建筑结构选型大纲模板(1).pdf
.-优选薄壳结构一、历史沿革在土木工程史上，较早的薄壳结构要追述到公元二世纪的罗马万神庙（Pantheon）这栋圆顶结构的建筑，以及建于公元十七世纪的印度泰姬陵（Taj Mahal）等等。若要再往前追述那么爱斯基摩人的圆顶雪屋和我们的祖先用树枝、芦苇撑起来的草屋可以算得上是壳体结构的雏形了。虽然壳体早已用作房屋结构，但工程界真正开始研究、分析和试验是从十九世纪开始的，到二十世纪初叶壳体结构的发展一直很缓慢，二战期间及战后的壳体结构发展才迅速起来，尤其是在德国，因为那个年代的德国有许多需要采用圆顶结构形式的天文馆、以及需要采用柱形筒壳形式的工厂和展览馆。当时，在德国 为 薄 壳 理 论 研 究 做 出 贡 献 的 有 迪 辛 格（Dischinger），芬 斯 特 瓦 尔 德（Finsterwalder），福里格（Fl gge）等人。在过去的八十多年里，坎德拉（Candela），塔拉戈纳（Torroja），奈维尔（Nervi）等工程师设计和建造了一大批优秀的薄壳结构建筑，其中比较著名的有小罗马体育宫（建于 1957 年，奈维尔设计建造）、克莱斯格礼堂（建于1955 年）和肯贝尔艺术馆（建于 1972年）。在二十世纪中叶，坎德拉这位西班牙工程师设计的薄壳结构建筑无疑是掀起了一波薄壳建筑的热潮。薄壳的演变（受弯变受压）（单向受力变空间受力）梁拱薄壳曲线变曲面二、基本组成框架是由梁、柱、基础三种基本构件形成的承重结构。框架与框架之间由联系梁及楼面结构联成整体。框架结构是指由梁和柱以刚接或者铰接相连接而成构成承重体系的结构，即由梁和柱组成框架共同抵抗适用过程中出现的水平荷载和竖向荷载。采用结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用，一般用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、空心砖或多孔砖、浮石、蛭石、陶粒等轻质板材等材料砌筑或装配而成。.-优选图三、型式与分类1.按框架构件组成分类1.梁板式结构：是由梁、板、柱三种基本构件组成，广泛用于多层及高层房屋建筑上。2.无梁式结构：是由板和柱子组成实质是种无梁楼盖结构。从结构选型的角度来说，无梁楼盖本不是骨架体系，但由于起内力分析类似框架结构，从结构的受力角度看，它也是框架结构的一种，广泛用于冷藏库，仓库等建筑物。2.按施工方法分类1.现浇式框架：全部现场浇注，故其整体性好，抗震性能好。但是现场施工的工作量大，工期长。2.装配式框架：是指梁、柱、楼板均为预制，然后通过焊接拼装连接成整体的框架结构。可实现标准化、工厂化、机械化生产。现场施工速度快，但现场的运输和吊装工作量大且整体性差，抗震能力弱，不宜在震区使用3.装配式整体框架：指梁、柱、楼板均为预制，吊装就位后，焊接后绑扎节点区钢筋，通过浇捣混凝土，形成框架节点并使各构件连成整体的框架结构。这种结构既具有良好的整体性和抗震性能，又采用预制构件，兼具前两种形式的优点3.按承重结构分类1.全框架：房屋的（屋）面荷载全部由框架承担，外墙仅起维护作用。具有良好的整体性和抗震性。2.内框架：内部由梁柱组成的框架承重，外围由砖墙承重，楼（屋）面荷载由框架和砖墙共同承担。.-优选这种房屋由于钢筋混凝土与砖两种材料的弹性模量不同，两者刚度不协调，房屋的整体性和总体刚度都比较差。四、力学特点与力学分析1.力学特点梁式结构、桁架、拱结构等都属于杆件系统结构，是平面受力状态。这些结构中，材料性能常常得不到充分发挥，存在材料的浪费。而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴内力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。而只有在非对称荷载（风，雪等）作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现用最少材料构成最坚固结构的构想。又因为壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，无需中柱，因此多用于大跨度的建筑物中。2.力学分析（1）结构内力在薄壳理论中，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，而以中曲面单位长度上的内力作计算单位。对于一般的壳体结构，这样的内力一共有8 对，它们是正向力xN、yN；顺剪力xyyxNN；横剪力xV、yV；弯矩xM、yM 以及扭矩xyxyMM；（见图 5 右）图 5 壳体结构的内力.-优选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。弯曲内力是由于中曲面的曲率和扭率的改变而产生的，它包括有弯矩xM、yM，横剪力xQ、yQ，及扭矩xyxyMM。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力xN、yN和顺剪力xyyxNN（见图 5 左）。因此，这三对内力通称为薄膜内力。力学分析表明，若能满足下列条件时，簿膜内力是壳体结构中的主要内力：1）当曲面结构的壁厚 t 小于其最小主曲率半径R的二十分之一；2）壳体具有均匀连续变化的曲面；3）壳体上的荷载是均匀连续分布的；4）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。（2）分析方法1）解析法：直接求解偏微分方程组。a.薄膜理论（无矩理论）静定问题，如旋转壳体结构b.弯曲理论（有矩理论）超静定问题，如双曲扁壳2）半解析法：对平衡方程或几何方程、物理方程中省略某些项。3）数值法：能量差分法和有限元法。对于体型比较复杂的壳体，最好采用有限元法进行整体分析，将壳体与支承结构乃至地基基础一起做整体分析，可以更好地了解壳体的受力性能。国际上通用的多种有限元程序（SAP2000、ANSYS、NASTRAN）都包含了完整的壳体理论，可对壳体进行力学分析。五、构造要求1.壳板的厚度1）壳板的厚度不仅应符合强度要求，还应根据壳板的性能、施工要求等因素决定。其中包括壳板的钢筋布置、保护层厚度、施工质量保证、结构稳定性以及壳板和辅助构件的变形控制等，同时应考虑结构的防火要求。2）壳板的厚度可在 50mm和 80mm之间选择在壳板接近边缘和支承构件的部位宜增厚至中部厚度的2 3倍并增加抗弯钢筋的数量。壳板应逐渐增厚保证光滑性增厚的范围至少应为增厚厚度的510 倍。.-优选2.壳板的保护层1）壳板加劲肋的混凝土保护层厚度可与壳板相同。2）边缘构件和支承构件的混凝土最小保护层厚度应符合现行国家标准混凝土结构设计规范 的有关规定。壳板钢筋伸入边缘构件的部位，其保护层厚度可维持壳板内的厚度。3）当壳板表面完全暴露在大气中时，应适当增加壳板的保护层厚度，并按照暴露的程度和内外表面所处的条件来确定保护层厚度。4）对壳板表面较陡、需用双面模板施工的区域，应增加保护层的厚度。5）最小保护层厚度不应小于混凝土骨料最大颗粒的直径，也不宜小于钢筋的直径。当最小保护层厚度不能满足防火要求时，应在主应力配筋及受弯配筋处增加保护层厚度。3.壳板的配筋1）在薄壳结构中，应设置薄膜内力配筋、弯矩配筋及壳体边缘处和孔洞附近的特殊配筋。薄膜内力配筋可设置在壳体中面，由单层相互正交钢筋组成，而弯矩配筋宜设置于靠近壳板表面处。2）配筋宜采用较小直径的钢筋。除焊接钢筋网外，应全部采用变形钢筋并合理确定钢筋间距。3）不宜采用抗拉强度标准值大于2340/Nmm的钢筋，否则应限制该类钢筋的设计值。4）薄膜内力配筋可以不按主应力方向设置，当主拉应力较大时，可在该区主拉应力方向上搭添一层薄膜内力配筋。5）薄膜内力配筋最小应为单层相互正交钢筋。其最小直径，若采用变形钢筋应取 6mm；若采用焊接钢筋网，现浇混凝土情况应采用5mm，预制情况可采用4mm。薄膜内力配筋在一个方向上的最小配筋率应为0.2%，在两个方向上的总和应不小于 0.6%。6）薄膜内力的最大配筋率可按下列公式计算：220.628/16.828/sckckcyksckcykAffNmmAfAfNmmAf式中sA壳板钢筋截面积；cA壳板给定的横截面积；.-优选ckf混凝土轴心抗压强度标准值；ykf钢筋的抗拉强度标准值。六、适用范围及著名案例1.适用范围由于薄壳结构优越的受力性能和丰富多变的造型，薄壳结构在建筑中得以广泛的应用。因为壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，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。2.著名案例解析（1）罗马小体育宫钢筋混凝土网肋形扁球壳结构，球壳采用预制钢丝网水泥菱形构件作模板，与壳板现浇成整体的肋形球壳。壳肋葵花图案；具有装饰性，采用36 根 Y字型斜柱支承。结构明朗、轻快、富有表现力，施工时起重机安装在中央天窗处，十分合理。.-优选图 6 罗马小体育宫（2）美国麻省理工学院礼堂礼堂的屋顶为球面薄壳，三角落地。薄壳曲面由 1/8 球面构成，这 1/8 球面是由三个与水平面夹角相等的通过球心的大圆从球面上切割出来的。薄壳平面形状为 48m*41.5m的曲边三角形。薄壳的三个边为向上卷起的边梁，并通过它将壳面荷载传至三个支座，支座为铰接。.-优选图 7 美国麻省理工学院礼堂（3）墨西哥霍奇米洛科餐厅霍奇米洛科由八瓣鞍壳交叉组成，相交处加厚形成刚度极大的拱肋，直接支承在八个基础上。建筑平面为30m*30m的正方形，壳厚40mm，壳体的外围八个立面是倾斜的，整个建筑犹如一朵覆地莲花，造型别致室内采光、通风效果好。.-优选图 8 墨西哥霍奇米洛科餐厅（Designed by Felix Candela）（4）美国圣路易航空港候机室美国圣路易航空港候机室由三组壳体组成，每组有两个圆柱形曲面正交形成，建筑平面为四边形。每组壳面切割成八角形的覆盖平面。两个柱形曲面的交线为十字形交叉拱，加强壳体，并将荷载传至支座，拱的断面突出壳面使室内形成光滑简洁的曲面，壳体边缘有加劲肋。三组壳体的相交处为采光带。.-优选图 9 美国圣路易航空港候机室（Designed by Felix Candela）七、其他（难点、特殊点、发展新趋势等等）1.难点、特殊点：1）空间受力结构，解析法的难度太大，需要采用数值算法，如有限单元法。2）模板体系较为复杂，施工的难度相对较大。3）混凝土薄壳壳体表面的温度裂缝。2.发展新趋势：薄壳结构由于它的受力合理和厚度小，因而十分经济；混凝土作为薄壳结构的主要受力材料取材方便，因而易于普及；薄壳结构的形式丰富多样，因而造型美观。随着建筑工业化的到来，折板作为薄壳结构的“一员”，拥有了上述的优点。同时，若采用工厂的预制折板的话，就能大大提高施工的效率。我认为这会是薄壳结构的未来发展趋势。八、参考文献1 Teng H.Hsu.结构工程与应用力学数据手册（第四卷薄壳）M.：中国建筑科学研究院，1991:1-6.2 杨德品.应用薄壳力学：原理、方法、示例M.*：*大学，1988.3 Mehdi Farshad.Design and analysis of shell structures M.Boston:Kluwer Academic,1992.-优选4 张建荣，张贵寿，赵鸣.建筑结构选型 M.：，1999.5 常永莪译.薄壳结构施工法 M.：建筑工程，1958.6 JGJ/T2298,钢筋混凝土薄壳结构设计规程S.9 Oral Buyukozturk.Mechanics and Design of Concrete Structures-Reinforced Concrete Thin Shell Structures M.Boston:Massachusetts Institute of Technology,2004.10Noah Burger&David P.Billington.Felix Candela,Elegance and Endurance:An Examination of the Xochimilco Shell J.Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures:IASS,2006.
