建筑结构选型之壳体

第六章薄壁空间结构第一节概述基本概念壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构。这两个曲面间的距离称为壳体的厚度。平分壳体厚度的曲面为壳体的中面。当壳厚远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。通常法线法截面法截线法曲率主曲率，两方向正交高斯曲率：两主曲率的乘积。正高斯曲率曲面，球面、椭圆抛物面零高斯曲面，柱面、锥面负高斯曲面，双曲抛物面矢率：矢高与底面短边之比。扁壳：矢率小于1/5薄壳结构的曲面形式1、旋转曲面：由一条平面曲线（母线）绕该平面内某一给定的直线（旋转轴）旋转一周所形成的曲面。旋转壳：球形壳、椭球壳、抛物球壳、圆柱壳、锥形壳2、平移曲面：由一条竖向曲线作母线沿着另一条竖向曲线（导线）平行移动所形成的曲面。椭圆抛物面壳、双曲抛物面壳3、直纹曲面：由一段直线（母线）的两端分别沿二固定曲线（导线）移动所形成的曲面。柱面、柱状面（俩导线曲率不同），锥面、锥状面（一直一曲导线），扭曲面（俩相互倾斜但不相交的直导线），双曲抛物面。薄壳结构的内力以中面单位长度上的内力作计算单元，正向力、，顺剪力；横剪力，弯矩，扭矩无矩假定：假定整个薄壳的所有横截面上无弯矩和扭矩。无矩状态下，薄壳的内力只有薄膜内力，应力是沿薄壳厚度均匀分布的，材料强度可得到充分利用。满足无矩理论的条件：1、壳体具有均匀连续变化的曲面，2、壳体上的荷载是均匀连续分布的，3、壳体各边界转角与法向位移不受约束。薄壳结构的施工1、现浇混凝土壳体整体性最好；但支架与模板用量大，曲面模板制作复杂，费材费工时，因壳体太薄，无法用更有效的振捣设备，不易保证混凝土的浇注质量，其厚度一般比预制壳板厚。2、预制单元、高空装配成整体壳体壳体划分成若干单元预制后在工地吊装、拼合、固定。整体性较差。3、地面现浇或预制单元装配后整体提升所需设备起重量较大4、装配整体式叠合壳体利用钢丝网水泥薄板作模板，其上浇注钢筋混凝土现浇层5、采用柔模喷涂成壳薄壳的优点：材料省、经济；自重小，为大跨度提供有利条件；曲面多样化，易提供丰富多彩的建筑造型。缺点：体型复杂，现浇时费工费模料，施工不便；板厚太小，隔热效果不够好，长期日晒雨淋易开裂；天棚曲面易引起室内声音反射和混响。第二节圆圆顶顶薄壳一、圆顶顶的结构构形式与与特点圆顶薄壳壳是正高斯斯曲率的的旋转曲曲面壳，，是极古古老而近近代仍在在大量使使用的一一种结构构形式。。具有很很好的空空间工作作性能，，圆顶的的覆盖跨跨度可以以很大而而其厚度度却很薄薄，壳身身内应力力通常很很小，钢钢筋配置置及壳身身厚度常常由构造造要求及及稳定验验算来确确定，材材料用量量很省。。常用于于平面为为圆形的的建筑，，如杂技技院、天天文馆、、剧院等等的屋盖盖及圆水水池的顶顶盖。目目前最大大直径已已达200多米米。圆顶结构构由壳身身、支座座环、下下部支承承构件组组成。壳身：平滑圆顶顶（最常常用）肋形圆顶顶当当由于于采光要要求需将将圆顶表表面划分分为若干干区格，，或当壳壳体承受受集中荷荷载，或或当壳身身厚度太太小不能能保证壳壳体的稳稳定性时时，或采采用装配配整体式式时多面圆顶顶由由数个个拱形薄薄壳相交交而成支座环：：功能和和拱式结结构中的的拉杆一一样，可可有效地地阻止圆圆顶在竖竖向荷载载作用下下的裂缝缝开展及及破坏，，保证壳壳体基本本上处于于受压的的工作状状态，并并实现结结构的空空间平衡衡。可采采用普通通钢筋混混凝土梁梁或预应应力混凝凝土梁。。支承结构构：1、通过过支座环环支承在在房屋的的竖向承承重构件件上。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础上上。二、圆顶顶的受力力特点过渡点支座环的的受力边缘处的的竖向向分量为为水水平分分量为支座环内内产产生生的拉力力为产生的拉拉力为三、圆顶顶的结构构构造1、圆顶顶结构壳壳板厚度度一般由由构造要要求确定定，建议议取圆顶顶半径的的1/600，，现浇不不应小于于40mm，装配整体体式不应应小于30mm。2、在壳板内内受压区区域及主主拉应力力小于混混凝土抗抗拉强度度的受拉拉区域，，可按0.20%的最最小配筋筋率配置置构造钢钢筋，直直径不小小于4mm，间距不超超过250mm。其余部分分按计算算配筋，，钢筋间间距不大大于150mm。厚度不大大于60mm时，弯矩矩较小区区域可采采用单层层配筋，，超过该该厚度或或当壳体体受有冲冲击及振振动荷载载时，应应采用双双层配筋筋。3、由于于支座环环对壳板板边缘变变形的约约束作用用，壳板板的边缘缘附近将将会产生生径向的的局部弯弯矩。应应将壳板板靠近边边缘部分分局部加加厚，并并配置双双层钢筋筋。加厚厚部分须须做成曲曲线过渡渡，加厚厚范围不不小于壳壳体直径径的1/12-1/10，钢钢筋直径径为4-10mm，间距不大大于200mm。4、支座座环梁可可用普通通钢筋混混凝土或或预应力力混凝土土梁。非非预应力力配筋时时，受力力钢筋应应采用焊焊接接头头，大跨跨圆顶支支座环梁梁宜配置置预应力力钢筋。。5、当建建筑上由由于通风风采光等等要求需需在壳体体顶部开开孔洞时时，应在在孔边设设圆环加加强。6、为了了方便施施工，可可采用装装配整体体式圆顶顶结构。。第三节筒筒壳筒壳的组组成：壳壳身、侧侧边构件件及横隔隔两个横隔隔间距离离称为筒筒壳的跨跨度，，两两个侧边边构件间间距离称称为筒壳壳的波长长。。不同，筒筒壳的受受力状态态就不同同，增增加到一一定程度度时，筒筒壳就会会象弧形形截面梁梁一样受受力；当当减减小时时，筒壳壳的空间间工作性性能就愈愈来愈明明显，这这主要反反映了横横隔对空空间工作作的影响响。筒壳结构构是横向向拱的作作用与纵纵向梁的的作用的的综合。。筒壳的受受力特点点长壳（））因横隔间间距很大大，纵向向支承的的柔性很很大，壳壳体的变变形与梁梁一致，，拱圈的的刚度相相对较大大，拱圈圈可以看看成是不不变形的的，这与与梁的平平截面假假定一致致。可按按梁理论论计算。。短壳（））因为横隔隔间距很很小，所所以纵向向支承的的刚度很很大，拱拱圈的刚刚度相对对较小。。壳体的的弯曲内内力很小小，可以以忽略，，壳体内内力主要要是薄膜膜内力，，可按薄薄膜理论论计算。。中长壳（））壳体的薄薄膜内力力及弯曲曲内力都都应该考考虑，用用有弯矩矩理论来来分析它它的全部部内力。。筒壳的结结构构造造1、短壳壳壳板的矢矢高不不应小小于，，对对普通跨跨度的屋屋盖，厚厚度可采采用50-100mm边梁宜采采用矩形形截面，，其高度度一般为为，，且不应应小于，，宽度度为高度度的1/5-2/5。。横隔宜采采用拉杆杆拱。当当波长较较大时，，也可采采用拱形形桁架。。横隔构件件的间距距一般采采用6-12m。壳板内配配筋可采采用@100-160mm的双向钢钢筋网，，配筋率率不应低低于0.2%。。2、长壳壳长壳的截截面高度度建议采采用，，壳板的的矢高不不应小于于波长的的1/300-1/500，，但不能能小于50mm。第四节折折板结结构折板结构构是以一一定角度度整体联联系的薄薄板体系系。与筒筒壳没有有本质区区别，受受力性能能良好，，构造简简单，施施工比筒筒壳方便便，模板板消耗量量少。折板结构构一般由由折板、、边梁和和横隔三三部分组组成。折板结构构的形式式主要有有无边梁梁（如预预制V形板）和和有边梁梁两种，，有边梁梁的折板板一般为为现浇结结构，由由折板、、边梁和和横隔三三部分组组成，与与筒壳类类似。折板结构构可以有有单波和和多波，，单跨和和多跨。。板宽一一般不宜宜大于3.5m，使其厚度度不超过过100mm，顶板宽度度应为波波长的0.25-0.4，波波长一般般不应大大于12m，跨度可达达27m。现浇折板板倾角不不宜大于于30度度。折板结构构的受力力特点及及计算要要点根据受力力特点的的不同，，可分为为长折板板（））短折折板()。。短折板板结构受受力与短短筒壳相相似，但但实际工工程中由由于波长长不宜太太大，故故短折板板并不多多见。常见的一一般为长长折板结结构，受受力性能能与长筒筒壳相似似。对于于边梁下下无中间间支承且且的的长折折板，可可沿纵横横方向分分别按梁梁理论计计算。在折板纵纵向，可可取一个个波长作作为计算算单元，，把折板板看成以以横隔为为支座的的梁，折折板的截截面可折折算成T形截面或或工字形形截面。。在折板纵纵向，可可取1m板带按多多跨连续续板计算算，折板板的转折折处及边边梁处可可视为连连续板的的支座。。第五节双双曲曲扁壳双曲扁壳壳由壳身身及周边边竖直的的边缘构构件所组组成。壳身可以以是光面面的，也也可以是是带肋的的。一般般常采用用抛物线线平移曲曲面。边缘构件件一般是是带拉杆杆的拱或或拱形桁桁架，跨跨度较小小时也可可以用等等截面或或变截面面的薄腹腹梁，当当四周为为多柱支支承或承承重墙支支承时，，也可用用柱上的的曲梁或或墙上的的曲线形形圈梁作作边缘构构件。四四周的边边缘构件件在四角角交接处处应有可可靠连接接构造措措施，以以有效地地约束壳壳身的变变形。同同时，边边缘构件件在其自自身平面面内应有有足够的的刚度，，否则，，壳身内内将产生生很大的的附加内内力。双曲扁壳壳的受力力特点由于其扁扁平，可可近似认认为双曲曲扁壳曲曲面上的的正交曲曲线族与与其投影影平面上上相对应应的曲线线族并无无什么区区别，因因此可将将平板理理论中的的某些公公式直接接应用到到双曲扁扁壳结构构的计算算中来，，使计算算分析大大为简化化。分析析结果表表明，双双曲扁壳壳在满跨跨均布竖竖向荷载载作用下下的内力力以薄膜膜内力为为主，但但在壳体体边缘附附近要考考虑曲面面外弯矩矩的作用用。根据对扁扁壳结构构的分析析，可把把壳体结结构分为为三类区区域分别别配筋：：中央区，弯矩、、