第五章薄壁空間結(jié)構(gòu)(一)

1、第五第五章章 空間薄壁結(jié)構(gòu)空間薄壁結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、發(fā)展簡(jiǎn)況一、發(fā)展簡(jiǎn)況廣泛存在于自然中廣泛存在于自然中種子，果殼，蛋殼，種子，果殼，蛋殼，貝殼等。貝殼等。廣泛存在于日常生活廣泛存在于日常生活中中鍋，碗，帽，鍋，碗，帽，燈泡，乒乓球。燈泡，乒乓球。1958.1958.北京火車(chē)站北京火車(chē)站上右：上右：1964.1964.北京北京網(wǎng)球館網(wǎng)球館下左：下左：1954.1954.北京北京展覽館展覽館2 2、優(yōu)缺點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1 1）材料省材料省經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì) （2 2）自重輕自重輕大跨大跨 （3 3）曲面多樣曲面多樣建筑造型豐富建筑造型豐富缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： （1 1）施工復(fù)雜，費(fèi)模板施工復(fù)雜

2、，費(fèi)模板 （2 2）保溫隔熱效果不好，易開(kāi)裂保溫隔熱效果不好，易開(kāi)裂 （3 3）曲面易引起混響與反射，不適曲面易引起混響與反射，不適合于音響效果要求高的大會(huì)堂，影劇院等。合于音響效果要求高的大會(huì)堂，影劇院等。多用于市場(chǎng)、食堂、博物館、車(chē)站、航站多用于市場(chǎng)、食堂、博物館、車(chē)站、航站樓、機(jī)庫(kù)、體育館等。樓、機(jī)庫(kù)、體育館等。3 3、常見(jiàn)型式、常見(jiàn)型式薄殼結(jié)構(gòu)分為薄殼結(jié)構(gòu)分為球殼球殼、筒殼筒殼、扁殼扁殼和和扭殼扭殼這這四種主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型。四種主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型。 球殼球殼 筒殼筒殼3 3、常見(jiàn)型式、常見(jiàn)型式 扁殼扁殼 扭殼扭殼二、曲面二、曲面理論相關(guān)知識(shí)理論相關(guān)知識(shí) 1基本概念：基本概念：（1）薄殼薄殼：殼體

3、結(jié)構(gòu)一般是由上、下兩個(gè)幾何：殼體結(jié)構(gòu)一般是由上、下兩個(gè)幾何曲面構(gòu)成的空間薄壁結(jié)構(gòu)。當(dāng)曲面構(gòu)成的空間薄壁結(jié)構(gòu)。當(dāng)不隨坐標(biāo)位置不隨坐標(biāo)位置的不同而改變時(shí)，稱(chēng)為的不同而改變時(shí)，稱(chēng)為等厚殼等厚殼；反之，稱(chēng)為；反之，稱(chēng)為變厚度殼變厚度殼。兩個(gè)曲面之間的距離稱(chēng)為殼體的。兩個(gè)曲面之間的距離稱(chēng)為殼體的厚度厚度，當(dāng)殼體結(jié)構(gòu)的兩個(gè)曲面之間的距離當(dāng)殼體結(jié)構(gòu)的兩個(gè)曲面之間的距離 （厚度）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殼體的最小曲率半徑（厚度）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于殼體的最小曲率半徑R時(shí)，稱(chēng)時(shí)，稱(chēng)為為薄殼薄殼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。（。（ 一般要求一般要求/R1/20）（2）中曲面中曲面：等分殼體各點(diǎn)厚度的幾何曲面稱(chēng)：等分殼體各點(diǎn)厚度的幾何曲面稱(chēng)為殼體的為殼體的中曲面

4、中曲面。薄殼結(jié)構(gòu)，可以?xún)H以中曲。薄殼結(jié)構(gòu)，可以?xún)H以中曲面的方程描述整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力。面的方程描述整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力。（3）高斯曲率高斯曲率：曲面上任意一點(diǎn)上的高斯曲：曲面上任意一點(diǎn)上的高斯曲率等于該點(diǎn)兩主曲率的乘積：率等于該點(diǎn)兩主曲率的乘積：K=k1k2=1/R1R2 A正高斯曲率：正高斯曲率： K=k1k20 B負(fù)高斯曲率：負(fù)高斯曲率： K=k1k251 49 時(shí)時(shí)圓頂環(huán)向圓頂環(huán)向上部受壓，上部受壓，下部受拉下部受拉。（2）殼板的構(gòu)造）殼板的構(gòu)造A.厚度：球殼因內(nèi)力不大，殼厚一般由構(gòu)造厚度：球殼因內(nèi)力不大，殼厚一般由構(gòu)造要求與穩(wěn)定確定。殼厚要求與穩(wěn)定確定。殼厚很薄，取圓頂半徑很薄，取圓

5、頂半徑的的1/600。鋼筋混凝土圓頂鋼筋混凝土圓頂： 4040裝配整體式圓頂：裝配整體式圓頂： 3030B.受壓區(qū)域，按受壓區(qū)域，按0.2的構(gòu)造配筋。的構(gòu)造配筋。C.由于支座環(huán)對(duì)邊緣有約束作用，殼板邊緣由于支座環(huán)對(duì)邊緣有約束作用，殼板邊緣附近將會(huì)產(chǎn)生局部彎矩。因此，殼板邊緣在附近將會(huì)產(chǎn)生局部彎矩。因此，殼板邊緣在（1/121/10）D（殼體直徑）的范圍內(nèi)，（殼體直徑）的范圍內(nèi)，殼厚加厚，并殼厚加厚，并配置雙層鋼筋配置雙層鋼筋。加厚部位曲線。加厚部位曲線過(guò)渡。過(guò)渡。2.支座環(huán)受力特點(diǎn)及構(gòu)造支座環(huán)受力特點(diǎn)及構(gòu)造（1）受力特點(diǎn)：）受力特點(diǎn)：殼體傳來(lái)的推力使支座環(huán)受拉，殼體傳來(lái)的推力使支座環(huán)受拉，在豎

6、向受彎、剪。在豎向受彎、剪。（2）構(gòu)造要求：）構(gòu)造要求：A.對(duì)普通混凝土梁，對(duì)普通混凝土梁，鋼筋要求焊接。鋼筋要求焊接。 B.采用預(yù)應(yīng)力環(huán)梁。采用預(yù)應(yīng)力環(huán)梁。 （用于大跨度圓頂結(jié)構(gòu)）（用于大跨度圓頂結(jié)構(gòu)） 3.殼體頂部開(kāi)洞的構(gòu)造要求：殼體頂部開(kāi)洞的構(gòu)造要求：應(yīng)在設(shè)置環(huán)梁予以加強(qiáng)。環(huán)梁與殼邊連接部位應(yīng)在設(shè)置環(huán)梁予以加強(qiáng)。環(huán)梁與殼邊連接部位產(chǎn)生局部彎矩，布置雙層鋼筋，殼板與上環(huán)梁產(chǎn)生局部彎矩，布置雙層鋼筋，殼板與上環(huán)梁的連接方式如下：的連接方式如下：由于圓頂上部受壓，故環(huán)梁內(nèi)的軸向力為由于圓頂上部受壓，故環(huán)梁內(nèi)的軸向力為壓力壓力。第三節(jié)第三節(jié) 筒殼與錐殼筒殼與錐殼由于其外形似圓柱體，故又叫柱面殼。

7、筒殼由于其外形似圓柱體，故又叫柱面殼。筒殼外形簡(jiǎn)單，是外形簡(jiǎn)單，是單曲面殼體單曲面殼體，零高斯曲率殼，零高斯曲率殼，其縱向?yàn)橹本€，有其縱向?yàn)橹本€，有橫向剛度小橫向剛度小的的缺點(diǎn)缺點(diǎn)，但其，但其最大的最大的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是是可以使用直模板可以使用直模板，施工方便，施工方便，省工省料，這也是其在歷史上最早出現(xiàn)，至省工省料，這也是其在歷史上最早出現(xiàn)，至今仍大量應(yīng)用的原因。今仍大量應(yīng)用的原因。一一. .筒殼結(jié)構(gòu)的組成與形式筒殼結(jié)構(gòu)的組成與形式1.組成：筒殼一般由組成：筒殼一般由殼板殼板、邊梁邊梁和和橫隔橫隔三部分三部分組成。組成。兩橫隔兩橫隔之間的距里之間的距里L(fēng)1稱(chēng)為筒殼的稱(chēng)為筒殼的跨度跨度；兩側(cè)邊構(gòu)兩側(cè)

8、邊構(gòu)件件（邊梁）之間的水平距里（邊梁）之間的水平距里L(fēng)2稱(chēng)為筒殼的稱(chēng)為筒殼的波長(zhǎng)波長(zhǎng)；跨度方向稱(chēng)為縱向，沿波長(zhǎng)方向稱(chēng)為橫向。不包跨度方向稱(chēng)為縱向，沿波長(zhǎng)方向稱(chēng)為橫向。不包括側(cè)邊構(gòu)件在內(nèi)的高度稱(chēng)為筒殼的括側(cè)邊構(gòu)件在內(nèi)的高度稱(chēng)為筒殼的矢高矢高 。包括包括側(cè)邊構(gòu)件在內(nèi)的高度稱(chēng)為筒殼的側(cè)邊構(gòu)件在內(nèi)的高度稱(chēng)為筒殼的截面高度截面高度h。（1）.殼板殼板：筒殼殼板的曲線線型可以是圓?。和矚ぐ宓那€線型可以是圓弧形、橢圓形、拋物線形等，一般都采用圓弧形。形、橢圓形、拋物線形等，一般都采用圓弧形。（2）.側(cè)邊構(gòu)件側(cè)邊構(gòu)件：其與殼板共同工作，整體受：其與殼板共同工作，整體受力，減少殼體的豎向及水平位移。常用的邊

9、梁力，減少殼體的豎向及水平位移。常用的邊梁形式如圖所示：形式如圖所示：邊梁的作用如下：邊梁的作用如下：A.作為殼板的縱向邊框。因殼板很薄，其邊緣作為殼板的縱向邊框。因殼板很薄，其邊緣應(yīng)予以加強(qiáng)。應(yīng)予以加強(qiáng)。B.減少殼板縱向邊緣的豎向與側(cè)向變形。減少殼板縱向邊緣的豎向與側(cè)向變形。C.作為筒殼的一部分，承受殼板傳來(lái)的力。作為筒殼的一部分，承受殼板傳來(lái)的力。D.可與挑檐、女兒墻、天溝等結(jié)合一起設(shè)計(jì)?？膳c挑檐、女兒墻、天溝等結(jié)合一起設(shè)計(jì)。（3）橫隔橫隔：是筒殼的縱向支承。其作用：是筒殼的縱向支承。其作用：A.保持殼體的形狀保持殼體的形狀B.形成筒殼的空間剛度并保證筒殼的空間工作形成筒殼的空間剛度并保證

10、筒殼的空間工作C.作為筒殼的支座承受由殼板傳來(lái)的順剪力作為筒殼的支座承受由殼板傳來(lái)的順剪力常見(jiàn)的橫隔形式如下：常見(jiàn)的橫隔形式如下：A.弧形橫隔弧形橫隔梁梁B.等高橫隔等高橫隔梁梁C.拉桿拱拉桿拱D.拱形剛架拱形剛架E.桁架桁架F.懸挑桁架懸挑桁架G.空腹桁架空腹桁架H.框架橫隔框架橫隔2.型式：根據(jù)型式：根據(jù)L1/L2比值的不同，分為比值的不同，分為長(zhǎng)殼、短長(zhǎng)殼、短殼、中長(zhǎng)殼殼、中長(zhǎng)殼二二. .筒殼的受力特點(diǎn)及構(gòu)造：筒殼的受力特點(diǎn)及構(gòu)造：筒殼是空間結(jié)構(gòu)，內(nèi)力計(jì)算比普通結(jié)構(gòu)要復(fù)雜筒殼是空間結(jié)構(gòu)，內(nèi)力計(jì)算比普通結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多。其在橫向以拱的形式承荷和傳力，在的多。其在橫向以拱的形式承荷和傳力，在曲

11、面內(nèi)產(chǎn)生橫向壓力；在縱向以縱梁的形式曲面內(nèi)產(chǎn)生橫向壓力；在縱向以縱梁的形式把荷載傳給橫隔。因此，把荷載傳給橫隔。因此，筒殼是橫向拱與縱筒殼是橫向拱與縱向梁共同作用的空間結(jié)構(gòu)向梁共同作用的空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)。當(dāng)L1/L2不同時(shí)，不同時(shí)，筒殼的受力整體也不同。筒殼的受力整體也不同。1.長(zhǎng)殼（長(zhǎng)殼（L1/ L2 3) ：（1）受力狀態(tài)受力狀態(tài)：由于跨度很大，縱由于跨度很大，縱向支承柔性很大，向支承柔性很大，即認(rèn)為殼板與邊梁即認(rèn)為殼板與邊梁共同工作，相當(dāng)于共同工作，相當(dāng)于曲面截面梁，兩端曲面截面梁，兩端橫隔是梁的支承。橫隔是梁的支承?？砂床牧狭W(xué)中的可按材料力學(xué)中的“梁理論梁理論”計(jì)算。計(jì)算?！傲毫骸痹诳v向

12、均布荷載作用下，在縱向均布荷載作用下，殼板主要處于受壓狀態(tài)，殼板主要處于受壓狀態(tài)，相當(dāng)于梁截面的受壓區(qū)，相當(dāng)于梁截面的受壓區(qū)，邊梁主要處于受拉狀態(tài)，邊梁主要處于受拉狀態(tài)，殼板和邊梁的順剪力則殼板和邊梁的順剪力則傳給橫隔。傳給橫隔。（2 2）主要）主要尺寸及構(gòu)造：尺寸及構(gòu)造：A、一般情況下，長(zhǎng)筒殼的適用跨度、一般情況下，長(zhǎng)筒殼的適用跨度L140M，波長(zhǎng)波長(zhǎng)L220M?？缍仍酱?，殼體較厚，邊梁偏高，?？缍仍酱?，殼體較厚，邊梁偏高，不經(jīng)濟(jì)；波長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，橫向彎矩大，也不經(jīng)濟(jì)。不經(jīng)濟(jì)；波長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，橫向彎矩大，也不經(jīng)濟(jì)。B、殼板厚、殼板厚（1/3001/500）L2，但不小于，但不小于50mm，由于殼板與邊梁

13、連接處橫向彎矩過(guò)大，由于殼板與邊梁連接處橫向彎矩過(guò)大，靠近邊梁附近的殼板宜加厚?？拷吜焊浇臍ぐ逡思雍?。C、矢高、矢高 （1/81/81/61/6）L L2 2， hh（1/151/151/10)L1/10)L1 1，否則，將影響殼體的強(qiáng)度和剛度；殼體邊緣坡否則，將影響殼體的強(qiáng)度和剛度；殼體邊緣坡度不宜超過(guò)度不宜超過(guò)4040度，否則，混凝土澆注時(shí)塌落，度，否則，混凝土澆注時(shí)塌落，瀝青流淌。瀝青流淌。2.短殼（短殼（L1/L20.5）：）：（1）受力特性：由于筒殼的橫隔間距很小，）受力特性：由于筒殼的橫隔間距很小，筒殼橫向的拱作用明顯，而縱向梁的傳力筒殼橫向的拱作用明顯，而縱向梁的傳力作用很小

14、，因此近似于拱的作用。即認(rèn)為作用很小，因此近似于拱的作用。即認(rèn)為殼體內(nèi)的薄膜內(nèi)力以順剪力為主，類(lèi)似嵌殼體內(nèi)的薄膜內(nèi)力以順剪力為主，類(lèi)似嵌固在橫隔上的拱板。固在橫隔上的拱板。（2）構(gòu)造：）構(gòu)造：A A、矢高、矢高 B B、配筋可按構(gòu)造確定。、配筋可按構(gòu)造確定。C C、當(dāng)、當(dāng)L L1 16 612M12M，L L2 2 30M時(shí)，殼板的厚度時(shí)，殼板的厚度隨橫隔間距的不同而不同。參見(jiàn)表隨橫隔間距的不同而不同。參見(jiàn)表5.1281L 3.中長(zhǎng)殼（中長(zhǎng)殼（0.5L1/L23） 其受力介于長(zhǎng)、短殼之間，其受力時(shí)拱和梁的其受力介于長(zhǎng)、短殼之間，其受力時(shí)拱和梁的作用都明顯，殼體既存在薄膜內(nèi)力又存在彎曲應(yīng)作用都明

15、顯，殼體既存在薄膜內(nèi)力又存在彎曲應(yīng)力，計(jì)算復(fù)雜。力，計(jì)算復(fù)雜。三、殼體屋頂天然采光與洞口處理三、殼體屋頂天然采光與洞口處理 由于筒殼覆蓋面積大，需要通過(guò)四周外墻和中由于筒殼覆蓋面積大，需要通過(guò)四周外墻和中部天窗天然采光。而殼體是個(gè)整體，天窗洞口會(huì)部天窗天然采光。而殼體是個(gè)整體，天窗洞口會(huì)直接影響到筒殼的受力，室內(nèi)空間與結(jié)構(gòu)造型，直接影響到筒殼的受力，室內(nèi)空間與結(jié)構(gòu)造型，通常有下列解決的方法：通常有下列解決的方法：橫隔的間距（橫隔的間距（m）6789101112殼板的厚度（殼板的厚度（m m ）56677889101.外墻開(kāi)側(cè)窗：框架作為橫隔，在殼端山墻外墻開(kāi)側(cè)窗：框架作為橫隔，在殼端山墻上開(kāi)采

16、光側(cè)窗，但要注意不破壞端橫隔。上開(kāi)采光側(cè)窗，但要注意不破壞端橫隔。2.玻璃磚采光孔：在筒殼混凝土中直接鑲嵌與筒殼殼玻璃磚采光孔：在筒殼混凝土中直接鑲嵌與筒殼殼板等厚的小尺寸玻璃磚。（玻璃磚不受力，故尺寸板等厚的小尺寸玻璃磚。（玻璃磚不受力，故尺寸不能太大）。不能太大）。3.縱向天窗：必須不破壞筒殼的受力性能。天窗寬不縱向天窗：必須不破壞筒殼的受力性能。天窗寬不能太大。短殼：能太大。短殼：B L2/3， 長(zhǎng)筒殼長(zhǎng)筒殼BL2/4，縱向長(zhǎng)度不，縱向長(zhǎng)度不限，但在孔洞四周應(yīng)設(shè)邊梁收口并沿孔限，但在孔洞四周應(yīng)設(shè)邊梁收口并沿孔洞縱向每隔洞縱向每隔23M設(shè)置橫撐加強(qiáng)。開(kāi)天窗設(shè)置橫撐加強(qiáng)。開(kāi)天窗后，剩下的每側(cè)

17、短筒殼要求其寬度后，剩下的每側(cè)短筒殼要求其寬度B21/3L1/3L2 2 ，且，且B2 L L1 1（當(dāng)（當(dāng)B2 L L2A.若采用短筒殼，通常短向若采用短筒殼，通常短向L2為橫隔跨度。為橫隔跨度。B.當(dāng)建筑平面短邊當(dāng)建筑平面短邊L2較大時(shí)，應(yīng)改用長(zhǎng)向布置較大時(shí)，應(yīng)改用長(zhǎng)向布置的多波單跨長(zhǎng)筒殼。但這時(shí)室內(nèi)仍將出現(xiàn)幾條的多波單跨長(zhǎng)筒殼。但這時(shí)室內(nèi)仍將出現(xiàn)幾條長(zhǎng)邊梁。長(zhǎng)邊梁。C.長(zhǎng)向布置長(zhǎng)筒殼并不合理，一般應(yīng)該短向長(zhǎng)向布置長(zhǎng)筒殼并不合理，一般應(yīng)該短向布置多波單跨長(zhǎng)筒殼。布置多波單跨長(zhǎng)筒殼。D.遇開(kāi)間寬、進(jìn)深淺的車(chē)庫(kù)、飛機(jī)庫(kù)一類(lèi)建遇開(kāi)間寬、進(jìn)深淺的車(chē)庫(kù)、飛機(jī)庫(kù)一類(lèi)建筑物，最好的方案是采用單波或多波多

18、跨短筑物，最好的方案是采用單波或多波多跨短筒殼。筒殼。筒殼結(jié)構(gòu)布置筒殼結(jié)構(gòu)布置 總之，單曲面筒殼的根本特點(diǎn)是曲面的縱向總之，單曲面筒殼的根本特點(diǎn)是曲面的縱向是直線。它既有利，又有弊。是直線。它既有利，又有弊?！爸敝薄崩谀０謇谀０宓闹谱?、架設(shè)、拆除與重復(fù)使用。然而，正由的制作、架設(shè)、拆除與重復(fù)使用。然而，正由于其縱向是直線，其橫向的抗彎強(qiáng)度與剛度非于其縱向是直線，其橫向的抗彎強(qiáng)度與剛度非常弱，與殼體結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性很不相稱(chēng)。這也是常弱，與殼體結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性很不相稱(chēng)。這也是所有的單曲面殼（包括筒殼、錐殼、劈錐殼等所有的單曲面殼（包括筒殼、錐殼、劈錐殼等通病。故此，人們嘗試著走雙曲面殼的路。在通病。故此，人們嘗試著走雙曲面殼的路。在這條路的一開(kāi)始，很自然的就與建筑物的圓頂這條路的一開(kāi)始，很自然的就與建筑物的圓頂聯(lián)系在一起了。聯(lián)系在一起了。工程實(shí)例：1、巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)第二空港樓、巴黎戴高樂(lè)機(jī)場(chǎng)第二空港樓E廳廳所在地：巴黎所在地：巴黎建造時(shí)間：建造時(shí)間：1992年建筑設(shè)計(jì)：保羅建筑設(shè)計(jì)：保羅. .安德魯安德魯結(jié)構(gòu)類(lèi)別：結(jié)構(gòu)類(lèi)別：上部結(jié)構(gòu)是混凝土筒殼2、同濟(jì)大學(xué)大禮堂、同濟(jì)大學(xué)大禮堂3、金貝爾、金貝爾美術(shù)館美