薄壁结构-1030课件

第5章

钢筋混凝土

空间薄壁结构1.概念

2.圆顶

3.筒壳和锥壳

4.双曲扁壳

5.扭壳

6.折板

7.雁形板

8.幕结构天津南美风情酒店（水母酒店）1.概述薄壁结构的概念结构的厚度远小于长度和宽度，一般由金属或钢筋混凝土材料制成，受力特点为空间受力体系。1.概述1.1薄壳结构的概念概念：壳体结构：上下两个几何曲面构成的薄壁空间结构等厚度壳：两个曲面之间的距离（壳体的厚度）处处相等薄壳：壳体的厚度远小于最小曲率半径R时称为薄壳1.概述1.1薄壳结构的概念受力主要为力矩（双向弯矩和扭矩）薄壳：受力主要为双向轴力和顺剪力利用其空间几何形状的合理性，空间受力实现了很大的强度和刚度薄壳与平板受力比较1.概述1.1薄壳结构的概念1.“薄”，优点材料省，经济；自重小，适合大跨度；曲面多样化，建筑造型丰富。薄壳结构的特点2.“空间受力”，优点内力比较均匀，强度大，刚度大；空间整体工作性能好。3.缺点：体型复杂，现浇施工时费工费摸料，施工不便；板厚太小，隔热效果不够好；长期日晒雨淋容易开裂；壳伴天棚曲面容易引起室内声音反射和混响，大会堂、影剧院、体育馆等不宜采用。K=k1k2一开口壳体的中曲面a：被这个曲面所覆盖的底面最短边壳顶：底面以上的中曲面上的最高点O矢高f:壳顶到底面之间的距离矢率：f/a；矢率很小的壳体称为扁壳钢筋混凝土结构中，f/a≤5时，可按扁壳结构壳体的参数1.概述1.2薄壳结构的曲面形式（1）旋转曲面：由一条平面曲线绕该平面内某一给定直线旋转一周所形成的曲面冷却塔1.概述1.2薄壳结构的曲面形式（2）平移曲面：由一条竖向曲线沿另一条竖向曲线（母线）平行移动形成的曲面椭圆抛物面1.概述1.2薄壳结构的曲面形式（2）平移曲面：由一条竖向曲线沿另一条竖向曲线（母线）平行移动形成的曲面双曲抛物面双曲抛物面1.概述1.2薄壳结构的曲面形式（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）移动形成柱面（圆柱面、椭圆柱面、抛物柱面等），柱状面1.概述1.2薄壳结构的曲面形式（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）移动形成锥形面、劈锥曲面锥形面、劈锥曲面1.概述1.2薄壳结构的曲面形式（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）移动形成扭曲面1.概述1.3薄壳结构的内力

壳体结构的内力薄膜内力（计算单位：中曲面单位长度的内力）1.概述1.3薄壳结构的内力

薄膜内力（计算单位：中曲面单位长度的内力）薄膜内力是主要内力的条件：（1）曲面结构壁厚满足（2）壳体曲面均匀连续变化（3）壳体上的荷载均匀连续分布（4）壳体各边界能沿曲面的发现方向自由移动，支座只产生阻止曲面切线方向位移的反力1.概述1.4薄壳结构的施工（1）现浇混凝土壳体特点：整体性最好；费支架和模板；曲面模板制作费料费工；混凝土质量不易保证。1.概述1.4薄壳结构的施工（2）预制单元、高空装配成整体壳体特点：模板量少；高空作业量大大减少，故工期短；缺点是整体抗震性能较差。1.概述1.4薄壳结构的施工（3）地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升特点：高空作业量减少；脚手架减少；提升时需要临时加固。1.概述1.4薄壳结构的施工（4）装配整体式叠合壳体（钢丝网水泥薄板做模板）（5）柔模喷涂成壳体（抗拉性能比较好的柔性材料做模板，如棉麻织物、草苇钢丝网等）圆顶是正高斯曲率的旋转曲壳其形式有：球面壳、椭球面壳、旋转抛物面壳2.圆顶适用于平面为圆形的建筑，如展览馆、天文馆、圆形水池的顶盖等穹拱式的造型及其四周传力的受力特点，可以实现跨度很大厚度却很薄，同时壳体内力很小。—圆顶结构用料很少。直径25m半球形圆顶壳体厚度60mm施工方法：喷射法自重200kg/m2椭球面壳2.1圆顶的结构组成及结构型式1）壳身结构2.圆顶采光要求；集中力时；厚度太小；装配整体式结构时最常见建筑平面为正多边形时意大利佛罗伦萨圣玛利亚白花大教堂（文艺复兴时期）（世界上第一座大圆顶）2.1圆顶的结构组成及结构型式2）支座环2.圆顶2）支座环横截面型式2.1圆顶的结构组成及结构型式3）支撑结构2.圆顶支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支座环承担径向推力的水平分量竖向支撑承担径向推力的竖直分量支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）2.1圆顶的结构组成及结构型式3）支撑结构2.圆顶支撑在斜柱或斜拱上缺点：柱脚或拱脚使基础受到水平推力优点：平、立面布置灵活，表现力比较强2.1圆顶的结构组成及结构型式3）支撑结构2.圆顶支撑在斜柱或斜拱上2.1圆顶的结构组成及结构型式3）支撑结构2.圆顶支撑在框架上由框架将水平推力传给基础。框架要有足够刚度。2.1圆顶的结构组成及结构型式3）支撑结构2.圆顶直接落地并支撑在基础上球壳边缘全部落地，基础同时作为受拉支座环梁；割球壳，基础必须能够承受水平拉力（可以在各基础之间设拉杆平衡）2.2圆顶的受力特点1）圆顶的破坏图形2.圆顶均布竖向荷载作用下，球壳上部承受环向压力，下部承受环向拉力由于砖砌体或混凝土的抗拉强度较低所以，球壳首先在圆顶下部沿经向出险多条裂缝此时支座环内的钢筋发挥作用荷载进一步加大，钢筋屈服，圆顶破坏2.2圆顶的受力特点2）圆顶的薄膜内力2.圆顶单位环向弧长的经向轴力单位经向弧长的环向轴力2.2圆顶的受力特点2）圆顶的薄膜内力2.圆顶球形圆拱在自重作用下薄膜内力沿经线的变化2.2圆顶的受力特点3）支座环的受力2.圆顶利用薄膜内力N1计算壳身在支座环处的经向轴力N1全部直接传给下部结构，支座环拉力为零2.2圆顶的受力特点3）支座环的受力2.圆顶利用薄膜内力N2计算2.3圆顶工程实例（罗马小体育馆）2.圆顶巨大荷叶似的屋顶。反扣在36根丫形斜倾的柱子上，整个屋顶采用棱形槽板拼接而成，其用去了大大小小厚度只有25毫米的棱形槽板1620块。在槽板与槽板之间的空隙放上钢筋，再浇上混凝土，形成拱助。槽板上面再浇上一层40毫米的钢筋混凝土，加强穹拱的整体性，同时作为防水层。

2.3圆顶工程实例（罗马小体育馆）2.圆顶为什么又单单要用36根支柱呢？因为圆屋顶最外圈正好108块槽板，用36个斜撑，则刚好使每二块有一个斜撑，而且丫形柱是倾斜的，顺着拱的力线把拱的推力传到埋在地下的环形基础上去。穹顶的外缘皱折成波形，防止产生不利的弯矩，同时又加大了窗子的高度，取得了优美的视觉效果，这样更显示出体育用的效果。这棱形的槽板和交叉细细的弧形助形成一个精致的图案，像一朵凹凸相间的葵花。整体看去，就像蛋壳一样一张巨大半透明的网笼罩着，当人从室内向外看去，就像人坐在空中一样。那浅灰色的丫形斜撑，好像就用一个小小的指头支撑着屋顶，整个穹拱仿佛悬浮在空中，似乎观众一阵掌声就能把它送到九霄云外去。2.3圆顶工程实例（罗马小体育馆）2.圆顶1.钢筋混凝土网肋扁球壳结构，球壳直径59.13m2.球壳采用装配整体式叠合结构1620块预制钢丝网水泥菱形构件作为模板，现浇上混凝土，成为肋形球壳3.壳肋支撑在36根Y形斜柱上斜柱的倾角与壳底边缘经向切线方向一致，把推力传入基础2.3圆顶工程实例

（德国法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅）2.圆顶1.球形建筑，正六边形割球壳，球壳半径50m，矢高25m，底平面为正六边形2.球壳支撑在六个点上，支撑点之间、球壳的边缘是拱券形3.球壳切口由边缘桁架支撑，跨度为43.3m2.3圆顶工程实例

（美国麻省理工学院礼堂）

2.圆顶3.壳面荷载通过薄壳的三个边传至支座。1.屋顶为球面薄壳，薄壳曲面由1/8球面构成，是由三个与水平面夹角相等且通过球心的大圆从球面上切割的2.平面形状为48m*41.5m的曲边三角形2.3圆顶工程实例

2.圆顶3.1筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳3.1筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳3.1筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳侧边构件的作用：与壳身共同工作，整体受力。一方面作为壳体的受拉区域集中布置纵向受拉钢筋，另一方面可以提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移和水平位移。3.1筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳侧边构件常见的截面型式3.1筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳横隔的作用：作为筒壳的横向支撑，承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构去。有没有横隔是筒壳结构与筒拱结构的根本区别。3.1筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳常见的筒壳横隔型式a)变高度梁，适用于波长不大的壳体b)拱架，常用于竖向荷载基本对称的壳体c)弧形桁架，波长较大时，使用比较经济d)刚架，波长不大及带有承受水平推力的附属建筑物中使用，净空间较大，用料较多。3.2筒壳的受力特点3.筒壳与锥壳横向：与拱类似，壳身产生环向压力纵向：与梁类似，把上部竖向荷载传递给横隔3.2筒壳的受力特点3.筒壳与锥壳三种情况

3.3筒壳的工程实例3.筒壳与锥壳美国田纳西州金贝尔艺术馆3.3筒壳的工程实例3.筒壳与锥壳美国田纳西州金贝尔艺术馆3.3筒壳的工程实例3.筒壳与锥壳美国田纳西州金贝尔艺术馆1.现浇钢筋混凝土结构平顶过度带（管道空间）2.三组连续平行的拱壳3.每个拱壳6.5m*30m

3.3筒壳的工程实例3.筒壳与锥壳山西平遥棉织厂2.带肋的预制装配式结构

1.三个平行的锥壳屋顶3.每个锥壳36m*12m每个预制单元12m*1.8m3.3筒壳的工程实例3.筒壳与锥壳同济大学大礼堂1.钢筋混凝土联方网格型筒壳结构2.预制杆件，高空拼装并现浇节点混凝土3.平面40m*56m

，矢高8-8.5m双曲扁壳的概念：

薄壳的矢高f与被其覆盖的底面最短边a之间的比值f/a≤1/5的壳体。又称为微弯平板。4.双曲扁壳优点：

矢高小，结构空间小，屋面面积相应减小，比较经济；

平面多变，适用于圆形、正多边形、矩形等建筑平面。4.1双曲扁壳的结构组成4.