建筑結(jié)構(gòu)選型之殼體

第六章薄壁空間結(jié)構(gòu)第一節(jié)概述基本概念殼體結(jié)構(gòu)一般是由上下兩個幾何曲面構(gòu)成的空間薄壁結(jié)構(gòu)。這兩個曲面間的距離稱為殼體的厚度。平分殼體厚度的曲面為殼體的中面。當(dāng)殼厚遠小于殼體的最小曲率半徑時，稱為薄殼。通常法線法截面法截線法曲率主曲率，兩方向正交高斯曲率：兩主曲率的乘積。正高斯曲率曲面，球面、橢圓拋物面零高斯曲面，柱面、錐面負(fù)高斯曲面，雙曲拋物面矢率：矢高與底面短邊之比。扁殼：矢率小于1/5薄殼結(jié)構(gòu)的曲面形式1、旋轉(zhuǎn)曲面：由一條平面曲線（母線）繞該平面內(nèi)某一給定的直線（旋轉(zhuǎn)軸）旋轉(zhuǎn)一周所形成的曲面。旋轉(zhuǎn)殼：球形殼、橢球殼、拋物球殼、圓柱殼、錐形殼2、平移曲面：由一條豎向曲線作母線沿著另一條豎向曲線（導(dǎo)線）平行移動所形成的曲面。橢圓拋物面殼、雙曲拋物面殼3、直紋曲面：由一段直線（母線）的兩端分別沿二固定曲線（導(dǎo)線）移動所形成的曲面。柱面、柱狀面（倆導(dǎo)線曲率不同），錐面、錐狀面（一直一曲導(dǎo)線），扭曲面（倆相互傾斜但不相交的直導(dǎo)線），雙曲拋物面。薄殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以中面單位長度上的內(nèi)力作計算單元，正向力、，順剪力；橫剪力，彎矩，扭矩?zé)o矩假定：假定整個薄殼的所有橫截面上無彎矩和扭矩。無矩狀態(tài)下，薄殼的內(nèi)力只有薄膜內(nèi)力，應(yīng)力是沿薄殼厚度均勻分布的，材料強度可得到充分利用。滿足無矩理論的條件：1、殼體具有均勻連續(xù)變化的曲面，2、殼體上的荷載是均勻連續(xù)分布的，3、殼體各邊界轉(zhuǎn)角與法向位移不受約束。薄殼結(jié)構(gòu)的施工1、現(xiàn)澆混凝土殼體整體性最好；但支架與模板用量大，曲面模板制作復(fù)雜，費材費工時，因殼體太薄，無法用更有效的振搗設(shè)備，不易保證混凝土的澆注質(zhì)量，其厚度一般比預(yù)制殼板厚。2、預(yù)制單元、高空裝配成整體殼體殼體劃分成若干單元預(yù)制后在工地吊裝、拼合、固定。整體性較差。3、地面現(xiàn)澆或預(yù)制單元裝配后整體提升所需設(shè)備起重量較大4、裝配整體式疊合殼體利用鋼絲網(wǎng)水泥薄板作模板，其上澆注鋼筋混凝土現(xiàn)澆層5、采用柔模噴涂成殼薄殼的優(yōu)點：材料省、經(jīng)濟；自重小，為大跨度提供有利條件；曲面多樣化，易提供豐富多彩的建筑造型。缺點：體型復(fù)雜，現(xiàn)澆時費工費模料，施工不便；板厚太小，隔熱效果不夠好，長期日曬雨淋易開裂；天棚曲面易引起室內(nèi)聲音反射和混響。第二節(jié)圓圓頂頂薄殼一、圓頂頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)形式與與特點圓頂薄殼殼是正高斯斯曲率的的旋轉(zhuǎn)曲曲面殼，，是極古古老而近近代仍在在大量使使用的一一種結(jié)構(gòu)構(gòu)形式。。具有很很好的空空間工作作性能，，圓頂?shù)牡母采w跨跨度可以以很大而而其厚度度卻很薄薄，殼身身內(nèi)應(yīng)力力通常很很小，鋼鋼筋配置置及殼身身厚度常常由構(gòu)造造要求及及穩(wěn)定驗驗算來確確定，材材料用量量很省。。常用于于平面為為圓形的的建筑，，如雜技技院、天天文館、、劇院等等的屋蓋蓋及圓水水池的頂頂蓋。目目前最大大直徑已已達200多米米。圓頂結(jié)構(gòu)構(gòu)由殼身身、支座座環(huán)、下下部支承承構(gòu)件組組成。殼身：平滑圓頂頂（最常常用）肋形圓頂頂當(dāng)當(dāng)由于于采光要要求需將將圓頂表表面劃分分為若干干區(qū)格，，或當(dāng)殼殼體承受受集中荷荷載，或或當(dāng)殼身身厚度太太小不能能保證殼殼體的穩(wěn)穩(wěn)定性時時，或采采用裝配配整體式式時多面圓頂頂由由數(shù)個個拱形薄薄殼相交交而成支座環(huán)：：功能和和拱式結(jié)結(jié)構(gòu)中的的拉桿一一樣，可可有效地地阻止圓圓頂在豎豎向荷載載作用下下的裂縫縫開展及及破壞，，保證殼殼體基本本上處于于受壓的的工作狀狀態(tài)，并并實現(xiàn)結(jié)結(jié)構(gòu)的空空間平衡衡?？刹刹捎闷胀ㄍㄤ摻罨旎炷亮毫夯蝾A(yù)應(yīng)應(yīng)力混凝凝土梁。。支承結(jié)構(gòu)構(gòu)：1、通過過支座環(huán)環(huán)支承在在房屋的的豎向承承重構(gòu)件件上。2、支承承在斜柱柱或斜拱拱上。3、支承承在框架架上。4、直接接落地并并支承在在基礎(chǔ)上上。二、圓頂頂?shù)氖芰αμ攸c過渡點支座環(huán)的的受力邊緣處的的豎向向分量為為水水平分分量為支座環(huán)內(nèi)內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生生的拉力力為產(chǎn)生的拉拉力為三、圓頂頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)造1、圓頂頂結(jié)構(gòu)殼殼板厚度度一般由由構(gòu)造要要求確定定，建議議取圓頂頂半徑的的1/600，，現(xiàn)澆不不應(yīng)小于于40mm，裝配整體體式不應(yīng)應(yīng)小于30mm。2、在殼板內(nèi)內(nèi)受壓區(qū)區(qū)域及主主拉應(yīng)力力小于混混凝土抗抗拉強度度的受拉拉區(qū)域，，可按0.20%的最最小配筋筋率配置置構(gòu)造鋼鋼筋，直直徑不小小于4mm，間距不超超過250mm。其余部分分按計算算配筋，，鋼筋間間距不大大于150mm。厚度不大大于60mm時，彎矩矩較小區(qū)區(qū)域可采采用單層層配筋，，超過該該厚度或或當(dāng)殼體體受有沖沖擊及振振動荷載載時，應(yīng)應(yīng)采用雙雙層配筋筋。3、由于于支座環(huán)環(huán)對殼板板邊緣變變形的約約束作用用，殼板板的邊緣緣附近將將會產(chǎn)生生徑向的的局部彎彎矩。應(yīng)應(yīng)將殼板板靠近邊邊緣部分分局部加加厚，并并配置雙雙層鋼筋筋。加厚厚部分須須做成曲曲線過渡渡，加厚厚范圍不不小于殼殼體直徑徑的1/12-1/10，鋼鋼筋直徑徑為4-10mm，間距不大大于200mm。4、支座座環(huán)梁可可用普通通鋼筋混混凝土或或預(yù)應(yīng)力力混凝土土梁。非非預(yù)應(yīng)力力配筋時時，受力力鋼筋應(yīng)應(yīng)采用焊焊接接頭頭，大跨跨圓頂支支座環(huán)梁梁宜配置置預(yù)應(yīng)力力鋼筋。。5、當(dāng)建建筑上由由于通風(fēng)風(fēng)采光等等要求需需在殼體體頂部開開孔洞時時，應(yīng)在在孔邊設(shè)設(shè)圓環(huán)加加強。6、為了了方便施施工，可可采用裝裝配整體體式圓頂頂結(jié)構(gòu)。。第三節(jié)筒筒殼筒殼的組組成：殼殼身、側(cè)側(cè)邊構(gòu)件件及橫隔隔兩個橫隔隔間距離離稱為筒筒殼的跨跨度，，兩兩個側(cè)邊邊構(gòu)件間間距離稱稱為筒殼殼的波長長。。不同，筒筒殼的受受力狀態(tài)態(tài)就不同同，增增加到一一定程度度時，筒筒殼就會會象弧形形截面梁梁一樣受受力；當(dāng)當(dāng)減減小時時，筒殼殼的空間間工作性性能就愈愈來愈明明顯，這這主要反反映了橫橫隔對空空間工作作的影響響。筒殼結(jié)構(gòu)構(gòu)是橫向向拱的作作用與縱縱向梁的的作用的的綜合。。筒殼的受受力特點點長殼（））因橫隔間間距很大大，縱向向支承的的柔性很很大，殼殼體的變變形與梁梁一致，，拱圈的的剛度相相對較大大，拱圈圈可以看看成是不不變形的的，這與與梁的平平截面假假定一致致?？砂窗戳豪碚撜撚嬎?。。短殼（））因為橫隔隔間距很很小，所所以縱向向支承的的剛度很很大，拱拱圈的剛剛度相對對較小。。殼體的的彎曲內(nèi)內(nèi)力很小小，可以以忽略，，殼體內(nèi)內(nèi)力主要要是薄膜膜內(nèi)力，，可按薄薄膜理論論計算。。中長殼（））殼體的薄薄膜內(nèi)力力及彎曲曲內(nèi)力都都應(yīng)該考考慮，用用有彎矩矩理論來來分析它它的全部部內(nèi)力。。筒殼的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)造造1、短殼殼殼板的矢矢高不不應(yīng)小小于，，對對普通跨跨度的屋屋蓋，厚厚度可采采用50-100mm邊梁宜采采用矩形形截面，，其高度度一般為為，，且不應(yīng)應(yīng)小于，，寬度度為高度度的1/5-2/5。。橫隔宜采采用拉桿桿拱。當(dāng)當(dāng)波長較較大時，，也可采采用拱形形桁架。。橫隔構(gòu)件件的間距距一般采采用6-12m。殼板內(nèi)配配筋可采采用@100-160mm的雙向鋼鋼筋網(wǎng)，，配筋率率不應(yīng)低低于0.2%。。2、長殼殼長殼的截截面高度度建議采采用，，殼板的的矢高不不應(yīng)小于于波長的的1/300-1/500，，但不能能小于50mm。第四節(jié)折折板結(jié)結(jié)構(gòu)折板結(jié)構(gòu)構(gòu)是以一一定角度度整體聯(lián)聯(lián)系的薄薄板體系系。與筒筒殼沒有有本質(zhì)區(qū)區(qū)別，受受力性能能良好，，構(gòu)造簡簡單，施施工比筒筒殼方便便，模板板消耗量量少。折板結(jié)構(gòu)構(gòu)一般由由折板、、邊梁和和橫隔三三部分組組成。折板結(jié)構(gòu)構(gòu)的形式式主要有有無邊梁梁（如預(yù)預(yù)制V形板）和和有邊梁梁兩種，，有邊梁梁的折板板一般為為現(xiàn)澆結(jié)結(jié)構(gòu)，由由折板、、邊梁和和橫隔三三部分組組成，與與筒殼類類似。折板結(jié)構(gòu)構(gòu)可以有有單波和和多波，，單跨和和多跨。。板寬一一般不宜宜大于3.5m，使其厚度度不超過過100mm，頂板寬度度應(yīng)為波波長的0.25-0.4，波波長一般般不應(yīng)大大于12m，跨度可達達27m。現(xiàn)澆折板板傾角不不宜大于于30度度。折板結(jié)構(gòu)構(gòu)的受力力特點及及計算要要點根據(jù)受力力特點的的不同，，可分為為長折板板（））短折折板()。。短折板板結(jié)構(gòu)受受力與短短筒殼相相似，但但實際工工程中由由于波長長不宜太太大，故故短折板板并不多多見。常見的一一般為長長折板結(jié)結(jié)構(gòu)，受受力性能能與長筒筒殼相似似。對于于邊梁下下無中間間支承且且的的長折折板，可可沿縱橫橫方向分分別按梁梁理論計計算。在折板縱縱向，可可取一個個波長作作為計算算單元，，把折板板看成以以橫隔為為支座的的梁，折折板的截截面可折折算成T形截面或或工字形形截面。。在折板縱縱向，可可取1m板帶按多多跨連續(xù)續(xù)板計算算，折板板的轉(zhuǎn)折折處及邊邊梁處可可視為連連續(xù)板的的支座。。第五節(jié)雙雙曲曲扁殼雙曲扁殼殼由殼身身及周邊邊豎直的的邊緣構(gòu)構(gòu)件所組組成。殼身可以以是光面面的，也也可以是是帶肋的的。一般般常采用用拋物線線平移曲曲面。邊緣構(gòu)件件一般是是帶拉桿桿的拱或或拱形桁桁架，跨跨度較小小時也可可以用等等截面或或變截面面的薄腹腹梁，當(dāng)當(dāng)四周為為多柱支支承或承承重墻支支承時，，也可用用柱上的的曲梁或或墻上的的曲線形形圈梁作作邊緣構(gòu)構(gòu)件。四四周的邊邊緣構(gòu)件件在四角角交接處處應(yīng)有可可靠連接接構(gòu)造措措施，以以有效地地約束殼殼身的變變形。同同時，邊邊緣構(gòu)件件在其自自身平面面內(nèi)應(yīng)有有足夠的的剛度，，否則，，殼身內(nèi)內(nèi)將產(chǎn)生生很大的的附加內(nèi)內(nèi)力。雙曲扁殼殼的受力力特點由于其扁扁平，可可近似認(rèn)認(rèn)為雙曲曲扁殼曲曲面上的的正交曲曲線族與與其投影影平面上上相對應(yīng)應(yīng)的曲線線族并無無什么區(qū)區(qū)別，因因此可將將平板理理論中的的某些公公式直接接應(yīng)用到到雙曲扁扁殼結(jié)構(gòu)構(gòu)的計算算中來，，使計算算分析大大為簡化化。分析析結(jié)果表表明，雙雙曲扁殼殼在滿跨跨均布豎豎向荷載載作用下下的內(nèi)力力以薄膜膜內(nèi)力為為主，但但在殼體體邊緣附附近要考考慮曲面面外彎矩矩的作用用。根據(jù)對扁扁殼結(jié)構(gòu)構(gòu)的分析析，可把把殼體結(jié)結(jié)構(gòu)分為為三類區(qū)區(qū)域分別別配筋：：中央?yún)^(qū)，彎矩、、