第五讲钢筋混凝土空间薄壁结构ppt课件.ppt

建筑结构选型,第五讲孟昭博聊城大学建筑工程学院,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.1 概 述,桁架结构,刚架结构,拱式结构,梁式结构,面内：承受屋面板传来的竖向荷载,面外：需设支撑体系保证安全及稳定,平面受力结构体系的特点：,优点：荷载为单向传递，计算分析方便，结构施工吊装方便。缺点：结构内力较大，材料强度得不到充分发挥，随着结构材料用量的增加，空间整体性能下降，结构安全性降低。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,随着材料的发展、施工技术的进步及计算机分析软件的应用，给空间结构体系的发展提供了有力的支持。,空间结构体系,网架及网壳结构,悬索结构,膜结构,薄壁结构,杂交结构,薄壁结构指结构的厚度远小于其长度和宽度，一般由金属或钢筋混凝土做成。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,钢筋混凝土大跨空间薄壁结构,由曲面形薄板构成的薄壳结构,由平板构成的折板、雁形板、幕结构,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.1.1 薄壳结构的概念,起源自然界中存在丰富多彩的壳体结构，如植物的果壳、种子茎杆等等，以及动物界的蛋壳、蚌壳、蜗牛壳、脑壳等等，它们的形态变化万千，曲线优美，且厚度之薄、用料之少，而结构之坚，着实令人惊叹！万灵之首的人类仿生自然界造出了各种各样的壳体结构如锅、碗、瓶、坛、罐子以及灯泡、钢盔、木舟、机壳等不胜枚举。壳体用于建筑结构虽为时较早，但工程界开始研究、分析、试验已是19世纪，到20世纪初叶壳体结构的发展一直缓慢，主要原因是计算繁琐。二战期间及战后壳体结构发展才迅速起来。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,壳结构的演变两边支承的单向板只有一个方向受弯，另一个方向的抗弯能力根本没有利用；如果把做成四边支承的双向板，那么，双向受弯，两向共同受荷，则材料的抗弯潜力得到较充分的发挥。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,壳结构的演变在相同荷载作用下，双向板比单向板的跨度可以大1.31.8倍。双向板虽然是四边支承而起双向受力的作用，但还是平面结构，它的内力还是弯矩。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,壳结构的演变把平板做成曲板，曲板的内力就改变为受压为主，受压比受弯更能发挥材料的性能，尤其是多向受压，处于空间状态更加有利。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,壳结构的演变横向受荷传力的梁起“担”的作用，不能材尽其用，并非经济的结构形式；以曲梁承荷传力的拱起“顶”的作用，能进一步发挥材力，是较先进的结构形式；壳体与此相仿，以曲板承荷传力，而且更进一步，它不像拱是单向受荷传力的平面结构，而是双向受荷传力的空间结构，起双向“顶”的作用。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,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。,两个曲面的距离,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R时，称为薄壳。,否则，称为厚壳或中厚壳。,定义,一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。,1/1000/Rl/50,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,薄壳的特点薄壳必须具备两个条件：曲面刚性可理解为四边支承的曲板。主要依靠曲面内的双向轴力和顺剪力承重。强度和刚度主要依靠几何形状的合理性，而不是结构截面尺寸得到。空间整体工作性能良好，内力均匀，结构自重小；强度高、刚度大、材料省、经济合理。曲面多样化，丰富建筑造型。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,薄壳的特点体型复杂；现浇结构时费工费模板材料，施工不便；板厚太小，结构厚度和保温隔热都靠这几公分厚的材料，隔热效果不好；长期日晒雨淋容易开裂；壳板的曲面容易引起室内声音反射和混响，对声音效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等不宜采用。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,薄壳的曲面构成壳体的中面：平分壳体厚度的曲面。在任意形状的壳的中面上某一点m可作法线mn。包含该法线可作一系列的平面（法截面），各平面与中面相交可得许多具有确定方向的曲线（法截线），其中有两条相互垂直或正交的曲线r和t的曲率具有极值，一条曲率最大，另一条曲率最小，这两条曲线的曲率称为曲面在该点的主曲率，用k1、k2表示。曲面任意点上的高斯曲率K,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,薄壳的曲面分类K k1k20正高斯曲率曲面，椭圆抛物面、球面K k1k2=0零高斯曲率曲面，圆柱面、圆锥面K k1k20负高斯曲率曲面，双曲抛物面,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,壳体的矢率,被中曲面所覆盖的底面最短边为a，在底面以上的中曲面上的最高点o称为壳顶。壳顶到底面之间的距离称为矢高f，f/a称为矢率。,矢率大称为陡壳矢率小称为扁壳,二者无明确界限，主要取决于计算上所容许的误差大小。,当a/f1/5时，可按扁壳计算,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.1.2 薄壳结构的曲面形式,按照形成的特点分为：旋转曲面、平移曲面、直纹曲面、复杂曲面。,1）旋转曲面一平面曲线绕其所在平面上的轴旋转所形成的曲面，称为旋转曲面。该平面曲线可以有不同的形状，于是得到多种多样适应于圆形平面的穹窿（圆顶）屋盖,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,椭球曲面,旋转抛物面,旋转双曲面,球形曲面,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,2）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。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,椭圆抛物面,双曲抛物面,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,3）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、锥曲面、扭曲面等。,建造时容易制作，工程应用较多,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,柱形曲面柱面由直母线沿沿着两根曲率相同的竖向曲导线移动而形成的曲面。柱状面由直母线沿着两根曲率不同的竖向曲导线移动，并始终平行于一导平面而形成。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,劈锥曲面锥面是一直母线沿一竖向曲导线移动，并始终通过一定点而形成的曲面。锥状面是由一直母线沿一根直导线和一根竖向曲导线移动，并始终平行于一导平面而形成的曲面。也称劈锥曲面。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,扭曲面,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.1.3 薄壳结构的内力,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,理论分析表明：当曲面结构的厚度小于其最小主曲率半径R的1/20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）壳体具有均有连续的曲面；（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放心自由移动，支座只能阻止曲面切线方向位移的反力。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.1.4 薄壳结构的施工,（1）现浇混凝土壳体,1）薄壳结构的施工方法,优点：整体性好；缺点：支架、模板用量大，费料、费工，且不易保证浇注质量。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（2）预制单元、高空装配成整体壳体,优点：所需模板少，现场高空作业量大大减少，工期短，且施工不受季节的影响；缺点：其抗震性能较现浇混凝土壳体差。,（3）地面现浇壳体或预制单元装配后整体提升,优点：可减少壳体的高空作业量和大部分脚手架；缺点：需要特殊的钢构件临时加固，所需设备起重量较大。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（4）装配整体式叠合壳体,利用钢丝网水泥薄板作模板，其上浇筑钢筋混凝土现浇层，由钢丝网水泥薄板和现浇钢筋混凝土层形成整体共同工作。,优点：即减少了模板的用量，又具有较好的整体性。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（5）采用柔模喷涂成壳,柔模是用棉麻织物（帆布、麻袋等）、草苇、钢丝网等抗拉性能好的柔韧材料做模板，在其上涂抹或喷射混凝土或砂浆，待其硬化后，柔模成为壳体的配筋，抵抗拉力。棉麻织物也可在砂浆或混凝土达到强度后，揭下洗净重复利用。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,2）预应力结构,预应力能够提高空间结构的刚度及抗裂性，可以连接装配式构件，能够节约钢筋用量，减小侧边构件的尺寸。,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。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.2 圆 顶,圆顶薄壳的特点正高斯曲率旋转曲面；球面壳、椭球面壳、旋转抛物面；适用于平面形状为圆型的建筑，如杂技院、剧院、展览馆、天文馆、圆形水池顶盖厚度薄、结构自重轻、节省材料；壳体的径向和环向弯矩极小，可以忽略；壳体主要承受压力，压力沿整个球面呈扩散均匀分布，可以充分利用材料强度。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,我国解放后建成的第一座天文馆北京天文馆，其顶盖为直径25m的半球形圆顶结构 ，壳体厚度只有60mm，混凝土利用喷射施工法，每平米结构自重只有200kg左右。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.2.1 圆顶的结构组成及结构形式,支座环,壳身,下部支承,1）壳身结构平滑圆顶（a)、肋形圆顶（b）和多面圆顶（c、d）,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,实际工程中用的较多。钢筋沿径线及沿同心圆放置；径向钢筋的数量朝圆顶点方向根据圆顶周长的减少而减少；当厚度大于80mm时，为避免收缩及温度裂缝，应放置两层钢筋。,平滑圆顶,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,肋形圆顶,有采光要求；当壳体受集中荷载作用；当壳体厚度较小；采用装配整体式结构时径向肋系、环向肋系、壳面板,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,多面圆顶,由数个拱形薄壳相交而成；与平滑圆顶结构相比，支座距离较大；与肋型圆顶结构相比，可节省材料；有通风采光要求时刻在顶部开设圆形孔洞。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,2）支座环,是圆顶结构保持几何不变的保证；作用类似于拱式结构中的拉杆；对圆顶壳面起箍的作用，阻止圆顶结构在竖向荷载作用下的裂缝开展与破坏；主要承受环向拉力和弯矩保证壳体基本上处于受压状态；并实现结构的空间平衡。,可采用钢筋混凝土梁或预应力混凝土梁,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,3）支承结构,砖墙、钢筋混凝土柱这时径向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受径向推力的竖向分力。受力明确，构造简单。当圆顶的跨度较大时由于经向推力很大，要求支座环的尺寸很大。同时，这样的支座环，其表现力也不够丰富活跃。,（1） 圆顶结构通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上,图5-2-5（a）,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（2 ）圆顶结构支承在斜柱或斜拱上通过壳体四周沿着切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给基础；或通过沿壳缘切线方向的单式或复式斜拱，把经向推力集中起来传给基础。在平面上，斜柱、斜拱可按正多边形布置，以便与建筑平面相协调；在立面上，斜柱、斜拱可与建筑围护及门窗重合布置，也可暴露在建筑物的外面，以取得较好的建筑立面效果。这种结构方案清新、明朗，既表现了结构的力量与作用，又极富装饰性。但倾斜的柱脚或拱脚将使基础受到水平推力的作用。,斜拱,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（3） 圆顶结构支承在框架上利用圆顶下四周的围廊或圆顶周围的低层附属建筑的框架结构，把水平推力传给基础。框架结构必须具有足够的刚度，以保证壳身的稳定性。,图5-2-5（d）,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,(4) 圆顶结构直接落地并支承在基础上落地的圆顶就像落地拱一样，经向推力直接传给基础。若球壳边缘全部落地，则基础同时作为受拉支座环梁。若是割球壳，只有几个脚延伸入地，则基础必须能够承受水平椎力，或在各基础之间设拉杆以平衡该水平力。,图5-2-5（e）,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.2.2 圆顶的受力特点,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。,图5-2-6 圆顶的破坏形式,1）圆顶的破坏图形,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,2）圆顶的薄膜内力,圆顶受力问题一般均为“轴对称”问题，在同一纬线上的内力均相等，与角无关。因此，圆顶在自重和雪荷载等竖向均布荷载作用下，绝大部分范围内只有薄膜内力N1和N2存在。径向轴力N1恒为受压，环向轴力N2的符号和大小是变化的。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,对于半径为R的球形圆顶，设单位壳体的自重为g，则圆顶在自重作用下的薄膜内力的计算公式为：,薄膜内力沿经线的变化规律如图5-2-8,图5-2-8 球形圆顶在自重作用下薄膜内力沿经线的变化,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,3）支座环的受力,支座环承受壳身边缘传来的推力，该推力使支座环在水平面内手拉，在竖向平面内受弯。,当圆顶径向轴力N1已知时：,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,当圆顶环向轴力N2已知时：,由图5-2-8（b）知，对于球形圆顶，在自重作用下，当51049时，T随的增大而增大；当51049时，T随的增大而减小。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.2.3 圆顶的结构构造,（1）壳板厚度一般由构造要求确定，取圆顶半径的1/600。对于现浇钢筋混凝土圆顶，不应小于40mm；对于装配整体式圆顶，不应小于30mm。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（2）配筋在壳板内的受压区域及主拉应力小于混凝土抗拉强度的受拉区域内，可按不低于0.20的最小配筋率配置构造钢筋，其直径不小于4mm，间距不超过250mm。在主拉应力大于混凝土抗拉强度的区域，应按计算配筋，主拉应力应全部由钢筋承担，钢筋间距不大干150mm。厚度不大于60mm的壳体，在弯矩较小的区域内，可采用单层配筋，钢筋一般布置在板厚的中间。超过上述厚度或当壳体受有冲击及振动荷载作用时，应采用双层配筋。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（3）局部处理由于支座环对壳板边缘变形的约束作用，壳板的边缘附近将会产生经向的局部弯矩。将壳板靠近边缘部分局部加厚，并配置双层钢筋。边缘加厚部分须做成曲线过渡。加厚范围一般不小于壳体直径的1/12l/10，增加的厚度不小于壳体中间部分的厚度。加厚区域内的钢筋宜径为410mm，间距不大于200mm。须注意上层钢筋受拉，应保证其有足够的锚固长度。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（4）支座环梁,当采用非预应力配筋时，受力钢筋应采用焊接接头。大跨度圆顶结构宜配置预应力钢筋，如无法连续配置，可分段施加预应力，预应力锚头设置在环梁外部突出处，如图5-2-12所示。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（5）壳顶开洞,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（6）装配整体式施工法,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.2.4 圆顶的工程实例,罗马小体育宫,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,钢筋混凝土网肋形扁球壳结构,施工时起重机安装在中央天窗处 十分合理,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,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.3 筒 壳,特点筒壳曲面呈单曲外形，也称柱面壳。零高斯曲率几何形状简单，模板制作容易，施工简单，工程应用较多。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.3.1 筒壳的结构组成,壳身侧边构件横隔构件,筒壳的跨度,筒壳的波长,筒壳的截面高度,筒壳的矢高,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,壳身壳身横截面的边线可以是圆弧形、椭圆形或其它形状的曲线，多采用圆弧，施工方便。,侧边构件与壳身共同工作，整体受力。作为壳体的受拉区集中布置纵向受拉钢筋；可提供较大的刚度，减少壳身的竖向位移与水平位移，并对壳身的内力分布产生影响。,最经济,适用于边梁支承在墙或圈梁上的情况,适用于小型筒壳,边梁可兼作排水沟,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,横隔筒壳的横向支撑，确保壳身的形体。承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构上去。,（a）变高度梁，适用于波长不大的壳体。当波长较大时可在梁内开洞，减轻横隔自重。（b）拱架，材料消耗少，一般用在竖向荷载基本对称的壳体。（c）弧形桁架，波长较大时，经济；适用于装配整体式及装配式壳体。（d）刚架，适用于波长不大及带有能承受水平荷载的附属建筑的情况。（e）等高梁，适用于波长和横隔跨度不一致时。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.3.2 筒壳的受力特点,是否有横隔板是筒壳和筒拱的区别。二者外形相似，但其的力学性能完全不同，对支承结构的要求和构造处理也就不同。,筒壳,纵向 与梁类似 把上部竖向荷载传递给横隔,横隔间距大，纵向支承的柔性很大，壳体变形和梁一致；拱圈的刚度相对较大，可以看作是不变形的；筒壳的受力情况象曲线截面的梁一样，其计算理论与曲线截面梁相似，按材料力学梁理论计算,长壳,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,短壳,横隔间距小，纵向支承的刚度很大；相对而言，拱圈的刚度相对较小；壳体的弯曲内力很小，可以忽略不计，壳体的主要内力是薄膜内力，按薄膜理论计算,中长壳,壳体的薄膜内力和弯曲内力均应考虑，按有弯矩理论计算,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,由于筒壳的面外刚度相对于横隔的竖向刚度来说是很小的，所以作用在壳身上的荷载不是竖向地作用在横隔上（图5-3-7a），而是通过壳面内的顺剪力传到横隔上（图5-3-7b）。对实体梁（图5-3-7c），在顺剪力作用下，不仅有弯矩和剪力，而且还有轴力。因此，横隔应按偏心受拉构件设计。如横隔是拱或桁架，应分段将S合成斜向节点荷载 ，再用结构力学的方法分析，其结果与按竖向节点荷载计算差别较大，应注意。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,5.3.3 筒壳的结构构造,1）短壳壳板矢高：矢高f 不应小于1/8l2壳板厚度:壳板内的应力不大，通常不必计算，可按跨度及施工条件决定其厚度。对普通跨度（ l1=612m，l2=1830m）的屋盖，当矢高不小于l2 /8时，按下表,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,2）长壳为了保证壳体的强度和刚度，壳体截面的总高度h不应小于（1/101/15）l1；矢高 f 不应小于1/8l2；壳板的厚度可取1/3001/500l2，但不小于50mm。长壳的配筋应按计算确定。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,3）壳板天窗孔处理长薄壳上开洞时，洞口宜在壳顶沿纵向布置。洞宽（横向尺寸）不宜超过1/41/3l2，洞长（纵向尺寸）可不加限制。孔洞的四周应镶钢筋混凝土边框以加固洞口，沿纵向还必须相隔23米设置横撑以加强边框的稳定和保证两边壳板的空间工作。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,在纺织厂或某些为避免阳光直射而需设置北面采光窗，此时，筒壳也可倾斜布置，构成锯齿形屋盖。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（a）横向整块，纵向分成若干段，每段长度应根据制作、运输机安装等条件来确定，一般1.53m。该方案适用于小跨度。,装配整体式柱面筒壳,（b）横向两半块，该方案适用于大跨度。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（c）整个壳体划分为两根现浇的边梁、两个横隔及若干预制拱形板，每块拱形板均需设置两根临时拉杆以防止起吊时发生过大的弯曲变形。该方案适用于大跨度。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（d）整个壳体由横隔、边梁段、肋拱及壳板四种平面预制构件拼成。拼装时，先将边梁段、横隔及肋拱通过边梁截面中预应力钢筋连成一个空框，然后将预制壳板搁置在肋拱上，再通过板缝的纵向预应力钢筋计混凝土灌缝连成整体。该方案适用于大跨度。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,（e）整个壳体由预制板和预制拱架两种构件。该方案适用于短壳。,第五章 钢筋混凝土薄壁结构,筒壳由于使用跨度大，平面进深也大，支承结构可以多样化，可根据建筑空间和造型的不同需要去选择，所以，这种薄壳广泛应用于单层工业厂房和各种公共建筑如展览馆等。,可以根据建筑的使用需要，做成单波单跨、单波多跨、多波单跨及多波多跨等各种形式。,谢谢！,本讲结束,2022年11月13日,