8.2壳体和折板结构体系——薄壁空间结构体系 壳体:由单曲面或双曲面板组成,以曲面的空间刚 保证结构刚度 度 折板:由平面板组成,以折板组成的空间刚度 概述:壳体结构的发展简况 自然界:果壳、贝壳、鸡蛋、头颅等 曲线优美、形态善变、厚度之薄一令人惊叹 遵循:用最少之料构成最坚之型的规律 可见:壳体是最自然、最合理、最有效、最进步的结 构型式 人类:锅、匙、碗、杯、瓶、罐、坛、乒乓球、灯泡、 钢盔、汽车壳、飞机壳等。 壳体结构的覆盖面积大,无需中柱,室内空间 开阔宽敞,用于市场、礼堂、体育馆、飞机库 用于屋盖结构: 1954、1955北京展览馆 单波多跨筒壳 上海展览馆 1959 广东,大会堂扁球壳 1960 新疆,金工车间椭圆旋转球壳 1958 北京火车站 双曲扁壳 1964 北京网球馆
1 8．2 壳体和折板结构体系——薄壁空间结构体系 壳体：由单曲面或双曲面板组成，以曲面的空间刚 度 折板：由平面板组成，以折板组成的空间刚度 概述：壳体结构的发展简况 自然界：果壳、贝壳、鸡蛋、头颅等 曲线优美、形态善变、厚度之薄—令人惊叹 遵循：用最少之料构成最坚之型的规律 可见：壳体是最自然、最合理、最有效、最进步的结 构型式 人类：锅、匙、碗、杯、瓶、罐、坛、乒乓球、灯泡、 钢盔、汽车壳、飞机壳等。 壳体结构的覆盖面积大，无需中柱，室内空间 开阔宽敞，用于市场、礼堂、体育馆、飞机库…… 用于屋盖结构： 1954、1955 北京展览馆 上海展览馆 1959 广东，大会堂 扁球壳 1960 新疆，金工车间 椭圆旋转球壳 1958 北京火车站 1964 北京网球馆 保证结构刚度 单波多跨筒壳 双曲扁壳 ……
缺点 ●现浇砼费模板、制作复杂—一壳体本身材料 与人工费比很小 影响发展 柔模喷涂成壳:帆布、 但施工材料与 钢丝网等 人工费都很高 预制壳块、高空装配 占总造价 地面现浇、整体吊装 50~70%左右 有些壳体(球壳、扁壳等)易产生回声现象 还存在计算复杂,尚需研究开孔影响、稳定、 振动、徐变等问题 壳体结构的力学特征 鸡蛋壳 δ/R=1/50 δ壳体厚度 般壳体要求δ/R<=1/20 R一曲率半径 双向直接传力——强度大 ●主要承受曲 面内的 No 轴力(双向法 N4x+△N 向力) N4+△N 顺剪力S
2 缺点： ⚫ 现浇砼费模板、制作复杂——壳体本身材料 与人工费比很小 柔模喷涂成壳：帆布、 钢丝网等 预制壳块、高空装配 地面现浇、整体吊装 ⚫ 有些壳体（球壳、扁壳等）易产生回声现象 还存在计算复杂，尚需研究开孔影响、稳定、 振动、徐变等问题 一、 壳体结构的力学特征 鸡蛋壳 /R=1/50 壳体厚度 一般壳体要求 /R<=1/20 R—曲率半径 1．双向直接传力——强度大 ⚫ 主要承受曲 面内的 轴力（双向法 向力） Nx、N 顺剪力 S 影 响 发 展 但施工材料与 人工费都很高, 占 总 造 价 50%~70%左右 + + + +
称之为曲面应力或切向力,又称为薄膜应力。沿厚度 分布均匀,经济 这层膜很薄,却能直接抗衡外荷,并直接传力给支座, 故又称这些内力为直接应力。 M+△Mx M V+△Vx i~M2+△M M V+△V M4+△Me Mb+△M M M,V环向的M和横剪力(筒壳拱圈) 弯曲内力M,Vx纵向的M和横剪力 扭矩 承受少许横向弯矩—一只有在非对称均布荷载作用时 (扭矩) (曲线外形使壳体风载很小,一般可不计;一般壳体不允许 吊挂不对称荷载) 为此,要增配钢筋,有时甚至要增加厚度,不理想。 所以,曲面的最大功能是以双向直接应力为主(横向M甚 小)抗衡并传递外荷,这也是壳之所以薄的原因。 ●中面或中心面一一因为,壳薄,所以,可认为沿厚度方向 均匀分布,一般把厚度中心的面称为中面或中心面,壳体 的线形以次为准
3 称之为曲面应力或切向力，又称为薄膜应力。沿厚度 分布均匀，经济。 这层膜很薄，却能直接抗衡外荷，并直接传力给支座， 故又称这些内力为直接应力。 M，V 环向的 M 和横剪力（筒壳拱圈） 弯曲内力 Mx，Vx 纵向的 M 和横剪力 M，Mx 扭矩 ⚫ 承受少许横向弯矩——只有在非对称均布荷载作用时 （扭矩） （曲线外形使壳体风载很小，一般可不计；一般壳体不允许 吊挂不对称荷载） 为此，要增配钢筋，有时甚至要增加厚度，不理想。 所以，曲面的最大功能是以双向直接应力为主（横向 M 甚 小）抗衡并传递外荷，这也是壳之所以薄的原因。 ⚫ 中面或中心面——因为，壳薄，所以，可认为沿厚度方向 均匀分布，一般把厚度中心的面称为中面或中心面，壳体 的线形以次为准。 Mx M + M + x M M M x M x+ M x M x+ M x M x M x Vx V Vx+ Vx V + V
●实现薄膜应力的条件: 中面的曲率是连续变化的 b.壳体厚度是逐渐变化的; 荷载是连续分布的; d.壳体的支座只在中面的切线方向阻止位移并产生反 力。 2.极大空间刚度一—刚度大 主要承受两个方向 主要承受M 法向力及顺剪力 面结构 空间结构 单曲 双曲 平板 636m2RC双向板 35335m2双曲扁壳 δ=L1/46 δ=L470 δmmn=130mm 6=80mm 主要承受双向M和Mr 主要承受曲面内轴力和 顺剪力M、M很小 3、屋面承重合即 板架合一,型式很多(T型板、V 型板 壳体厚度薄,自重轻,有利于抗震一一适用于大跨度屋 面结构 曲面形式一—按其形成的几何特点
4 ⚫ 实现薄膜应力的条件： a． 中面的曲率是连续变化的； b． 壳体厚度是逐渐变化的； c． 荷载是连续分布的； d． 壳体的支座只在中面的切线方向阻止位移并产生反 力。 2．极大空间刚度——刚度大 主要承受两个方向 主要承受 M 法向力及顺剪力 66m2R.C.双向板 3535m2 双曲扁壳 =L1/46 =L/470 min=130mm =80mm 主要承受双向 Mc 和 MT 主要承受曲面内轴力和 顺剪力,M、MT很小 3、屋面承重合一 —— 板架合一，型式很多（T 型板、V 型板……） 壳体厚度薄，自重轻，有利于抗震——适用于大跨度屋 面结构 二、 曲面形式——按其形成的几何特点 面结构 单曲 空间结构 双曲 平板 即
1、旋转曲面一一由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转 而成的曲面 球形曲面—一圆弧曲线 抛物面—抛物线 椭球面 椭圆 双曲面 双曲线 2、平移曲面一一由一竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移所 形成的曲面。这种曲面与水平面的截交线 为椭圆曲线——称为椭圆抛物面。 工程中: 导线双曲扁壳 母线 3、直纹曲面一—一段直线的两端各沿二固定曲线移动形成 的曲面叫直纹曲面。 1)双曲抛物面一—扭面 2)柱面与柱状面 3)锥面与锥状面 常用: 筒壳、球壳、双曲扁壳、扭壳、 折板、幕式结构
5 1、 旋转曲面——由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转 而成的曲面 球形曲面——圆弧曲线 抛物面 ——抛物线 椭球面 ——椭圆 双曲面 ——双曲线 2、 平移曲面——由一竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移所 形成的曲面。这种曲面与水平面的截交线 为椭圆曲线——称为椭圆抛物面。 工程中： 双曲扁壳 3、 直纹曲面——一段直线的两端各沿二固定曲线移动形成 的曲面叫直纹曲面。 1）双曲抛物面——扭面 2）柱面与柱状面 3）锥面与锥状面 常用： 筒壳、球壳、双曲扁壳、扭壳、 折板、幕式结构 母线 导线