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。第二节圆顶薄壳一、圆顶的结构形式与特点圆顶薄壳是正高斯曲率的旋转曲面壳，是极古老而近代仍在大量使用的一种结构形式。具有很好的空间工作性能，圆顶的覆盖跨度可以很大而其厚度却很薄，壳身内应力通常很小，钢筋配置及壳身厚度常由构造要求及稳定验算来确定，材料用量很省。常用于平面为圆形的建筑，如杂技院、天文馆、剧院等的屋盖及圆水池的顶盖。目前最大直径已达200多米。圆顶结构由壳身、支座环、下部支承构件组成。壳身：平滑圆顶（最常用）肋形圆顶当由于采光要求需将圆顶表面划分为若干区格，或当壳体承受集中荷载，或当壳身厚度太小不能保证壳体的稳定性时，或采用装配整体式时多面圆顶由数个拱形薄壳相交而成支座环：功能和拱式结构中的拉杆一样，可有效地阻止圆顶在竖向荷载作用下的裂缝开展及破坏，保证壳体基本上处于受压的工作状态，并实现结构的空间平衡。可采用普通钢筋混凝土梁或预应力混凝土梁。支承结构：1、通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上。2、支承在斜柱或斜拱上。3、支承在框架上。4、直接落地并支承在基础上。二、圆顶的受力特点过渡点支座环的受力边缘处的竖向分量为水平分量为支座环内产生的拉力为产生的拉力为三、圆顶的结构构造1、圆顶结构壳板厚度一般由构造要求确定，建议取圆顶半径的1/600，现浇不应小于40mm，装配整体式不应小于30mm。2、在壳板内受压区域及主拉应力小于混凝土抗拉强度的受拉区域，可按0.20%的最小配筋率配置构造钢筋，直径不小于4mm，间距不超过250mm。其余部分按计算配筋，钢筋间距不大于150mm。厚度不大于60mm时，弯矩较小区域可采用单层配筋，超过该厚度或当壳体受有冲击及振动荷载时，应采用双层配筋。3、由于支座环对壳板边缘变形的约束作用，壳板的边缘附近将会产生径向的局部弯矩。应将壳板靠近边缘部分局部加厚，并配置双层钢筋。加厚部分须做成曲线过渡，加厚范围不小于壳体直径的1/12-1/10，钢筋直径为4-10mm，间距不大于200mm。4、支座环梁可用普通钢筋混凝土或预应力混凝土梁。非预应力配筋时，受力钢筋应采用焊接接头，大跨圆顶支座环梁宜配置预应力钢筋。5、当建筑上由于通风采光等要求需在壳体顶部开孔洞时，应在孔边设圆环加强。6、为了方便施工，可采用装配整体式圆顶结构。第三节电筒壳筒壳动的组膀成：嚼壳身前、侧郑边构箱件及芝横隔两个膜横隔互间距隆离称抢为筒岁壳的旷跨度崇，睁两个弟侧边洪构件恐间距燃离称中为筒小壳的此波长茶。不同，爹筒壳的急受力状芒态就不良同，撞增加到损一定程朵度时，法筒壳就晴会象弧拌形截面怒梁一样层受力；街当湾减小拳时，筒上壳的空笛间工作帝性能就工愈来愈级明显，福这主要糕反映了爷横隔对铺空间工销作的影抖响。筒壳结杏构是横婚向拱的鞠作用与测纵向梁泼的作用弦的综合羡。筒壳的辞受力特栽点长壳（暑）因横隔肉间距很挖大，纵拣向支承移的柔性唉很大，市壳体的德变形与里梁一致障，拱圈哗的刚度磨相对较按大，拱姜圈可以常看成是窑不变形氧的，这桶与梁的榆平截面永假定一老致。可路按梁理泛论计算危。短壳（名）因为揉横隔装间距希很小痛，所罗以纵同向支窃承的猴刚度零很大撇，拱剧圈的弦刚度掩相对血较小察。壳首体的倡弯曲们内力困很小层，可猴以忽庄略，级壳体冤内力挥主要腾是薄斜膜内呢力，登可按母薄膜材理论案计算将。中长壳（槽）壳体的倦薄膜内逢力及弯嘴曲内力译都应该既考虑，鉴用有弯扫矩理论盯来分析种它的全蚀部内力付。筒壳写的结亦构构币造1、蚂短壳壳板的植矢高燃不应岁小于指，棵对普通护跨度的桥屋盖，社厚度可如采用5考0-1尿00mm边梁队宜采渣用矩技形截耻面，酿其高木度一爪般为洽，且衣不应挂小于驶，宽遗度为杠高度厚的1也/5吉-2示/5倾。横隔定宜采涉用拉竹杆拱椅。当膏波长彩较大钉时，螺也可呢采用睬拱形永桁架稠。横隔构惩件的间配距一般勿采用6叛-12m。壳板内许配筋可职采用捏@抖100铁-16迎0mm的双起向钢剩筋网攀，配流筋率怪不应努低于揪0.拌2%食。2、维长壳长壳幕的截较面高幕度建析议采鹊用眠，钳壳板傻的矢校高不智应小碑于波座长的锐1/质30导0-拥1/相50突0，坟但不详能小泛于5鸣0mm剩。第四哪节遗折铅板结垂构折板结罗构是以加一定角迎度整体糖联系的友薄板体居系。与览筒壳没段有本质扇区别，酒受力性咏能良好群，构造屿简单，遵施工比盯筒壳方楼便，模岁板消耗脉量少。折板茂结构莲一般斥由折赢板、侧边梁把和横做隔三沙部分旗组成硬。折板馅结构杆的形顿式主好要有芝无边究梁（敬如预李制V形板）闲和有边仆梁两种算，有边钩梁的折栗板一般发为现浇请结构，顺由折板驰、边梁绑和横隔邻三部分黄组成，碧与筒壳功类似。折板结汉构可以阀有单波概和多波馒，单跨埋和多跨符。板宽伴一般不恳宜大于优3.5m，使其厚皮度不超色过10舅0mm，顶板筛宽度侨应为他波长美的0浅.2防5-捐0.摆4，摸波长定一般啊不应岔大于通12m，跨度可煎达27m。现浇折条板倾角葵不宜大衬于30爸度。折板柄结构箩的受垮力特驳点及度计算掏要点根据年受力羡特点督的不积同，昏可分请为长挠折板遵（计）价短折凝板(止)斯。短折允板结构陈受力与外短筒壳捞相似，梳但实际机工程中天由于波虎长不宜押太大，速故短折护板并不极多见。常见导的一慈般为菊长折驻板结爱构，轧受力饮性能期与长斑筒壳辟相似需。对烧于边蛙梁下锻无中轧间支忌承且守的界长折记板，厉可沿谁纵横很方向庙分别缓按梁繁理论咏计算掘。在折条板纵役向，高可取笨一个训波长笛作为朴计算物单元登，把于折板作看成站以横六隔为省支座晃的梁斗，折貌板的饲截面辛可折肢算成T形截面饺或工字暖形截面讨。在折板量纵向，浸可取1m板带轧按多馋跨连灵续板穿计算阿，折命板的析转折典处及稳边梁伪处可灭视为赌连续颠板的纸支座瞧。第五损节柄双持曲扁猜壳双曲果扁壳棕由壳崭身及沿周边荣竖直警的边窜缘构辣件所往组成聚。壳身跃可以痒是光仿面的求，也渴可以菌是带皮肋的艰。一泰般常考采用砖抛物致线平赏移曲饱面。边缘该构件度一般吩是带咽拉杆巧的拱盈或拱泡形桁享架，梁跨度始较小纵时也休可以筑用等野截面猪或变讲截面蔑的薄候腹梁宿，当愤四周腿为多香柱支辣承或片承重约墙支忘承时西，也者可用皂柱上名的曲衫梁或衔墙上恨的曲剂线形隙圈梁法作边畅缘构元件。睬四周盲的边钥缘构暗件在镰四角眨交接雨处应惨有可茎靠连脸接构术造措川施，逃以有逮效地慕约束码壳身歪的变算形。框同时运，边冻缘构森件在限其自丘身平压面内逝应有及足够索的刚倚度，视否则蒜，壳拌身内渣将产酱生很淡大的国附加齿内力也。双曲虏扁壳亦的受仇力特旬点由于拴其扁喊平，风可近芽似认单为双奏曲扁胁壳曲炎面上盐的正遥交曲薯线族唉与其晃投影晓平面伴上相逐对应础的曲迟线族节并无伪什么拐区别吗，因索此可布将平定板理枯论中柱的某杆些公龙式直悔接应怕用到挠双曲顺扁壳挺结构矩的计垫算中封来，来使计聪算分清析大浩为简超化。握分析芹结果殊表明溪，双好曲扁遥壳在本满跨买均布佣竖向净荷载耐作用为下的展内力社以薄坏膜内篮力为短主，趣但在赞壳体伐边缘茂附近撇要考虹虑曲洪面外必弯矩伐的作尼用。根据页对扁纺壳结昂构的顺分析雕，可肯把壳没体结胞构分协为三消类区赖域分祥别配旺筋：中央区，弯矩买、扭矩庭、顺剪页力都很件小，主拦要内力叠为压应辱力，可骆仅按构愿造要求时配筋；边缘掌区，正尽弯矩宰较大依，需凡要配盟置抗我弯钢截筋；角隅火区，扭尊矩和