建筑结构选型-第五章钢筋混凝土空间薄壁结构.ppt

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1、建筑结构选型-第五章钢筋混凝土空间薄壁结构 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望天津南美风情酒店（水母酒店）1.概述薄壁结构的概念结构的厚度远小于长度和宽度，一般由金属或钢筋混凝土材料制成，受力特点为空间受力体系。1.概述1.1 薄壳结构的概念概念：概念：壳体结构：上下两个几何曲面构成的薄壁空间结构壳体结构：上下两个几何曲面构成的薄壁空间结构等厚度壳：两个曲面之间的距离（壳体的厚度）处处相等等厚度壳：两个曲面之间的距离（壳体的厚度）处处相等薄壳：壳体的厚

2、度远小于最小曲率半径薄壳：壳体的厚度远小于最小曲率半径R时称为薄壳时称为薄壳1.概述1.1 薄壳结构的概念受力主要为力矩（双向弯矩和扭矩）受力主要为力矩（双向弯矩和扭矩）薄壳：受力主要为双向轴力和顺剪力薄壳：受力主要为双向轴力和顺剪力利用其空间几何形状的合理性，空间受力利用其空间几何形状的合理性，空间受力实现了很大的强度和刚度实现了很大的强度和刚度薄薄壳壳与与平平板板受受力力比比较较1.概述1.1 薄壳结构的概念1.“薄薄”，优点材料省，经济；，优点材料省，经济；自重小，适合大跨度；自重小，适合大跨度；曲面多样化，建筑造型丰富。曲面多样化，建筑造型丰富。薄薄壳壳结结构构的的特特点点2.“空间受

3、力空间受力”，优点内力比较均匀，强度大，刚度大；，优点内力比较均匀，强度大，刚度大；空间整体工作性能好。空间整体工作性能好。3.缺点：体型复杂，现浇施工时费工费料，施工不便；缺点：体型复杂，现浇施工时费工费料，施工不便；板厚太小，隔热效果不够好；板厚太小，隔热效果不够好；长期日晒雨淋容易开裂；长期日晒雨淋容易开裂；壳伴天棚曲面容易引起室内声音反射和混响，壳伴天棚曲面容易引起室内声音反射和混响，大会堂、影剧院、体育馆等不宜采用。大会堂、影剧院、体育馆等不宜采用。K=k1k2一开口壳体的中曲面一开口壳体的中曲面a：被这个曲面所覆盖的底面最短边被这个曲面所覆盖的底面最短边壳顶：壳顶：底面以上的中曲面

4、上的最高点底面以上的中曲面上的最高点O矢高矢高f:壳顶到底面之间的距离壳顶到底面之间的距离矢率：矢率：f/a；矢率很小的壳体称为扁壳；矢率很小的壳体称为扁壳钢筋混凝土结构中，钢筋混凝土结构中，f/af/a1/51/5时，可按扁壳结构时，可按扁壳结构壳体的参数壳体的参数1.概述1.2 薄壳结构的曲面形式（1 1）旋转曲面：）旋转曲面：由一条平面曲线绕该平面内某一给定直线旋转一周所形成的曲面由一条平面曲线绕该平面内某一给定直线旋转一周所形成的曲面冷却塔冷却塔1.概述1.2 薄壳结构的曲面形式（2 2）平移曲面：）平移曲面：由一条竖向曲线（母线）沿另一条竖向曲线（导线）平行移动由一条竖向曲线（母线）

5、沿另一条竖向曲线（导线）平行移动形成的曲面形成的曲面椭圆抛物面椭圆抛物面1.概述1.2 薄壳结构的曲面形式（2 2）平移曲面：）平移曲面：由一条竖向曲线沿另一条竖向曲线（母线）平行移动形成的曲面由一条竖向曲线沿另一条竖向曲线（母线）平行移动形成的曲面双曲抛物面双曲抛物面双曲抛物面双曲抛物面1.概述1.2 薄壳结构的曲面形式（3 3）直纹曲面：）直纹曲面：由一段直线（母线）的两端分别沿两固定曲线（导线）移动形成由一段直线（母线）的两端分别沿两固定曲线（导线）移动形成柱面（圆柱面、椭圆柱面、抛物柱面等），柱状面柱面（圆柱面、椭圆柱面、抛物柱面等），柱状面1.概述1.2 薄壳结构的曲面形式（3 3）

6、直纹曲面：）直纹曲面：由一段直线（母线）的两端分别沿两固定曲线（导线）移动形成由一段直线（母线）的两端分别沿两固定曲线（导线）移动形成锥形面、劈锥曲面锥形面、劈锥曲面锥形面、劈锥曲面锥形面、劈锥曲面1.概述1.2 薄壳结构的曲面形式（3 3）直纹曲面：）直纹曲面：由一段直线（母线）的两端分别沿两固定曲线（导线）移动形成由一段直线（母线）的两端分别沿两固定曲线（导线）移动形成扭曲面扭曲面1.概述1.3 薄壳结构的内力 壳体结构的内力壳体结构的内力 薄膜内力薄膜内力（计算单位：中曲面单位长度的内力）1.概述1.3 薄壳结构的内力薄膜内力薄膜内力（计算单位：中曲面单位长度的内力）薄膜内力是主要内力的

7、条件：薄膜内力是主要内力的条件：（1 1）曲面结构壁厚满足）曲面结构壁厚满足（2 2）壳体曲面均匀连续变化）壳体曲面均匀连续变化（3 3）壳体上的荷载均匀连续分布）壳体上的荷载均匀连续分布（4 4）壳体各边界能沿曲面的法线方向自由移动，）壳体各边界能沿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支座只产生阻止曲面切线方向位移的反力1.概述1.4 薄壳结构的施工（1 1）现浇混凝土壳体）现浇混凝土壳体 特点：整体性最好；特点：整体性最好；费支架和模板；费支架和模板；曲面模板制作费料费工；曲面模板制作费料费工；混凝土质量不易保证。混凝土质量不易保证。1.概述1.4 薄壳结构的施工（

8、2 2）预制单元、高空装配成整体壳体预制单元、高空装配成整体壳体 特点：模板量少；特点：模板量少；高空作业量大大减少，故工期短；高空作业量大大减少，故工期短；缺点是整体抗震性能较差。缺点是整体抗震性能较差。1.概述1.4 薄壳结构的施工（3 3）地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升 特点：高空作业量减少；特点：高空作业量减少；脚手架减少；脚手架减少；提升时需要临时加固。提升时需要临时加固。1.概述1.4 薄壳结构的施工（4 4）装配整体式叠合壳体装配整体式叠合壳体 （钢丝网水泥薄板做模板）（钢丝网水泥薄板做模板）（5 5）柔模喷涂成壳体柔模喷涂成壳体 （抗拉

9、性能比较好的柔性材料做模板，（抗拉性能比较好的柔性材料做模板，如棉麻织物、草苇、钢丝网等）如棉麻织物、草苇、钢丝网等）1.5 预应力薄壳结构圆顶是正高斯曲率的旋转曲壳其形式有：球面壳、椭球面壳、旋转抛物面壳其形式有：球面壳、椭球面壳、旋转抛物面壳2.圆顶 适用于平面为圆形的建筑，如展览馆、天文馆、适用于平面为圆形的建筑，如展览馆、天文馆、圆形水池的顶盖等圆形水池的顶盖等 穹拱式的造型及其四周传力的受力特点，可以穹拱式的造型及其四周传力的受力特点，可以实现跨度很大厚度却很薄，同时壳体内力很小。实现跨度很大厚度却很薄，同时壳体内力很小。圆顶结构用料很少。圆顶结构用料很少。直径25m半球形圆顶壳体厚

10、度60mm施工方法：喷射法自重200kg/m2椭球面壳椭球面壳2.1圆顶的结构组成及结构型式1 1）壳身结构）壳身结构2.圆顶采光要求；集中力时；采光要求；集中力时；厚度太小；装配整体式结构时厚度太小；装配整体式结构时最常见最常见建筑平面为正多边形时建筑平面为正多边形时意大利 佛罗伦萨 圣玛利亚白花大教堂（文艺复兴时期）（世界上第一座大圆顶）2.1圆顶的结构组成及结构型式2 2）支座环）支座环2.圆顶2 2）支座环）支座环横截面型式横截面型式2.1圆顶的结构组成及结构型式3 3）支撑结构）支撑结构2.圆顶支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支座环承担径向推力的水平分

11、量支座环承担径向推力的水平分量竖向支撑承担径向推力的竖直分量竖向支撑承担径向推力的竖直分量支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）2.1圆顶的结构组成及结构型式3 3）支撑结构）支撑结构2.圆顶支撑在斜柱或斜拱上支撑在斜柱或斜拱上缺点：缺点：柱脚或拱脚使基础受到水平推力柱脚或拱脚使基础受到水平推力优点：优点：平、立面布置灵活，表现力比较强平、立面布置灵活，表现力比较强2.1圆顶的结构组成及结构型式3 3）支撑结构）支撑结构2.圆顶支撑在斜柱或斜

12、拱上支撑在斜柱或斜拱上2.1圆顶的结构组成及结构型式3 3）支撑结构）支撑结构2.圆顶支撑在框架上支撑在框架上由框架将水平推力传给基础。框架要有足够刚度。由框架将水平推力传给基础。框架要有足够刚度。2.1圆顶的结构组成及结构型式3 3）支撑结构）支撑结构2.圆顶直接落地并支撑在基础上直接落地并支撑在基础上球壳边缘全部落地，基础同时作为受拉支座环梁；球壳边缘全部落地，基础同时作为受拉支座环梁；割球壳，基础必须能够承受水平拉力（可以在各基础之间设拉杆平衡）割球壳，基础必须能够承受水平拉力（可以在各基础之间设拉杆平衡）2.2 圆顶的受力特点1 1）圆顶的破坏图形）圆顶的破坏图形2.圆顶均布竖向荷载作

13、用下，球壳上部承受环向压力，下部承受环向拉力由于砖砌体或混凝土的抗拉强度较低所以，球壳首先在圆顶下部沿经向出险多条裂缝球壳首先在圆顶下部沿经向出险多条裂缝此时支座环内的钢筋发挥作用荷载进一步加大，钢筋屈服，圆顶破坏荷载进一步加大，钢筋屈服，圆顶破坏2.2 圆顶的受力特点2 2）圆顶的薄膜内力）圆顶的薄膜内力2.圆顶单位环向弧长的经向轴力单位环向弧长的经向轴力单位经向弧长的环向轴力单位经向弧长的环向轴力2.2 圆顶的受力特点2 2）圆顶的薄膜内力）圆顶的薄膜内力2.圆顶球形圆拱在自重作用下薄膜内力沿经线的变化球形圆拱在自重作用下薄膜内力沿经线的变化2.2 圆顶的受力特点3 3）支座环的受力）支座

14、环的受力2.圆顶利用薄膜内力利用薄膜内力N N1 1计算计算壳身在支座环处的经向轴力壳身在支座环处的经向轴力N1N1全部直接传给下部结构，全部直接传给下部结构，支座环拉力为零支座环拉力为零2.2 圆顶的受力特点3 3）支座环的受力）支座环的受力2.圆顶利用薄膜内力利用薄膜内力N N2 2计算计算2.3 圆顶工程实例（罗马小体育馆）2.圆顶巨大荷叶似的屋顶。反扣在巨大荷叶似的屋顶。反扣在3636根丫形斜倾的柱子上，整个屋顶采用棱形槽根丫形斜倾的柱子上，整个屋顶采用棱形槽板拼接而成，其用去了大大小小厚度只有板拼接而成，其用去了大大小小厚度只有2525毫米的棱形槽板毫米的棱形槽板16201620块。

15、在槽块。在槽板与槽板之间的空隙放上钢筋，再浇上混凝土，形成拱助。板与槽板之间的空隙放上钢筋，再浇上混凝土，形成拱助。槽板上面再浇槽板上面再浇上一层上一层4040毫米的钢筋混凝土，加强穹拱的整体性，同时作为防水层。毫米的钢筋混凝土，加强穹拱的整体性，同时作为防水层。2.3 圆顶工程实例（罗马小体育馆）2.圆顶为什么又单单要用36根支柱呢？因为圆屋顶最外圈正好108 块槽板，用36个斜撑，则刚好使每二块有一个斜撑，而且丫形柱是倾斜的，顺着拱的力线把拱的推力传到埋在地下的环形基础上去。穹顶的外缘皱折成波形，防止产生不利的弯矩，同时又加大了窗子的高度，取得了优美的视觉效果，这样更显示出体育用的效果。这

16、棱形的槽板和交叉细细的弧形助形成一个精致的图案，像一朵凹凸相间的葵花。整体看去，就像蛋壳一样一张巨大半透明的网笼罩着，当人从室内向外看去，就像人坐在空中一样。那浅灰色的丫形斜撑，好像就用一个小小的指头支撑着屋顶，整个穹拱仿佛悬浮在空中，似乎观众一阵掌声就能把它送到九霄云外去。2.3 圆顶工程实例（罗马小体育馆）2.圆顶1.1.钢筋混凝土网肋扁球壳结构，球壳直径钢筋混凝土网肋扁球壳结构，球壳直径59.13m59.13m2.2.球壳采用装配整体式叠合结构球壳采用装配整体式叠合结构16201620块预制钢丝网水泥菱形构件作为模板，现浇上混凝土，块预制钢丝网水泥菱形构件作为模板，现浇上混凝土，成为肋形

17、球壳成为肋形球壳3.3.壳肋支撑在壳肋支撑在3636根根Y Y形斜柱上形斜柱上斜柱的倾角与壳底边缘经向斜柱的倾角与壳底边缘经向切线方向一致，把推力传入切线方向一致，把推力传入基础基础2.3 圆顶工程实例（德国法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅）2.圆顶1.1.球形建筑，正六边形割球壳，球壳半径球形建筑，正六边形割球壳，球壳半径50m50m，矢高，矢高25m25m，底平面为正六边形，底平面为正六边形2.2.球壳支撑在六个点上，支撑点之间、球壳的边缘是拱券形球壳支撑在六个点上，支撑点之间、球壳的边缘是拱券形3.3.球壳切口由边缘桁架支撑，跨度为球壳切口由边缘桁架支撑，跨度为43.3m43.3m2.3

18、 圆顶工程实例（美国麻省理工学院礼堂）2.圆顶3.3.壳面荷载通过薄壳的三个边传至支座。壳面荷载通过薄壳的三个边传至支座。1.1.屋顶为球面薄壳，薄壳曲面由屋顶为球面薄壳，薄壳曲面由1/81/8球面构成，是由三个与水平球面构成，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面夹角相等且通过球心的大圆从球面上切割的2.2.平面形状为平面形状为48m*41.5m48m*41.5m的曲边三角形的曲边三角形2.3 圆顶工程实例2.圆顶清华大学礼堂清华大学礼堂3.1 筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳3.1 筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳3.1 筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳侧边构件的作用：侧边构件的作用

19、：与壳身共同工作，整体受力。与壳身共同工作，整体受力。一方面作为壳体的受拉区域集中布置纵向受拉钢筋，一方面作为壳体的受拉区域集中布置纵向受拉钢筋，另一方面可以提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移另一方面可以提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移和水平位移。和水平位移。3.1 筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳侧侧边边构构件件常常见见的的截截面面型型式式3.1 筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳横隔的作用：横隔的作用：作为筒壳的横向支撑，承受壳身传来的顺剪力并作为筒壳的横向支撑，承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构去。将内力传到下部结构去。有没有横隔是筒壳结构与筒拱结构的根本区别。有没有横隔是筒壳结构与筒拱结

20、构的根本区别。3.1 筒壳的结构组成3.筒壳与锥壳常常见见的的筒筒壳壳横横隔隔型型式式a)a)变高度梁，适用于波长不大的壳体变高度梁，适用于波长不大的壳体b)b)拱架，常用于竖向荷载基本对称的壳体拱架，常用于竖向荷载基本对称的壳体c)c)弧形桁架，波长较大时，使用比较经济弧形桁架，波长较大时，使用比较经济d)d)刚架，波长不大及带有承受水平推力的附属建筑刚架，波长不大及带有承受水平推力的附属建筑物中使用，净空间较大，用料较多。物中使用，净空间较大，用料较多。3.2 筒壳的受力特点3.筒壳与锥壳横向：横向：与拱类似，壳身产生环向压力与拱类似，壳身产生环向压力纵向：纵向：与梁类似，把上部竖向荷载传

21、递给横隔与梁类似，把上部竖向荷载传递给横隔3.2 筒壳的受力特点3.筒壳与锥壳三三 种种 情情 况况 3.2 筒壳的受力特点3.筒壳与锥壳3.3 筒壳的工程实例 3.筒壳与锥壳美国田纳西州金贝尔艺术馆美国田纳西州金贝尔艺术馆3.3 筒壳的工程实例 3.筒壳与锥壳美国田纳西州金贝尔艺术馆美国田纳西州金贝尔艺术馆3.3 筒壳的工程实例 3.筒壳与锥壳美国田纳西州金贝尔艺术馆美国田纳西州金贝尔艺术馆1.现浇钢筋混凝土钢筋混凝土结构 平顶过度带（管道空间）2.2.三组连续平行的拱壳三组连续平行的拱壳3.3.每个拱壳每个拱壳6.5m*30m6.5m*30m 3.3 筒壳的工程实例 3.筒壳与锥壳山西平遥

22、棉织厂山西平遥棉织厂2.2.带肋的预制装配式结构带肋的预制装配式结构 1.1.三个平行的锥壳屋顶三个平行的锥壳屋顶3.3.每个锥壳每个锥壳36m*12m36m*12m每个预制单元每个预制单元12m*1.8m12m*1.8m3.3 筒壳的工程实例 3.筒壳与锥壳同济大学大礼堂同济大学大礼堂1.钢筋混凝土联方网格型钢筋混凝土联方网格型筒壳筒壳结构 2.2.预制杆件，高空拼装并现浇预制杆件，高空拼装并现浇节点混凝土节点混凝土3.3.平面平面40m*56m40m*56m，矢高8-8.5m日本的壳体别墅双曲扁壳的概念：双曲扁壳的概念：薄壳的矢高薄壳的矢高f f与被其覆盖的底面最短边与被其覆盖的底面最短边

23、a a之间的比值之间的比值f/a1/5f/a1/5的壳体。又称为微弯平板。的壳体。又称为微弯平板。4.双曲扁壳优点：优点：矢高小，结构空间小，屋面面积相应减小，比较经济；矢高小，结构空间小，屋面面积相应减小，比较经济；平面多变，适用于圆形、正多边形、矩形等建筑平面。平面多变，适用于圆形、正多边形、矩形等建筑平面。4.1 双曲扁壳的结构组成4.双曲扁壳壳身 边缘构件光面或带肋两种光面或带肋两种 ，通常采用抛物线平移曲面。通常采用抛物线平移曲面。带拉杆的拱或者拱形桁架带拉杆的拱或者拱形桁架 跨度较小时跨度较小时用等截面或变截面的薄腹梁用等截面或变截面的薄腹梁要求边缘构件在自身平面内有足够的刚要求边

24、缘构件在自身平面内有足够的刚度度,否则壳身将产生很大的内力及弯矩否则壳身将产生很大的内力及弯矩四角连接处有可靠的连接构造措施四角连接处有可靠的连接构造措施主要承受壳板边缘传来的顺剪力主要承受壳板边缘传来的顺剪力4.2 双曲扁壳的受力特点4.双曲扁壳4.1 双曲扁壳的工程实例4.双曲扁壳北京火车站北京火车站4.1 双曲扁壳的工程实例4.双曲扁壳北京网球馆北京网球馆1.1.扁壳屋顶跨度扁壳屋顶跨度42m*42m,42m*42m,壳身厚度壳身厚度90mm90mm2.2.扁壳在中央隆起，适应网球在空中弧形轨迹，扁壳在中央隆起，适应网球在空中弧形轨迹，空间得到了充分利用空间得到了充分利用5.双曲抛物面扭

25、壳双曲抛物面概念：双曲抛物面概念：凸向相反的两条抛物线，一条沿着另一条平移而成凸向相反的两条抛物线，一条沿着另一条平移而成优点：（优点：（1 1）稳定性好）稳定性好 上凸方向如同薄拱，受压；下凹方向如同拉索，受拉。上凸方向如同薄拱，受压；下凹方向如同拉索，受拉。避免了屈曲失稳，提高了结构稳定性。因此壳板可以很薄避免了屈曲失稳，提高了结构稳定性。因此壳板可以很薄 （2 2）经济技术指标好经济技术指标好 属于直纹曲面，配筋和模板制作简单，节省材料属于直纹曲面，配筋和模板制作简单，节省材料5.1 双曲抛物面扭壳的结构组成和型式5.双曲抛物面扭壳5.1 双曲抛物面扭壳的结构组成和型式型式型式5.1 双

26、曲抛物面扭壳的结构组成和型式组成：壳板和边缘构件组成：壳板和边缘构件5.2 双曲抛物面扭壳的受力特点5.双曲抛物面扭壳（1 1）壳板）壳板5.2 双曲抛物面扭壳的受力特点5.双曲抛物面扭壳（2 2）边缘构件）边缘构件5.2 双曲抛物面扭壳的受力特点5.双曲抛物面扭壳（2 2）边缘构件）边缘构件5.2 双曲抛物面扭壳的受力特点5.双曲抛物面扭壳（2 2）边缘构件）边缘构件5.3 工程实例（大连海港转运仓库）5.双曲抛物面扭壳（1）钢筋混凝土（）钢筋混凝土（C30）组合型）组合型 双曲抛物面扭壳屋盖双曲抛物面扭壳屋盖（2）边缘构件为人字形拉杆拱）边缘构件为人字形拉杆拱（3）扭壳平面尺寸）扭壳平面尺

27、寸23m*23m,共共16个，壳厚个，壳厚60mm,（4）十字脊线及边缘处加厚到）十字脊线及边缘处加厚到 200mm5.3 工程实例（华南理工大学体育馆）5.双曲抛物面扭壳5.3 工程实例（华南理工大学体育馆）5.双曲抛物面扭壳5.3 工程实例（美国路易航空港候机室）（美国路易航空港候机室）5.双曲抛物面扭壳5.3 工程实例（墨西哥霍奇米洛餐厅）（墨西哥霍奇米洛餐厅）5.双曲抛物面扭壳6.折板6.折板折板结构的工程实例（巴黎联合国教科文组织总部会议（巴黎联合国教科文组织总部会议大厅）大厅）6.折板折板结构的工程实例（美国伊利诺大学会堂）（美国伊利诺大学会堂）6.折板湖北黄石新体育馆湖北黄石新体育馆空间折板式结构空间折板式结构国家网球馆16个V形钢柱7.雁形板7.雁形板7.雁形板7.雁形板8.幕结构一、简述钢筋混凝土空间薄壁结构的类型？（手写版）二、每个同学收集两个钢筋混凝土空间薄壁结构的工程实例并作简要分析，学号与类型对应关系如下（电子版）：1、学号1-16号：圆顶2、学号17-32号之间：筒壳与锥壳3、学号33-48号之间：双曲扁壳4、学号49-64号之间：双曲抛物面扭壳5、学号66-79号之间：折板6、学号80-94号之间：雁形板和幕结构课堂练习以图形为主描述钢筋混凝土空间薄壁结构各种形式的特点。