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第六章 薄壁空间结构.ppt

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第六章 薄壁空间结构,建筑结构与选型,6.1 概述 6.2 圆顶 6.3 筒壳 6.4 折板 6.5 双曲扁壳 6.6 双曲抛物面扭壳,6.1 概述,,,,,,,,6.1.1 薄壳结构的概念 概念 壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构,也称曲面结构。,等厚壳:当厚度不随坐标位置的不同而改变时称为等厚壳。变厚壳:当厚度随坐标位置的不同而改变时称为变厚壳。,薄壳:当厚度远小于壳体的最小曲率半径时,称为薄壳。厚壳中厚壳,,,,,,,,形成梁 平板拱 薄壳(承受双向轴力和纯剪力)--有人称拱和薄壳结构是仿生结构。,,,梁:主要承受弯矩和剪力 平板:主要承受力矩的作用 拱:主要承受轴力的作用 薄壳:承受双向轴力和顺剪力,,,,,,薄壳结构的受力:比拱式结构更具优越性,因为拱式结构只 有在某种确定的荷载的作用下才有可能找到合理拱轴线,而薄壳 结构由于两个方向薄膜轴力和薄膜剪力的共同作用,可以在较大 的范围内承受多种分布荷载而不致产生弯曲。 特点:整体工作性能良好,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。,,,,,实例自然界中的薄壳实例:蛋壳、蚌壳、螺蛳壳、蜗牛先、脑壳及植物的果壳或种子等。生活中的薄壳实例:乒乓球、罐、灯泡、安全帽、轮船、碗等。,,,,,,,曲面的描述 1、等分壳体各点厚度的几何曲面称为壳体的中曲面。2、曲面的高斯曲率:3、壳体的矢率扁壳:当 时,可按扁壳结构计算。 陡壳,正高斯曲率 零高斯曲率 负高斯曲率,6.1.2 薄壳结构的曲面形式,,,,,,薄壳结构中曲面的几何形式,按其形成的特点可以分为以下几类: 旋转曲面:由一条平面曲线绕着该平面内某一给定的直线旋转一周所形成的曲面称为旋转曲面。由于母线形状的不同,旋转壳又可分为球形壳、椭球壳、抛物球壳、双曲球壳、圆柱壳、锥形壳等。,,,,,,旋转曲面:,,,,,,平移曲面:由一条竖向曲线作母线沿着另一竖向曲线(导线)平行移动所形成的曲面称为平移曲面。常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面,所形成的壳体称为椭圆抛物壳和双曲抛物壳。,椭圆抛物面,双曲抛物面,,,,,,,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 动所形成的曲面叫直纹曲面,房屋建筑中常用的直纹曲面有柱形 曲面、劈锥曲面、扭曲面等。,双曲抛物面的形成,导平面,直导线,直导线,直母线,6.1.3 薄壳结构的内力,,,,,一般的壳体结构,内力有8对:正向力 、 ;顺剪力 ;横剪力 、 ;弯矩 、 ;以及扭矩 。 理想的薄膜内力:正向力 、 ;顺剪力 。,,6.1.4 薄壳结构的施工,,混凝土壳体1、现浇混凝土壳体2、预制单元、高空装配成整体壳体3、地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升4、装配整体式叠合壳体5、采用柔模喷涂成壳预应力结构预应力钢筋布置在横隔、侧边构件及其衔接的壳板受拉区、旋转壳的支座环、拉杆、结构的支座部分,以及最大剪力作用区。,6.2 圆顶,圆顶是正高斯曲率的旋转曲面壳。根据建筑设计的要求, 圆顶的形式可采用球面壳、椭球面及旋转抛物面壳等。,,,,,,,,,6.2.1 圆顶结构的组成,,壳身--平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶 支座环 支承结构,,,,,,,,,壳身--平滑圆顶(a)、肋形圆顶(b)和多面圆顶(c),,,,,,,,,支座环,支座环的截面形式,,,,,,,,,支承结构,(1)通过支座环支承在房屋的竖向构件上(a) (2)支承在斜柱或斜拱上(b、C、d) (3)支承在框架上(e) (4)直接落地并支承在基础上(f),,,,,,,,,6.2.2 圆顶的受力特点,1.破坏形态球壳在均布竖向荷载作用下,在上部承受环向压力,而 在下部承受环向拉力。由于砖砌体或混凝土的抗拉强度极低, 故往往在圆顶的下部沿径向出现多条裂缝。支座环的边框作用相当于拉杆对拱的作用。,,,,,,,,,6.2.2 圆顶的受力特点,2.薄膜内力:经向轴力N1;环向轴力N2,(a)圆顶受力破坏示意 (b)法向应力状态 (c)环向应力状态 (d)壳面单元体中的主要内力,,,,,,,,,3.支座环的受力 :壳身边缘传来的推力;支座环的拉力,(a)支座环的拉力作用 (b)壳面边缘径向弯矩及构造,,,,,,,,,6.2.3 圆顶的结构构造,1.壳板厚度:t/R为1/600 2.壳板配筋:受压区域及主拉应力小于混凝土抗拉强度的受拉区域:最小配筋率0.20%;主拉应力大于混凝土抗拉强度的受拉区域,按计算配筋。 3.壳板边缘构造,支座边缘的约束弯矩及配筋构造图,,,,,,,,,4.支座环梁--环梁预应力筋布置(右图) 5.壳顶开洞-内环梁与壳板的连接(下图),6.装配整体式圆顶结构--预制单元的划分,,,,,,,,6.2.4 结构实例,1.罗马小体育宫 2.大阪市中央体育馆,罗马小体育宫,所 在 地:大坂市港区田中3丁目 建造时间:1956年~1957年 建筑设计:意大利建筑师A.维泰洛齐 结构设计:P.L.奈尔维 结构类别: 上部结构:预应力混凝土球形壳体 建筑平面:圆形,直径60m,罗马小体育宫,结构组成 球 顶:由1620块用钢丝网水泥预制的菱形槽板拼装而成, 板间布置钢筋现浇成“肋”,上面浇混凝土 小圆盖:球顶上部开洞 斜 撑:36个“丫”形斜撑 “腰 带”:附属用房的屋盖,兼作连系梁,大坂市中央体育馆,所 在 地:大坂市港区田中3丁目 设计时间:1992年8月~1993年5月 施工时间:1993年6月~1996年5月 设计监理:大坂市都市整备局营运部 施工企业:大林·西松·浅沼建设共同体 结构类别:基础:现场灌注混凝土桩,现场 灌注混凝土连续墙上部结构:预应力混凝土球形壳体 建筑面积:38425m2,大坂市中央体育馆-鸟阚图,大坂市中央体育馆-平面图,大坂市中央体育馆-剖面图,6.3 筒壳,筒壳是单向曲率的薄壳,零高斯曲率壳 。,,,,,,,,,6.3.1 筒壳结构的组成,,壳身 侧边构件(波长) 横隔(跨度),,,,,,,,,,侧边构件(波长)--作用:作为受拉区;提供刚度; 型式:5种,,,,,,,,,横隔(跨度)-- 功能:承受顺剪力,将内力传到下部结构 型式:5种,,,,,,,,6.3.2 筒壳的受力特点,1. 当 时;为长壳:按梁理论计算 2. 当 时;为短壳:按照薄膜理论计算 3.当 时;为中长壳:薄壳,半弯矩理论计算 4.横隔:按偏心受拉构件设计,,,,,,,,,,,6.3.3 筒壳的结构构造,1.短壳: , 与配筋按构造 2.长壳: , ; 可取 ,配筋按计算确定 3.天窗孔的布置 4.装配整体式圆柱面筒壳,,,,,,巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅,所 在 地:巴黎 建造时间:1992年~ 建筑设计:保罗•安德鲁 结构设计: 结构类别: 上部结构:混凝土筒壳,6.3.4 结构实例,巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅,结构组成:登机楼为一预制系统,4m宽的基本单元依次就位并装配到一起。40cm厚的混凝土壳承受压力。而钢制的弧形肋受拉。两种结构之间的距离取决于角动量。双层透明玻璃组成的玻璃表面可以保证水密性,以两层结构之间的钢制弧形肋条为支撑。窗格很窄,仅有1m高,拼成的折面非常接近曲面的效果。,巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅,巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅,坍塌报告主要结论: 1.混凝土顶棚钢筋承载力不足;2.缺少补充支撑体系,也就是缺少在主体结构超出承受力时能够将力传递到其他结构部位的可能性。 3.大梁承载力不足,为了通过通风管道,大梁每隔四米被通风管道穿过,从而削弱了大梁的承载力; 4.连接混凝土顶棚和玻璃屋面的金属杆过于嵌入混凝土,而使顶棚承受力削弱。 根据调查报告,事故的发生可以推论为,混凝土顶棚首先断裂,由于钢筋承载力和大梁承载力均不足,最终导致整个钢筋混凝土结构体系的瓦解。,巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅,巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅,6.4 折板,折板是若干薄板以一定的角度连接成整体的空间结构体系,,,,,,,,6.4.1 折板结构的组成,,折板--圆弧形;椭圆形;其他形状 1.无边梁、有边梁(4种型式)2.现浇整体式、预制装配式及装配整体式 边梁--一般为矩形截面梁,B取2~4 横隔--型式:与筒壳中的横隔相同。常采用折板下梁或三角形框架梁的型式,,,,6.4.2 折板的受力特点,当 时;长折板:纵横方向1.纵向,取一个波长为计算单元2.横向,取1m板带按多跨连续梁板计算 当 时;为短折板,受力计算同短壳;工程中不多见。 横隔:沿折板平面内的顺剪力,与筒壳结构相似,,,,,,,,,,,6.4.3 折板的结构构造,不大于100mm, 不宜大于3~3.5m,一般取(0.25~0.4) 2.折板型式的主要参数:倾角 、高跨比 、 。 3.配筋 4.装配整体式V形折板,,,,,,,,,,,,,,,,,,6.4.4 结构实例,巴黎联合国教科文组织总部会议大厅:采用两跨连续的折板刚架结构。大厅两边支座为折板墙,中间支座为支承于6根柱子上的大梁。美国伊利诺大学会堂:平面呈圆形,直径132m,屋顶为预应力混凝土折板组成的圆顶,由48块同样形状的膨胀页岩轻混凝土折板拼装而成,形成24对折板拱。拱脚水平推力由预应力圈梁承受。,折板结构既可作为梁板合一的构件,又可作为墙柱合一的构件。,6.5 双曲扁壳,双曲扁壳是正高斯曲率的椭圆线平移曲面 。,,,,,,,,6.5.1 双曲扁壳的结构组成,壳身1.光面、带肋2.单波,双波 周边竖直的边缘构件形式:1.带拉杆的拱或拱形桁架2.薄腹梁3.曲梁或曲线形圈梁,,,,,,,,,双曲扁壳的结构组成,,,,,,,,,,6.5.2 双曲扁壳的受力特点,壳身1.薄膜内力为主,2.边缘附近要考虑曲面外弯矩作用 边缘构件1.顺剪力S,与筒壳结构相同,,,,,,,,6.5.3 双曲扁壳的结构构造,1.f/b不大于1/5 ,K1/K2,a/b不大于2 2. 倾斜放置时,倾角不超过10度 3.边缘构件为拱式结构 4.配筋要求(四类) 受压区构造钢筋,壳体边缘区域底部的受拉钢筋,构造钢筋,角偶区承受主拉应力的斜向钢筋或钢筋网。,,,,,,,,,,,,,,,,,,6.5.4 结构实例,北京火车站(1956年):中央大厅的顶盖和检票口通廊的顶盖就是双曲扁壳。中央大厅顶盖薄壳的平面为35m×35m,矢高为7m,壳身厚度仅80mm。检票口通廊上也一连间隔地用了五个双曲扁壳,中间的平面为21.5m×21.5m,两侧的四个平面为16.5m×16.5m,矢高为3.3m,壳身厚度为60mm。边缘构件为两铰拱。2. 北京网球馆,6.6 双曲抛物面扭壳,双曲抛物面扭壳是双曲抛物面截取的直纹曲面 。,,,,,,,,,双曲抛物面扭壳,,,,,,,,6.6.1 结构的组成,壳板1.双倾单块 2.单倾单块3.组合型 边缘构件形式:1.三角形桁架2. 拉杆人字架,,,,,,,,,,6.6.2 双曲抛物面扭壳的受力特点,四坡屋顶 :三角形桁架受力 单块扭壳:对角线方向的推力 落地扭壳:边框推力,,,,,,,,6.6.3 结构构造,1、a/b为1~2,单倾单块f/b为1/2~1/4 双倾单块f/b为1/2~1/8组合型f/2b为1/4~1/8 2、配筋,,,,,,,,,,,,,6.7 曲面的切割、组合与工程实例,曲面的切割与组合,是设计好曲面结构的重要手段。通过曲 面的切割与组合,几乎可以满足任意平面形式和各种奇特新颖的 建筑造型要求。,1、美国圣路易航空港候机室,,,,,,,,1、美国圣路易航空港候机室该建筑由三组壳体组成,每组由两个圆柱形曲面正交构成。,,,,,,,,1、美国圣路易航空港候机室,,,,,,,,2、墨西哥霍奇米洛科餐厅(1957年)设计:墨西哥著名工程师坎迪拉。工程概况:该建筑由斯个双曲抛物面薄壳交叉组成。在交叉部位,壳面加厚,形成四条有力的拱肋,直接支承在八个基础上。壳厚4cm。两对点的距离是42.5m。建筑平面为30m×30m。壳体的外围八个立面是斜切的。,,,,,,,,,,,,,,,2、美国麻省理工学院礼堂(1955年)设计:沙里宁工程概况:屋顶为球面薄壳,三脚落地。薄壳曲面由1/8球面组成,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。球的半径34m。薄壳平面形状为48m×41.5m的曲边三角形。,,,,,,,,3、美国麻省理工学院礼堂(1955年)设计:沙里宁工程概况:屋顶为球面薄壳,三脚落地。薄壳曲面由1/8球面组成,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。球的半径34m。薄壳平面形状为48m×41.5m的曲边三角形。,
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