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第五章 薄壁空间结构(二)


第四节 双曲扁壳

一、优点:
(1)矢高小,结构空间小,屋面面积相应减小,比 较经济; (2)平面多变,适用于圆形、正多边形、矩形等建 筑平面。

二、结构组成与形式:
双曲扁壳由壳板和周边竖直的边缘构件组成。 ? 1.壳板: ? (1)形成:双曲扁壳的壳板是由一根上凸 的抛物线作母线,其两端沿两根也上凸的相 同的抛

物线作导线平移而成。 ? (2)壳板形式:双曲扁壳可以是单波,也 可以是多波;双向曲率可以相等,也可以不 相等。双向曲率不同时,较大与较小曲率之 比及底面长边与短边之比均不应超过2。

(3)构造: A.矢高:扁壳的矢高不能过于扁平。 B.跨度:用于30~40M建筑,最大可至100M C.壳厚:δ =(1/500~1/300)L, 一般δ =60㎜~80 ㎜ 2.边缘构件(横隔构件): (1)作用:增强壳体刚度,保持壳体形状 (2)种类:可以采用变截面 或等截面的薄腹梁,带拉杆的拱,拱形桁架, 空腹桁架或拱形刚架。

(3)要求:
? A.自身有较大的竖向刚度。 ? B.在四角交接处应有可靠连接构造措施,以

形成箍,约束壳身变形。同时在自身平面内 应有足够的刚度,否则,壳身内将产生很大 的附加内力。

? 三、受力特点
? 1.壳身:分析结果表明,双曲扁壳主要是以薄膜内

力为主,其变化很有规律,壳面上分为三个受力 区:
1) 中央区:主要承受双向轴压力,按构造配筋 ,洞口
开在此区 主要承受正弯矩,壳体下表面受拉,布置 2) 边缘区:钢筋;壳体越高越薄,弯矩越小,弯矩作 用区越小 主要承受顺剪力, 3) 四角区:主应力为拉力——配45度斜筋 主应力为压力——局部增大混凝土厚度

? 2.横隔:边缘构件主要承受壳板边缘传来的

顺剪力,为偏心受拉构件。受力与计算同 筒壳结构。

四、双曲扁壳的优缺点:
? ? ? ? ? ?

1.优点: A.矢高小-结构空间小 B.保持双曲-这是壳体发展的必然趋向 C.施工方便-与球壳相比 D.平面适应性有所改变-能用于矩形平面 E.造型美观-外形美观,内部素雅大方、名朗 宽敞 ? F.能达到无拉力状态-充分利用砖或混凝土抗 压强度,合理用材,材尽其用。 ? 2.缺点:模板仍然不能使用直料。

1958.北京火车站

1964.北京网球馆

第五节

双曲抛物面扭壳

一、双曲抛物面壳(鞍壳、扭壳)的 形成与特点
1.形成: (1)鞍壳:由一条凸抛物线沿一条凹的抛物 线平行移动形成的双曲抛物面壳体。是负 高斯曲面。 (2)扭壳:从双曲抛物面鞍壳中沿直纹方向 截取出来的一块壳面,即扭壳。(四边均 为直线、四角不在同一平面上)

2.特点:

扭面也可以认为是从双 曲抛物面中沿直纹方向 截取的一部分,如abcd

?壳体稳定性好 上凸——薄拱(受压)
下凹——索网(受拉)

避免屈曲失稳,提高稳定性。 壳板可以很薄

?双曲抛物面是直纹曲面,配筋和模板制作简单 ?扭壳——从双曲抛物面中沿直纹曲面切取的一部分 扭壳单块作屋面或组合

二、鞍壳、扭壳结构组成和型式
?组成:壳板和边缘构件 A.鞍壳型式:应用很广,一般用于矩形平面建筑。 单块鞍壳作为建筑物的屋面很少。多块鞍壳组 合后作为建筑物的屋面时,可形成优美的造型。

B、扭壳:可以单块也可以组合使用作为建筑
物的屋面。

?型式

双倾单块扭壳

单倾单块扭壳

组合型扭壳

屋顶四边采光, 排水方便。

C、边缘构件——扭壳结构的边缘构件配筋较简 单。对于单块扭壳屋盖,采用较为简单的三角 形桁架;组合型扭壳屋盖的边缘构件,可采用 带拉杆人字形或等腰三角形桁架。上弦杆内

轴向应力呈三角形分布,屋脊处为零,支 座处最大,水平分力使得下弦杆受拉。

三、受力特点
?1、扭壳的壳板 ?只有顺剪力 平行于直纹方向
顺剪力产生的主拉或 主压应力, 下凹——受拉 “索”

上凸——受压 “拱” ?整个扭壳看成一系列受拉 索与一系列受压拱组成的 曲面组合结构。

板中的内力很小,壳板厚度往往不是由强 度计算确定,而是由施工及稳定条件确定。

?2、扭壳的边缘构件
?四坡屋顶

边缘构件轴力图

边缘构件—顺剪力 ?单块扭壳屋盖

上弦杆受压,下弦杆件受拉

顺剪力使拱方向的支 座受推力
拉杆 锚于地下的 斜拉杆

?落地拱单块扭壳屋盖

落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡

顺剪力

合力R作用于A、B的基础上

当地基抗侧移能力不足时, 在基础之间设置拉杆

四、双曲抛物面扭壳的工程实例
?1、大连海港转运仓库

透视图

平面图

?1、大连海港转运仓库

扭壳的几何图形

钢筋混凝土组合型双曲抛物面扭壳屋盖 每个扭壳平面尺寸为23m*23m,壳厚 60mm,十字脊线处加厚至200mm四周边缘 处加厚至150mm。

边缘构件为人字形拉杆拱,壳体及边拱围现浇 刚筋混凝土结构

?2、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丰富了 建筑造型 鸟瞰图 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

室外透视

壳体组合顶视图

两圆柱正交几何图 室内透视

?3、墨西哥霍奇米洛科餐厅
立面

几何形体

平面

鞍壳的瓣形组合:建筑 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

?4、美国麻省理工学院礼堂
立面图

脚点处理

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。
剖面图

平面图

?5、日本静岗议会大厅
单块式扭壳屋顶——多用于中小跨(30~40M) 建筑。

?6、墨西哥科亚肯教堂
? 不等边的菱形 平面,40T的 屋顶推力由毛 石墙传递到基 础,加强窗棂 作支柱支承边 缘构件自重。

扭壳的瓣形组合:

扭壳的伞形组合:

扭壳拱

?8、广州〃星海音乐厅

建筑面积11296㎡,分交响乐演奏大厅、室内乐演奏厅 及音乐资料馆附属用房三个部分,主体大厅采用48m×48m 双曲抛物面钢筋混凝土薄壳结构。 ·亚洲最大规模的钢筋混凝土壳体工程; ·广东省科技进步三等奖

第六节

折板

定义:由许多薄平板,以 一定角度相互整体联接而 成的空间结构体系。 一、折板的组成及其作用 1.组成:折板结构与 筒壳相似。一般由折 板、边梁、和横隔三 部分组成。对于多波 预制折板,也可以靠 转折处的边棱代替边梁。

小试验
? 用书做两个支座,找一张纸放在书上,用

手压 ? 把纸折成许多小片,同样放在书上

? ——折板结构,可以是混凝土板,也可以是 折板网架(与上图类似)

钢筋混凝土薄壳结构工程实例
Some Examples of R.C. Shell Structures

2.作用:
(1)折板:主要起承重及维护作用。 (2)边梁:A.作为简支板或连续板的横向支承 B.联接相邻折板,加强折板的纵向刚度。 C.增强折板的平面外刚度。 D.对折板起加劲的作用。 (3)横隔: A.保证折板结构为双向受力的空间结构体系。 B.作为折板边梁的纵向支座,承受折板传来的顺剪 力,并传给下部支承结构。 C.作为折板的板端边框,加强折板的横向刚度,并 保持折板的几何形状不变。

二、折板结构的受力特点
? 根据折板结构的受力特点,按其跨度与波长

的 比 , 分 为 长 折 板 ( L1/L2≥1) , 和 短 折 板 (L1/L2<1)。短折板结构的受力性能与短筒壳 相似,双向受力作用明显,计算分析较为复 杂。实际工程中,由于折板结构的波长不宜 过大(L2≤12M),其跨度是波长的好几倍, 因此,工程中多为长折板结构。 ? 1.长折板(L1/L2≥1)的受力特点:其受力性能 与长筒壳相似,对于边梁下无中间支承,且 L1/L2≥3的长折板可按梁理论计算。

(1)折板:
A.纵向折板:取一个波长作为计算单元,按 两端支承在横隔上的梁进行内力分析。折板 截面折算成T形或工型截面,截面上的应力 可按材料力学的有关公式计算。

折板结构

应力折板纵向计算简图及断面

B.横向:由于折板双向受力。横向可取 1M板带作为计算单元。按多跨连续板进 行内力分析。

折板横向计算简图

各折板之间的相互作用

(2)横隔:由于折板很薄,平面外刚度很小, 所以,折板传给横隔的只是沿折面的顺剪力, 与筒壳相似。

三、选型设计
1.折板结构的形式: 折板结构的形式主 要分为有边梁和无 边梁两种。 (1)无边梁的折板:预应力混凝土V形折板 A、无边梁的折板结构由若干等厚度的平板、V形 折板和横隔构件组成。平板的宽度可以是相同 也可以不同。

B、预制V形板的生产特点: 可以采用长线叠层生产。 其与现浇折板结构和梁 板结构相比,具有制作方便、节省材料(省脚手架、 模板)、施工速度快、抗震性能极佳的特点。 C、构造: 波长:一般为2~3M, 跨度L:一般为6~15M(有预应力时 可 达21M), 倾角:一般为30~45度。

D.V形折板的折缝处理:
?

上折缝应将V形折板外露的横 向钢筋弯折180°,并勾住折 缝中附加的纵向通常钢筋Ф 8 后浇注混凝土。非卷材屋面上 折缝灌缝混凝土应覆盖v形折 板上缘上表面。长度≥80mm.

?

下折缝横向 钢筋网片与 附加的纵向 通常钢筋 Ф 12绑扎后 浇注混凝土。

(2)有边梁的折板——筒壳式折板结构 构造如图: 有边梁的折板结构由 折板、边梁、横隔三 部分组成,是现浇 结构。 这种结构与筒壳结构 基本类同,设计时要 注意如下构造:

A.折板的水平顶面板宽要求≤(0.25~0.4) L2或≤(3.0~3.5)M。 B.相应上述的要求,要求波长L2 ≤(10~12) m C.折板应做成同样的厚度,并且其倾角不宜大 于30°。 D.折板的矢高一般不应小于0.1 L2。矢高太小 时,对边缘构件的水平作用力将会太大而不 利。 2.横隔:由于其跨度不是很大,一般多用薄腹 梁或框架梁。

四.折板结构的优缺点:
1.优点: A.受力优于梁板式 平板结构。 B.模板简单 C.造型独特 2.缺点:折板很薄,一般需增加保温 隔热材料,另折板结构在室内不平, 可利用其造型,可吊顶,也可不吊 顶。

五、折板的平面布置 与工程实例
1.平面布置 采用下列形式: (1)外伸悬挑 (2)变形 (3)并列、组合

2.演变的结构 形式 (1)折板墙 柱即折板刚 架——如: 联合国教科 文组织总部 会议大厅。

?联合国教科文组织总部办公楼
? 联合国教科文 组织总部办公 楼雨蓬型式独 特,有力突出 入口的直纹双 曲面壳。母线 为直线,中部

的导线为凸抛 物线,前端的 导线为凹抛物 线,后端的导 线为直线。

(2)折板拱: 美国伊里诺大学会堂:建于1962年,直径 132M,矢高18.8M,是一个集会、文艺演出、 篮球和展览的多功能厅。周围明亮的环廊可 供展览用。 屋顶为预应力钢筋混凝土折板组成的穹 顶,由48块同样形状的钢筋混凝土板,采用 移动脚手架分段对称就位现浇而成。板厚9cm, 由膨胀页岩轻混凝土浇制,重5000t。屋顶推 力由预应力圈梁承担。薄壳底部衬50cm厚木 丝板,作为吸音处理。其造型如加盖之碟, 外观新颖。

第七节

雁形板

——一种梁板合一的结构

一、雁形板的截面形式
雁形板可分成普通型、加肋型、拉杆型三类。

二、雁形板的结构型式

三、雁形板的受力特点
雁形板纵向相当于 V形截面梁,受力 较为简单。横向受 力则较为复杂,它 在施工阶段(制作、 运输、吊装)及使 用阶段(形成屋盖 后)的内力完全不 同。

四、雁形板结构的构造
为控制板厚,雁形板 翼板宽度b一般宜控制在4m 以下, 当L≤12m时,可取b=2m, t=50mm, 当12m<L ≤ 21m时,可取 b=2~3m,t=50~80mm, 当 20<L≤27m时,可取b=3m, t=80mm, 当27<L≤36m时,可取 b=4m, t=80~100mm。

五、雁形板的工程实例

第八节

幕结构

一、幕结构的组成
幕结构的组成——折板、侧边构件和下部支承构 件组成。

二、幕结构的受力特点及计算

本章小结:
1.薄壳结构用于建筑有着悠久的历史,之所 以薄壳结构在建筑中得以广泛应用,得益 于薄壳结构具有优越的受力性能和丰富多 变的造型。 2.工程中,薄壳的形式丰富多彩,不过其基 本曲面的形式仅有旋转曲面、平移曲面和 直纹曲面三种。 3.分别叙述了圆顶薄壳、筒壳、折板、双曲 扁壳、鞍壳和扭壳等结构的组成、结构形 式和受力特点。

本章学习要点:
1.掌握薄壁空间结构的曲面形式及其特点 2.掌握圆顶薄壳、筒壳、折板、双曲扁壳、 鞍壳及扭壳等结构的组成及受力特点, 并熟悉各种结构所具有的特点。


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