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薄壳结构
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摘要
关键词
形态分类受力特点应用与发展案例研究
正文
由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻,覆盖大面积,无需中柱,而且其造型多变,曲线优美,表现力强,因而深受建筑师们的青睐,故多用于大跨度的建筑物,如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。


一竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成的曲面称为平移曲面。在工程中常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面,前者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相同的抛物线作导线平移而成的曲面(如下图左),后者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相反的抛物线作导线平移而成的曲面(如下图右)。

一根直线的两端沿二固定曲线移动而成的曲面称为直纹曲面。工程中常见的直纹曲面有以下几种:
、扭壳
如下图所示的双曲抛物面,也可按直纹曲面的方式形成。扭曲面则是用一根直母线沿两根相互倾斜且不相交的直导线平行移动而成的曲面。

柱面是由直母线沿一竖向曲导线移动而成的曲面。柱状面是由一直母线沿着两根曲率不同的竖向曲导线移动,并始终平行于一导平面而成(如下图所示)。

锥面是一直线沿一竖向曲导线移动,并始终通过一定点而成的曲面。锥状面是由一直线一端沿一根直线、另一端沿另一根曲线,与一指向平面平行移动而成的曲面。(如下图所示)

圆顶结构是极古老的建筑形式,古人仿效洞穴穹顶,建造了众多砖石圆顶,其中多为空间拱结构。直到近代,由于人们对圆顶结构的受力性能的了解,以及钢筋混凝土材料的应用,采用钢筋混凝土建造的圆顶结构仍然在大量的应用。

圆顶薄壳由壳板、支座环、下部支承结构三部分组成。

按壳板的构造不同,圆顶薄壳可分为平滑圆顶、肋形圆顶和圆顶薄壳的组成多面圆顶三种,其中,平滑圆顶在工程中应用最为广泛。
平滑圆顶肋形圆顶多面圆顶


圆顶薄壳的下部支承结构一般有以下几种:①圆顶薄壳通过支座环直接支承在房屋的竖向承重结构上,如砖墙、钢筋混凝土柱等。这时径向推力的水平分力由支座环承担,竖向支承构件仅承受径向推力的竖向分力。②圆顶薄壳可支承于框架上,由框架结构把径向推力传给基础。③但当结构跨度较大时,由于推力很大,支座环的截面尺寸就很大,这样既不经济,也不美观。圆顶薄壳可以通过周围顺着壳体底缘切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱,把推力传给基础。④圆顶薄壳像落地拱直接落地并支承在基础。

一般情况下壳板的径向和环向弯矩较小,可以忽略,壳板内力可按无弯矩理论计算。在轴向对称荷载作用下,圆顶径向受压,径向压力在壳顶小,在壳底大;圆顶环向受力,则与壳板支座边缘处径向法线与旋转轴的夹角φ大小有关,当φ≤51度49时,圆顶环向全部受压;当φ>51度49时,圆顶环向上部受压,下部受拉力(如图所示)。
径向应力状态环向应力状态环向应力状态
支座环对圆顶壳板起箍的作用,承受壳身边缘传来的推力。一般情况下,该推力使支座环在水平面内受拉,在竖向平面内受弯矩、剪力。当时,支座环内不产生拉力,仅承受竖向平面的内力(如下图)。

圆柱形薄壳的壳板为柱形曲面,由于外形既似圆筒,又似圆柱体,故既称为圆柱形薄壳,也称为柱面壳。

圆柱形薄壳由壳板、
边梁及横隔三部分组成。
两个边梁之间的距离,称
为波长;两个横隔之间的
距离称为跨度。圆柱形薄
壳的跨度与波长的比例
常常是不同的。一般当≥
1时,称为长壳,一般为
多波形;当<1时,称为
短壳,大多为单波多跨。
圆柱形薄壳壳板的曲线线形可以是圆弧形、椭圆形、抛物线等,一般都采用圆弧形,可减少采用其他线形所造成的施工困难。并且壳板边缘处的边坡(即切线的水平倾角φ)不宜过大,否则不利于混凝土浇筑,一般φ取35°~40°。壳体截面的总高度一般不应小于(1/10~1/15) ,矢高不应小于/8。壳板的厚度一般为50~80mm,一般不宜小于35mm。壳板与边梁连接处可局部加厚,以抵抗此处局部的横向弯矩。

圆柱形薄壳是空间结构,内力计算比普通结构要复杂得多。圆柱形薄壳与筒拱的外形都为筒形,极其相似,常为人混淆,但两者的受力本质是不同的。筒拱两端是无横隔支承的,而圆柱形薄壳两端是有横隔支承的。因而两者在承荷和传力上有着本质的区别。筒拱是横向以拱的形式单向承荷和传力的,纵向不