第5章_薄壳结构

SystemandSelectionofBuildingStructures土木工程学院第5章钢筋混凝土空间薄壁结构第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.1薄壳结构的概念思考:一个鸡蛋能受多大的压力？F1=?壳体结构的强度和刚度主要是利用其几何形状的合理性，而不是以增大其结构截面尺寸取得的，这是薄壳结构与拱式结构相似之处。CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述梁式结构拚架结构刚架结构拱式结构平面受力结构面内:承受屋面板传来的竖向荷载面外:需设支撑体系保证安全及稳定平面受力结构体系的特点:优点:荷载为单向传递，计算分析方便，结构施工吊装方便。缺点:结构内力较大，材料强度得不到充分发挥，随着结构材料用量的增加，空间整体性能下降，结构安全性降低。CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.1薄壳结构的概念随着材料的发展、施工技术的进步及计算机分析软件的应用，给空间结构体系的发展提供了有力的支持。空间结构体系薄壁结构网架及网壳结构悬索结构膜结构杂交结构钢筋混凝土大跨空间薄壁结构由曲面形薄板构成的薄壳结构由平板构成的折板、雁形板、幕结构CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.1薄壳结构的概念CentralSouthUniversityofForestry&Technology壳体结构是由上下两个几何曲面所构成的薄壁空间结构。两个曲面之间的距离称为壳体的厚度δ。等厚度壳：壳体厚度δ不随坐标的位置不同而改变变厚度壳：壳体厚度δ随坐标的位置不同而改变薄壳：当壳体厚度δR（曲率半径）时，称为薄壳厚壳或中厚度壳：与上相反薄壳承重：主要靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重薄壳的强度和刚度：利用其几何形状的合理性薄壳结构的优点：空间整体工作性能良好、内力比较均匀、强度高、刚度大、省材而经济合理第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.1薄壳结构的概念•等厚度壳•薄壳概念比较优点薄膜内力双轴力顺剪力壳体平板双弯矩扭矩空间受力薄膜内力材料强度充分利用很大的强度、刚度•壳体结构CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.1薄壳结构的概念中曲面：等分壳体各点厚度的几何曲面中曲面的几何性质取决于曲面上曲线的弧长与曲率高斯曲率)1(112121RRkkK法截线曲面的几何性质CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.1薄壳结构的概念中曲面：等分壳体各点厚度的几何曲面，中曲面的几何性质取决于曲面上曲线的弧长与曲率切平面：通过曲面上的任一点o法截面：通过法线on₁可以做无数的平面，称为法截面法截线：法截面与曲面相交的曲线称为法截线法曲率：这些法截线在o处的曲率称为法曲率主曲率：在o点处的所有法曲率中，有两个极值，称为o点的两个主曲率，它们中一个是最大值，一个是最小值主方向：对应于每一个主曲率的方向称为曲面在o点的主方向，两个主方向是相互正交的。曲率线：在曲面的每点处在主方向上的两根切线，这些切线围成了两组互成正交的曲线网，称为曲率线CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.1薄壳结构的概念按高斯曲率分类零高斯曲率（圆柱面）正高斯曲率（椭圆抛物面）负高斯曲率（双曲抛物面）21kkK零高斯曲率正高斯曲率负高斯曲率000CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.2薄壳结构的曲面形式由一条平面曲线绕着该平面内某一指定的直线旋转一周所形成的曲面1、旋转曲面CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.2薄壳结构的曲面形式由一条竖向曲线做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双曲抛物面2、平移曲面CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.2薄壳结构的曲面形式2、平移曲面椭圆抛物面双曲抛物面CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.2薄壳结构的曲面形式3、直纹曲面由一段直线（母线）的两端分别沿着二固定曲线（导线）移动所形成的曲面柱面扭曲面扭曲面也可认为是从双曲抛物面中沿直纹方向截取的一部分CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.2薄壳结构的曲面形式3、直纹曲面•劈锥曲面由一段直线（母线）沿一直导线和一根竖向曲导线移动并始终平行于一导平面形成的曲面由一段直线（母线）沿一竖向曲线（导线）移动并始终通过一定点形成的曲面•锥面:劈锥曲面锥面CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.2薄壳结构的曲面形式4、曲面的组合双曲扁壳柱壳扭壳锥形壳劈锥壳CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.3薄壳结构的内力壳体结构的内力薄膜内力xNyNyxxySS薄膜内力：弯曲内力：双轴力顺剪力双弯矩扭矩横向剪力xMyMyxxyMMxVyVCentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.3薄壳结构的内力内力可以分为两类，作用于中曲面内的薄膜内力和作用于中曲面外的弯曲内力。理想的薄壳没有抵抗弯曲和扭曲的能力。分析表明：当曲面结构的壁厚t小于其最小主曲率半径R的二十分之一并能满足下列条件时，薄膜内力是壳体结构中的主要内力:(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)壳体的各边界能够沿着曲面的法线方向自由移动，支座只产生阻止曲面切线方向位移的反力。CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.4薄壳结构的施工方法现浇混凝土壳体预制单元、高空装配成整体壳体地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升装配整体叠合壳采用柔模喷涂成壳预应力混凝土结构第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.1概述5.1.4薄壳结构的施工方法蜂巢芯薄壁箱体CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.0概述北京天文馆CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.0概述美国麻省理工学院（MIT）礼堂（球壳平面为正三角形）CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.0概述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3.壳面荷载通过薄壳的三个边传至支座。CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.1圆顶的结构组成及结构型式组成1）壳身结构圆顶的壳身结构壳身支座环下部支承CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.1圆顶的结构组成及结构型式2.支座环阻止裂缝开展保证壳体处于受压工作状态实现结构的空间平衡作用：支座环CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.1圆顶的结构组成及结构型式3.支承结构的类型•支承在竖向承重构件上•支承在框架上•直接落地并支承在基础上•支承在斜柱或斜拱上斜拱CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.2圆顶的受力特点1）圆顶的破坏圆顶的坐标及薄膜内力2）圆顶的薄膜内力壳面单元体的主要内力经向应力状态环向应力状态CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.2圆顶的受力特点球形圆顶在自重作用下薄膜内力沿经线的变化CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.2圆顶的受力特点3）支座环的受力支座环承受壳身边缘传来的推力，该推力使支座环在水平面内受拉，在竖向平面内受弯。根据薄膜力N1计算支座环的拉力根据薄膜力N2计算支座环的拉力CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.3圆顶的结构构造支座环边缘的约束弯矩及配筋构造图环梁预应力筋布置内环粱与壳板的连接CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.4圆顶的工程实例罗马小体育宫钢筋混凝土网肋形扁球壳结构；球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板，与壳板现浇成整体的肋形球壳；壳肋——葵花图案,具有装饰性；采用36根Y字型斜柱支承结构明朗轻快富有表现力；施工时起重机安装在中央天窗处十分合理。CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.2圆顶5.2.4圆顶的工程实例CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.3筒壳与锥壳5.3.1筒壳的结构组成边梁(侧边构件)：是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别横隔板CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.3筒壳与锥壳5.3.1筒壳的结构组成侧边构件截面形式筒壳边梁的型式a最经济b适用于边梁下有墙或圈梁上的建筑c适用于小型筒壳d边梁可兼作排水沟CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.3筒壳与锥壳5.3.1筒壳的结构组成筒壳横隔型式横隔板的型式CentralSouthUniversityofForestry&Technology第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.3筒壳与锥壳5.3.2筒壳的受力特点是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别筒壳纵向与梁类似把上部竖向荷载传递给横隔横向与拱类似壳身产生环向压力长壳短壳第5章钢筋混凝土空间薄壁结构5.3筒壳与锥壳5.3.2筒壳的受力特点按梁理论计算横向拱的作用小；纵向梁传力显著。近似梁作用横向拱的作用明显；纵向梁传力作用很小。近似拱作用内力主要为薄膜内力，按薄膜理论计算3/21ll长壳短壳2/1/21ll中长壳3/2/121ll拱和梁的作用都明显。存在薄膜内力和弯曲内力，按弯矩理论或半弯矩理论