05建筑结构选型_薄壁空间结构

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1、第五章空间薄壁结构5.1概述5.2圆顶壳5.3筒壳与锥壳5.4双曲扁壳5.5双曲抛物面扭壳5.6折板5.7雁形板5.8幕结构金螳螂建建建城市环境建院滕育梅15.1概述壳体的概念自然界中有非常丰富的壳体结构，如蛋壳、贝壳、果壳等。在日常生活中，壳体结构的应用也相当普遍，如锅、碗、坛、罐……以后工业逐渐发达，造出了灯泡、钢盔、木舟、机壳等不胜枚举。它们都是以最少的材料构成特定的使用空间金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述壳体的概念壳体是指由内外两个几何曲面构成的空间薄壁结构(thin-walledstructure)，也称曲面结构。这两个曲

2、面之间的距离称为壳体的厚度δ。在壳体结构中，当其厚度远小于其最小曲率半径R时，这种壳体称为薄壳结构。建筑工程中所遇到的壳体，多属于薄壳结构的范畴只有空间受力的结构体系才能够很好地解决大跨度屋盖的问题，而且只有空间体系的结构才能组成富有造型特点的屋盖形式金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述壳结构的演变两边支承的单向板只有一个方向受弯，另一个方向的抗弯能力根本没有利用如果把做成四边支承的双向板，那么，双向受弯，两向共同受荷，则材料的抗弯潜力得到较充分的发挥在相同荷载作用下，双向板比单向板的跨度可以大1.3~1.8倍金螳螂建建建城市环境建院

3、滕育梅5.1概述壳结构的演变双向板虽然是四边支承而起双向受力的作用，但还是平面结构，它的内力还是弯矩把平板做成曲板，曲板的内力就改变为受压为主，受压比受弯更能发挥材料的性能，尤其是多向受压，处于空间状态更加有利。金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述壳结构的演变横向受荷传力的梁起“担”的作用，不能材尽其用，并非经济的结构形式；以曲梁承荷传力的拱起“顶”的作用，能进一步发挥材力，是较先进的结构形式壳体与此相仿，以曲板承荷传力，而且更进一步，它不像拱是单向受荷传力的平面结构，而是双向受荷传力的空间结构，起双向“顶”的作用金螳螂建建建城市环

4、境建院滕育梅5.1概述定义壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄璧结构两曲面间的距离，即壳体的厚度δ•δ不随坐标变化时称为等厚度壳体，反之称为变厚度壳体平分壳体厚度的曲面叫做壳体的中面划分设R为中面的曲率半径，在max(δ/R)＜1/20的情况下，壳体可按照薄壳理论进行计算，所得结果与按厚壳理论计算所得结果比较起来，误差一般不超过通常工程上所容许的计算误差（5％）根据上述不等式而将壳体划分成薄壳与厚壳两类实际应用的壳体通常是很薄的，多数在下列范围内：1/1000＜δ/R＜l/50金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述壳体的受

5、力特点在薄壳理论中，为了方便计算，一般不用应力（单位面积上的内力）作为计算单位，而是以中曲面单位长度上的内力作为计算单位。对于一般的壳体结构，这样的内力一共有8对：正向应力：Nx、Ny，顺剪力：Sxy=Syx，横剪力：Vx,Vy，弯矩：Mx,My，扭矩;Mxy=Myx壳体结构的内力薄膜内力金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述壳体的受力特点上述内力可分为两类：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。理想的薄膜没有抵抗弯曲和扭曲的能力，在荷载作用下只能产生正向应力Nx、Ny和顺剪力Sxy=Syx，这三对内力通称为薄膜内力理论分

6、析表明：当曲面结构的壁厚小于其最小主曲率半径的1/20，并能满足下列条件时，薄膜内力是壳体结构中的主要内力：•壳体具有均匀连续变化的曲面•壳体上的荷载是均与连续分布的•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金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述薄壳的特点（优点）薄壳必须具备两个条件：•曲面•刚性•理解为四边支承的曲板。主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重强度和刚度主要依靠几何形状的合理性，而不是结构截面尺寸得到空间整体工作性能良好，内力均匀，结构自重小强度高、刚度大、材料省、经济合理曲面多样

7、化，丰富建筑造型金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述薄壳的特点（缺点）体型复杂现浇结构时费工费模板材料，施工不便板厚太小，结构厚度和保温隔热都靠这几公分厚的材料，隔热效果不好长期日晒雨淋容易开裂壳板的曲面容易引起室内声音反射和混响，对声音效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等不宜采用薄壳的适用范围薄壳的适用范围很广，可覆盖各种形状的建筑物屋盖金螳螂建建建城市环境建院滕育梅5.1概述薄壳的曲面构成在任意形状的壳的中面上某一点m可作法线mn。包含该法线可作一系列的平面，各平面与中面相交可得许多具有确定方向的平面曲线，其中有两条相互

8、垂直或正交的曲线r和t的曲率具有极值，一条曲率最大，另一条曲率最小，这两条曲线的曲率称为曲面在该点的主曲率，用k1、k2表