壳体结构知识点T29

3.7壳体结构

壳体结构由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。壳体结构可做成各种形状，以适应工程造形的需要，因而广泛应用于工程结构中，如大跨度建筑物顶盖、中小跨度屋面板、工程结构与衬砌、各种工业用管道压力容器与冷却塔、反应堆安全壳、无线电塔、贮液罐等。工程结构中采用的壳体多由钢筋混凝土做成，也可用钢、木、石、砖或玻璃钢做成。

中国国家大剧院位于北京市中心天安门广场西，人民大会堂西侧，西长安街以南，由国家大剧院主体建筑及南北两侧的水下长廊、地下停车场、人工湖、绿地组成，总占地面积11.89万平方米，总建筑面积约16.5万平方米，其中主体建筑10.5万平方米，地下附属设施6万平方米，总投资额26.88亿人民币（大剧院最新公布的造价数字是31亿元人民币）。由法国建筑师保罗·安德鲁主持设计，设计方为法国巴黎机场公司。南通体育会展中心体育场悉尼歌剧院3.7.1概述圆形筒仓（1/10）、万神庙（43.6m；7-0.6m）罗马小体育馆,61m；壁壳25mm；肋条110mm几何特征—曲面;结构特征—空间薄壁结构;受力特征—薄膜内力（拉压剪，以压为主）;破坏特征—压屈失稳;目前的构造做法和施工技术：采用骨架式壳面；用预制装配式分片式浇筑；重复使用模具，利用永久性模具和充气模具。壳体结构（shellstructure）由曲面形板与边缘构件（梁、拱或桁架）组成的空间结构。

壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。当整个薄壳的所有横截面均没有弯矩和扭矩时，由中面的拉伸、压缩、剪切变形产生的正向力和顺剪力被称为理想的薄膜内力。壳体曲面3.7.2壳体结构的曲面形式直纹平移曲面曲纹平移曲面（1）旋转曲面（2）平移曲面上述各类的曲面的切割组合壳体曲面的几何性质：（1）旋转曲面：母线绕平面内一根轴线旋转而成1）球形曲面（1）2）圆锥曲面（2）3）旋转双曲面（3）（2）直纹平移曲面：直母线，两端各沿两固定曲导线平行移动而成

1）柱曲面（4、5）2）锥面（6、7）3）扭面（8）3.7.2壳体结构的曲面形式运动的线段称为的母线控制母线运动的线为导线（3）曲纹平移曲面

椭圆抛物面：竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成

双曲抛物面：母线与导线均为抛物线，但曲率相反（4）上述三种曲面切割、组合形成的曲面其他的的曲面面划分分方法法（略））：（1）曲率率半径径R和曲率率1/R（2）主曲曲率1/R1、1/R2和高斯斯曲率率K（3）单曲曲面（（展开开面））双曲面面（不不可展展开面面）（4）按高高斯曲曲率划划分正高斯斯曲率率壳、、负高高斯曲曲率壳壳、零零高斯斯曲率率壳3.7.3圆球壳壳体（1）圆球壳壳体是圆球球体的的一个个截段段，为为旋转转曲面面族，，属于于正高高斯曲率的的同向向双曲曲面壳壳。在轴对对称竖竖向或或经向向荷载载作用用下，，竖拱拱上半半部有有下陷陷的倾倾向，，下半半部有有外扩扩的倾倾向。。这种种倾向向被水水平圆圆环所所阻。。使得上上半部部水平平圆环环受压压、下下半部部水平平圆环环受拉拉。界限：：φ=45-52°°对非半半圆球球壳结结构（（φ＜90°°）的组组成和和受力力的概概念相相同。。大部部分处处于薄薄膜状状态，，其内内力称称薄膜膜内力力，只只有局局部区区域产产生弯弯曲。。壳体处处于薄薄膜状状态的的条件件：壳体边边缘的的支承承方向向应在在其中中面的的切线线的方方向，，而且且允许许壳体体沿中中面法法线方方向自自由变变形。。壳体所所受荷荷载应应连续续分布布，集集中荷荷载下下有弯弯曲内内力。。壳体的的厚度度和曲曲率都都是逐逐渐变变化的的。当球壳壳是支支承在在环梁梁、斜斜拱或或斜柱柱上时时，这这些支支承会会约束束壳体体受载载后的的变形形，产产生局局部弯弯曲及及局部部区域域的弯弯曲应应力。。球壳承承受的的薄膜膜内力力（略））（1）承受受沿球球面的的法向向荷载载q（2）在竖竖向均均布活活载p作用下下:支承环环对壳壳身边边缘有有约束束作用用。在支承承环附附近的的狭窄窄区域域内发发生数数值不不甚大大且衰衰减很很快的的经向向弯矩矩。所以壳壳身在在支承承环附附近适适当加加厚并并配双双层钢钢筋，，也可可以采采用预预应力力混凝凝土支支承环环。（2）骨架架式壳壳体由刚性性杆件件组成成，除除承受受轴向向内力力外，，也可可承受受弯矩矩；1）径向向肋式式（a）：取消壳壳面，，保留留径向向肋和和水平平环梁梁（或或取消消壳面面和水水平环环梁，，在径径向肋肋条间间再做做平行行的次次肋条条）2）网格格式（（b、c、d）：取消壳壳面和和所有有径向向及环环梁3）同心心环梁梁式（（e、f）：同径向向肋式式但方方格间间加设设斜杆杆或交交叉斜斜杆（（或取取消肋肋条，，在环环梁间间形成成三角角形网网格））网状状筒筒拱拱3.7.4筒形壳壳体直纹平平移曲曲面族族的一一类，，属于于零高高斯曲曲率的的单面面壳；；影响筒筒形壳壳体的的结构构特征征的因因素：：横截截面形形状、、支撑撑条件件、边边缘构构件、、跨度度和边边缘尺尺寸。。横截面面形状状：圆弧、、抛物物线、、双曲曲线、、椭圆圆等；；单/多波筒筒体、、反放放筒体体、对对称、、不对对称筒筒体、、组合合筒体体和交交叉筒筒体。。支承条条件：：两端横横向、、纵向向连续续、纵纵向多多点支支承边缘构构件：：梁、墙墙、基基础、、柱、、拱跨度：：单跨、、连续续多跨跨筒壳的的内力力分析析有三三种：：1）l1/l2≥3，长筒筒壳：：建筑筑力学学中梁梁的理理论2）l1/l2≤1/2，短筒筒壳：：薄膜膜理论论3）1/2＜l1/l2＜3，中长长筒壳壳：半半弯矩矩理论论工程常常用长筒壳壳的估估算要要点（（略）：1）筒壳壳视为为两端端支撑撑在横横隔构构件上上的曲曲线截截面梁梁2）拱圈圈3）参照照梁的的配筋筋配置置长筒筒体的的抗弯弯、抗抗剪钢钢筋并并保证证纵向向受压压稳定定4）横隔隔构件件按偏偏心受受拉构构件设设计估估算长筒壳壳的壳身身大部部分是是多波波式；；筒壳截截面总总高度度H不宜小小于（（1/15~1/10）l1其中l1可达30m，壳身身矢高高f≥（l2/8）；与壳身身截面面对应应的圆圆心角角不宜宜大于于900（φ≤450），300时较好好；壳板厚厚50~80mm；边梁应应设置置纵向向受拉拉钢筋筋，由由于可可以进进行壳壳底水水平侧侧移的的约束束，有有时将将边梁梁水平平放置置。短筒壳壳一般为为多跨跨，纵纵向应应力分分布则则呈曲曲线关关系；；短筒壳壳壳顶顶有纵纵向拉拉应力力，纵纵向最最大压压应力力也不不发生生在壳壳顶处处。一般跨跨度为为l1=6~12m,l2=18~30m,失高f≥（l2/8）壳板构构造筋筋φ4~φ6，@100~160mm3.7.5双曲抛抛物面面壳体体（简简称双双抛面面）双曲抛抛物面面壳体体又称扭扭壳，，属于于负高高斯曲曲面的的双曲曲壳。。单块双双抛面面壳的的几何何特征征类似似于一一个马马鞍形形。结构特特征：：由扭壳壳面和和4个直线线形边边缘构构件及及其支支承组组成，，支承承点可可以是是1、2、3、4或多点点。矩形底底面的的单块块双抛抛面壳壳体屋屋盖的的底边边边长长比a:b一般为为1~2为宜。。单倾倾单单块块双双抛抛面面壳壳的的f/b以1:2~1:4为宜宜，，双双倾倾单单块块双双抛抛面面壳壳以以1:2~1:8为宜宜。。双抛抛面面是一一个个扁扁平平的的马马鞍鞍形形的的移移动动面面，，由由沿沿一一个个凹凹向向（（凸凸向向））抛抛物物线线导导线线并并与与它它相相垂垂直直的的凸凸向向（（凹凹向向））抛抛物物线线母母线线移移动动而而成成。。它在在马马鞍鞍面面上上同同时时形形成成一一个个矩形形坐坐标标系系，其其中中每每一一根根纤纤维维都都是是斜直直线线；两组组正正交交的的斜斜直直线线又又可可看看成成一一系系列列正正交交的的上凸凸受受压压拱拱和下凹凹受受拉拉索索的组组合合，，他他们们都都支支承承在在两两侧侧的的边缘缘构构件件上。北京京：：燕燕山山石石化化化化肥肥库库（双双曲曲扁扁壳壳屋屋盖盖、、薄薄壳壳边边缘缘构构件件为为带带拉拉杆杆的的拱拱））北京京燕燕山山：：钢钢筋筋混混凝凝土土组组合合双双曲曲抛抛物物面面屋屋盖盖补充充：：折折板板结结构构北京京：：燕燕山山石石化化某某仓仓库库（（折折板板结结构构））某折折板板结结构构水水泵泵房房（（外外景景））某折折板板结结构构水水泵泵房房（（内内景景））折板板结结构构通常常预预制制生生产产，，为为增增大大使使用用跨跨度度，，可可沿沿折折板板纵纵向向施施加加预预应应力力，，一一般般可可在在预预应应力力台台座座上上采采用用先先张张法法施施工工。。每每两两块块折折板板可可以以象象折折页页一一样样折折拢拢，，便便于于吊吊装装运运输输。。吊吊装装就就位位后后再再打打开开折折板板，，搁搁置置在在预预先先准准备备好好的的三三角角形形支支座座上上。。根据据折折板板打打开开后后的的角角度度，，可可以以改改变变折折板板的的有有效效高高度度h，以适适应应不