的建筑適用于邊梁下有墻或中間支承的建筑c 適用于小型筒殼適用于小型筒殼d 邊梁可兼作排水溝邊梁可兼作排水溝32橫隔板的型式橫隔板的型式框架橫隔框架橫隔空腹桁架橫隔空腹桁架橫隔33筒殼筒殼按梁理論計算按梁理論計算橫

10、向拱的作用小；縱向梁傳力顯著。橫向拱的作用?。豢v向梁傳力顯著。近似梁作用近似梁作用橫向拱的作用明顯；縱向梁傳力作用很小。橫向拱的作用明顯；縱向梁傳力作用很小。近似拱作用近似拱作用內(nèi)力主要為薄膜內(nèi)力，按薄膜理論計算內(nèi)力主要為薄膜內(nèi)力，按薄膜理論計算3/21ll長殼長殼短殼短殼2/1/21ll中長殼中長殼3/2/121ll拱和梁的作用都明顯拱和梁的作用都明顯。存在薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力，按彎矩理論或半彎矩理論計算存在薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力，按彎矩理論或半彎矩理論計算34我國許多紡織廠采用鋸齒形的長筒殼，有利于采光我國許多紡織廠采用鋸齒形的長筒殼，有利于采光某禮堂某禮堂某飛機(jī)場某飛機(jī)場哥倫比亞塔基納運(yùn)動場的

11、雨蓬哥倫比亞塔基納運(yùn)動場的雨蓬355/1/ lf帶拉桿的拱，拱形桁架，薄腹梁，帶拉桿的拱，拱形桁架，薄腹梁，拱形剛架拱形剛架種類種類：具有較大的剛度具有較大的剛度在四角交接處應(yīng)有可靠連接構(gòu)造措施在四角交接處應(yīng)有可靠連接構(gòu)造措施要求：要求：36北京網(wǎng)球館北京網(wǎng)球館37 ：38北京火車站北京火車站39雙曲扁殼雙曲扁殼鋸齒形狀鋸齒形狀（柱狀）（柱狀）柱殼柱殼扭殼扭殼錐形殼錐形殼劈錐殼劈錐殼兩柱殼相貫兩柱殼相貫兩雙曲拋物面兩雙曲拋物面殼相貫殼相貫錐形殼錐形殼錐形殼錐形殼40鳥瞰圖鳥瞰圖室內(nèi)透視室內(nèi)透視室外透視室外透視由三組殼體組成由三組殼體組成每組有兩個圓柱形曲面正交形成每組有兩個圓柱形曲面正交形成建

12、筑平面為四邊形建筑平面為四邊形每組殼面切割成八角形的覆蓋平面豐富了建筑造型每組殼面切割成八角形的覆蓋平面豐富了建筑造型兩個柱形曲面的交線為十字形交叉拱，加強(qiáng)殼體，兩個柱形曲面的交線為十字形交叉拱，加強(qiáng)殼體，并將荷載傳至支座并將荷載傳至支座拱的斷面突出殼面使室內(nèi)形成光滑簡潔的曲面拱的斷面突出殼面使室內(nèi)形成光滑簡潔的曲面殼體邊緣有加勁肋殼體邊緣有加勁肋三組殼體的相交處為采光帶三組殼體的相交處為采光帶美國圣路易航空港候機(jī)室美國圣路易航空港候機(jī)室兩圓柱正交幾何圖兩圓柱正交幾何圖41墨西哥霍奇米洛科餐廳墨西哥霍奇米洛科餐廳立面立面平面平面幾何形體幾何形體建筑由八瓣鞍殼交叉組成，相交處加厚形成剛度極大建筑由八瓣鞍殼交叉組成，相交處加厚形成剛度極大的拱肋，直接支承在八個基礎(chǔ)上的拱肋，直接支承在八個基礎(chǔ)上建筑平面為建筑平面為30m*30m的正方形，殼厚的正方形，殼厚40mm殼體的外圍八個立面是傾斜的，整個建筑猶如一朵覆殼體的外圍八個立面是傾斜的，整個建筑猶如一朵覆地蓮花，造型別致室內(nèi)采光、通風(fēng)效果好地蓮花，造型別致室內(nèi)采光、通風(fēng)效果好42美