薄壁空间结构.pptx
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1、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1.旋转曲面由一平面曲线(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
2、构中,常用的旋转曲面有在薄壁空间结构中,常用的旋转曲面有球形曲面、旋转抛物(椭圆)面、球形曲面、旋转抛物(椭圆)面、圆锥曲面、旋转双曲面等。圆锥曲面、旋转双曲面等。第1页/共45页旋转曲面 第2页/共45页2直纹曲面 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。(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
3、时始终平行于导平面),后者又称劈锥曲面。(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),直纹曲面建造时模板易于制作,常被采用。(2)锥面 (3)扭面 第3页/共45页直纹曲面曲面 直纹曲面直纹曲面第4页/共45页平移曲面平移曲面3.平移曲面 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。为一椭圆;母线与导线均为抛物线。线。第5页/共45页4.切
4、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。第6页/共45页三、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 a)壳体结构的内力 b)薄膜内力 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Nx、Ny和顺剪力Sxy=Syx,因此,这三对内力通称为薄膜内力。第7页/共45页 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V
5、x、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。四、筒壳结构筒壳其外形似圆筒,故名圆筒壳,又似圆柱体,故又名柱面壳。筒壳外形简单,是单曲面壳体。其纵向为直线,有其横向刚度小的缺点,但它的几何形状简单,模板制作方便,易于施工,省工省料。(一)筒壳的结构组成筒壳由壳身、侧边构件及横隔三部分所组成。侧边构件可理解为壳体侧边构件可理
6、解为壳体“边框边框”,两个横隔之间的距离称为筒壳的跨度,以两个横隔之间的距离称为筒壳的跨度,以表示;两个侧边构件之间的距离称为筒壳的波长,以表示;两个侧边构件之间的距离称为筒壳的波长,以表示。沿跨度表示。沿跨度方向称为筒壳的纵向,沿波长方向称为筒壳的纵向,沿波长方向则称为筒壳的横向。方向则称为筒壳的横向。第8页/共45页筒壳壳身横截面的边线可为圆弧形、椭圆形,或其他形状的曲线,一般采用圆弧形较多,它方便施工。壳身包括侧边构件在内的高度称为筒壳的截面高度,以h表示。不包括侧边构件在内的高度称为筒壳的矢高,以f表示。侧边构件(边梁)与壳身共同工作,整体受力。侧边构件(边梁)与壳身共同工作,整体受力
7、。它一方面作为壳体的受拉区集中布置纵向受拉钢筋,它一方面作为壳体的受拉区集中布置纵向受拉钢筋,另一方面可提供较大的刚度,减少壳身的竖向位移另一方面可提供较大的刚度,减少壳身的竖向位移及水平位移,并对壳身的内力分布产生影响。及水平位移,并对壳身的内力分布产生影响。第9页/共45页横隔是筒壳的横向支承,缺少它,壳身的形体就要破坏。横隔的功能是承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构上去。常见的筒壳横隔型式 第10页/共45页(二)筒壳的分类及受力特点1.长筒壳当跨长当跨长与波长与波长的比值的比值33时,称为长筒壳。时,称为长筒壳。对于较长的壳体,因横隔的间距很大,纵向支承的柔性很大,壳体的变形对于
8、较长的壳体,因横隔的间距很大,纵向支承的柔性很大,壳体的变形与梁一致。这时长筒壳结构中的应力状态和曲线截面梁的应力状态相似,与梁一致。这时长筒壳结构中的应力状态和曲线截面梁的应力状态相似,可以按照材料力学中梁的理论来计算。可以按照材料力学中梁的理论来计算。长筒壳的受力特点 第11页/共45页2.短筒壳当跨长当跨长与波长与波长的比值的比值1/2时,称为短筒壳。时,称为短筒壳。对于短筒壳,因为横隔的间距很小,所以纵向支承的刚度很大。这时壳体的弯曲内力很小,可以忽略不计,壳体内力主要是薄膜内力,故可按照薄膜理论来计算。第12页/共45页当跨长当跨长对于中长筒壳,壳体的薄膜内力及弯曲内力都应该考虑,用
9、薄壳有弯矩理论来分析它的全部内力。为简化计算,也可忽略其中较次要的纵向弯矩及扭矩,用所谓半弯矩理论来计算筒壳内的主要内力。(三)筒壳的结构布置(1)短壳3.中长筒壳与波长与波长的比值的比值时,称为时,称为中长筒壳中长筒壳。1/21/2331.结构构造短壳的壳板矢高一般不应小于波长的短壳的壳板矢高一般不应小于波长的1/81/8。短壳的空间作用明显,壳体内力以薄膜。短壳的空间作用明显,壳体内力以薄膜内力为主,弯矩极小,故壳板厚度与配筋均可按构造确定。当壳体跨度内力为主,弯矩极小,故壳板厚度与配筋均可按构造确定。当壳体跨度=6=612m12m,波长波长 30m30m时,在自重、雪荷载,及保温层荷载作
10、用下,壳板厚度可取用时,在自重、雪荷载,及保温层荷载作用下,壳板厚度可取用5 510mm10mm,壳板内配筋可采用壳板内配筋可采用 4 4 6 6100100160mm160mm的双向钢筋网,配筋率不应低于的双向钢筋网,配筋率不应低于0.20.2。第13页/共45页(2)长壳长壳的配筋应按计算确定,按梁理论计算所得的纵向受力钢筋应布置在侧边长壳的配筋应按计算确定,按梁理论计算所得的纵向受力钢筋应布置在侧边构件内构件内。长壳的截面高度建议采用跨长长壳的截面高度建议采用跨长的的1/101/101/151/15,其壳板的矢高不应小于波长,其壳板的矢高不应小于波长的的1/81/8。壳板厚度可取波长。壳
11、板厚度可取波长的1/3001/500,但不能小于50mm。第14页/共45页(3)天窗的布置筒壳的天窗孔及其他孔洞建议沿纵向布置于壳体的上部。在横向,洞口尺寸筒壳的天窗孔及其他孔洞建议沿纵向布置于壳体的上部。在横向,洞口尺寸建议不大于建议不大于(1/4(1/411/3)11/3)。在纵向,洞口尺寸可不受限制,但在孔洞四周在纵向,洞口尺寸可不受限制,但在孔洞四周应设边梁收口并沿孔洞纵向每隔应设边梁收口并沿孔洞纵向每隔2 23m3m设置横撑加强。当壳体具有较大的设置横撑加强。当壳体具有较大的不对称荷载时,除设置横撑外,尚需设置斜撑,形成平面桁架系统。不对称荷载时,除设置横撑外,尚需设置斜撑,形成平
12、面桁架系统。2.筒壳的结构布置方式(1)折缝单曲板的刚度虽比平板好。但不如双曲板。如何加强单曲板(筒壳)的单曲板的刚度虽比平板好。但不如双曲板。如何加强单曲板(筒壳)的侧向刚度是个重要问题。正如前述的横隔和加劲肋都为解决该缺点而设。侧向刚度是个重要问题。正如前述的横隔和加劲肋都为解决该缺点而设。此外,还可形成折缝。平板的出平面刚度很小,若是折一下,在直线折缝此外,还可形成折缝。平板的出平面刚度很小,若是折一下,在直线折缝处,却能获得很大的刚度,可以作为平板的刚劲支座。同样,筒壳也可以处,却能获得很大的刚度,可以作为平板的刚劲支座。同样,筒壳也可以通过组合(如并列、交贯等)形成曲线或直线折缝,称
13、为加劲折。通过组合(如并列、交贯等)形成曲线或直线折缝,称为加劲折。第15页/共45页筒壳的折缝与形变筒壳的折缝与形变第16页/共45页(2)形变圆柱形筒壳的外形单调、缺乏活力。若在一个筒壳中,其波宽与矢高沿纵向变化,或两端支座一高一低变化其形象,则筒壳的造型立时顿变,显出无穷的活力。这一变化已经超出了筒壳,进入锥壳的范围,且能组成圆周形平面。(3)纵向悬挑纵向悬挑筒壳可用于建筑屋顶的挑檐、雨篷、也可用作车站站台与大看台的悬挑屋顶。筒壳的纵向悬挑筒壳的纵向悬挑第17页/共45页(4)横向悬挑横向悬挑可用于雨蓬、站台、大看台、也可用于大厅和外墙采光多或开门特大(如飞机库、车库)的建筑物。悬挑横隔
14、密排者为短筒壳,疏排者为长筒壳。筒壳的横向悬挑 第18页/共45页(5)并列组合等宽筒壳并列可组成矩形平面屋顶,也可组成水塔的圆柱形水箱。锥形变宽筒壳并列可组成扇形、环形平面屋顶,也可组成水塔的锥形水箱,并列筒壳相接处形成刚劲有力的折缝。筒壳的并列组合 第19页/共45页(6)交贯组合两个筒壳十字正交最典型的例子是美国圣路易市航空港;另一个是环形筒壳与周圈放射向锥形筒壳交贯成一个环形平面的航空港设计方案充分利用了由交贯筒壳形成的加劲折缝。筒壳的交贯组合 第20页/共45页五、圆顶薄壳结构(一)圆顶结构型式与特点按壳面的构造不同,圆顶结构可以分为平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶三种 (a)平滑圆顶(
15、b)肋形圆顶(c)(d)多面圆顶在实际工程中,平滑圆顶应用较多。当建筑平面不完全是圆形,或由于采光要求需要将圆顶表面分成独立区格时,可采用肋形圆顶。肋形圆顶是由径向肋系、环向肋系与壳板组成,与壳板整体连接。多面圆顶结构是由数个拱形薄壳相交而成。有时为了建筑造型上的要求,也可将多面圆顶稍作修改。多面圆顶结构与圆形圆顶结构相比,其优点主要是支座距离可以较大,同时建筑外形活泼。多面圆顶结构比肋形圆顶结构经济,自重较轻。第21页/共45页(二)圆顶的结构组成圆顶结构由壳身、支座环、下部支承构件三部分组成。圆顶的支承结构 圆顶结构中的支座环对圆顶起箍的作用,可有效地阻止圆顶在竖向荷载作用下的裂缝开展及破
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