薄壁空间结构.doc

薄壁空间结构
在本小节中我们要给大家介绍各种薄壁空间结构体系的组成、优缺点及适用范围;各种薄壁空间结构体系的合理布置原则及及受力特点。
一、薄壳结构的概念
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。这两个曲面之间的距离称为壳体的厚度t。当厚度t远小于壳体的最小曲率半径时,称为薄壳。一般在建筑工程中所遇到的壳体,常属于薄壳结构的范畴。
在面结构中,平板结构主要受弯曲内力,包括双向弯矩和扭矩,如图1-65a。薄壁空间结构如图1-95b所示的壳体,它的厚度t远小于壳体的其它尺寸(如跨度),属于空间受力状态,主要承受曲面内的轴力(双向法向力)和顺剪力作用,弯矩和扭矩都很小。
图1-65 面结构
(a)平板结构(b)曲面结构(壳)
薄壁空间结构,由于它主要承受曲面内的轴力作用,所以材料强度得到充分利用;同时由于它的空间工作,所以具有很高的强度及很大的刚度。薄壳空间结构内力比较均匀,是一种强度高、刚度大、材料省、既经济又合理的结构型式。
薄壁空间结构常用于中、大跨度结构,如展览大厅,飞机库、工业厂房、仓库等。在一般的民用建筑中也常采用薄壳结构。
薄壁空间结构在应用中也存在一些问题,由于它体形复杂,一般采用现浇结构,所以费模板、费工时,往往因此而影响它的推广。同时在设计方面,薄壁空间结构的计算过于复杂。
二、薄壳空间结构的曲面形式
薄壳结构中曲面的形式,按其形成的几何特点可以分成以下三类:

由一平面曲线(或直线)作母线绕其平面内的一根轴线旋转而成的曲面,称为旋转曲面。
在薄壁空间结构中,常用的旋转曲面有球形曲面、旋转抛物(椭圆)面、圆锥曲面、旋转双曲面等,分别见图1-66。
图1-66 旋转曲面
(图1-67)
一根直母线,其两端各沿两固定曲导线(或为一固定曲导线,一固定直导线)平行移动而成的曲面,称为直纹曲面。一般有:
(1)柱曲面(一根直母线沿两根曲率方向和大小相同的竖向曲导线移动而成)或柱状曲面(一根直母线沿两根曲率方向相同但大小不同的竖向曲导线始终平行于导平面移动而成) 它们又都称单曲柱面,分别见图1-67。
(2)锥面(一根直母线一端沿一竖向曲导线,另端通过一定点移动而成)或锥状面(同上,但另端为一直线,母线移动时始终平行于导平面), 后者又称劈锥曲面,分别见图1-67。
(3)扭面(一根直母线在两根相互倾斜又不相交的直导线上平行移动而成), 见图1-67。
直纹曲面建造时模板易于制作,常被采用。
图1-67 直纹曲面
(图1-68)
由一根竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成。其中,母线与导线均为抛物线且曲率方向相同者称椭圆抛物面,因为这种曲面与水平面的截交曲线为一椭圆;母线与导线均为抛物线。
图1-68 平移曲面
4. 切割或组合曲面
由上述三类曲面切割组合形成的曲面
建筑师能根据平面及空间的需要,通过对曲面的切割或组合,形成千姿百态的建筑造型。曲面切割的形式如图1-99a是著名建筑师萨瑞南的设计的美国麻省理工学院大会堂的建筑造型。再如图1-99b,是著名建筑结构大师托罗哈1933年建造的西班牙Algeciras市场的建筑造型。又如,双曲抛物面可近似看作用一系列直线相连的两个圆盘以相反方向旋转而成,扭面实际上是双曲抛物面中沿直纹方向切割出的一部分(图1-69c)。
图1-69 曲面切割示意图
曲面的组合多种多样。图1-70a是两个柱形曲面正交的造型;图1-70b是八个双曲抛物面组合后的造型;图1-70c是六个扭壳组合后的造型。
图1-70 曲面组合示意图
三、薄壳结构的内力
对于一般的壳体结构,中曲面单位长度上的内力一共有8对,它们是轴向力Nx、Ny;顺剪力Sxy=Syx;横剪力Vx、Vy;弯矩Mx、My以及扭矩Mxy=Myx,见图1-71。
图1-71 壳体结构的内力
a)壳体结构的内力 b)薄膜内力
上述内力可以分为两类,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。理想的薄膜在荷载作用下只能产生轴向力N
x、Ny和顺剪力Sxy=Syx,见图1-71b。因此,这三对内力通称为薄膜内力。
弯曲内力是由于中曲面的曲率和扭率的改变而产生的,它包括有横剪力Vx、Vy;弯矩Mx、My以及扭矩Mxy=Myx。理论分析表明:当曲面结构的壁厚t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。
在本小节中我们要给大家介绍筒壳结构体系的组成、优缺点及适用范围;筒壳结构体系的合理布置原则及及受力特点。
历史上出