大跨,薄壳结构.ppt

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大跨,薄壳结构

5 薄壳结构 5.1 概述 5.2 薄壳的曲面形式 5.3 圆顶薄壳 5.4 筒壳 5.5 双曲扁壳 5 薄壳结构 起源 人类远在数千年前早已找出了各式各样的日用壳体,如锅、碗、坛、罐……以后工业逐渐发达,造出了灯泡、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,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。 只有空间受力的结构体系才能够很好地解决大跨度屋盖的问题,而且只有空间体系的结构才能组成富有造型特点的屋盖形式。 5 薄壳结构 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。 相同荷载下,双向板比单向板的跨度可以大1.3~1.8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。 5 薄壳结构 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。 5 薄壳结构 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,能进一步发挥财力,是较先进的结构形式; 壳体与拱相仿,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。 5 薄壳结构 壳结构的优点 可覆盖大跨度空间而中间不设支柱; 内力比较均匀,节约材料,经济效果好; 自重轻、刚度大、整体性好,有良好的抗震和动力性能; 曲板的曲面多样化,可适用于各种平面,为建筑造型提供丰富多彩的创造条件。造型美观,活泼新颖。 壳结构的缺点 现浇薄壳结构耗费大量模板;支模工程量大,施工不便; 体型复杂,板厚太小,隔热效果不好,长期日晒雨淋容易开裂; 壳板天棚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。 5.1 概述 定义 壳体结构一般是指由两个几何曲面构成的空间薄壁结构。 两曲面间的距离,即壳体的厚度t。 t不随坐标变化时称为等厚度壳体,反之称为变厚度壳体。 平分壳体厚度的曲面叫做壳体的中面。 划分(按中面的曲率半径R) 薄壳——max(t/R)<1/20 按照薄壳理论进行计算,结果与按厚壳理论计算结果相比,误差一般不超过通常工程上所容许的计算误差5%。 厚壳——max(t/R)≥1/20 实际应用的壳体通常很薄,1/1000<t/R<1/50。 5.1 概述 薄壳的特点 薄壳必须具备两个条件: 曲面, 刚性。 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。 形抵抗结构 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。 5.1 概述 薄壳的曲面构成 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,各平面与中面相交可得许多具有确定方向的平面曲线,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 K= k1k2。 5.1 概述 薄壳的曲面分类 K= k1k2>0 正高斯曲率曲面,椭圆抛物面、球面 K= k1k2<0 负高斯曲率曲面,双曲抛物面 K= k1k2=0 零高斯曲率曲面,圆柱面、圆锥面 5.2 薄壳的曲面形式 按照形成的特点 旋转曲面 平移曲面 直纹曲面 复杂曲面 5.2 薄壳的曲面形式 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。 5.2 薄壳的曲面形式 平移曲面 一竖向曲线沿另一竖向曲线平移所形成的曲面称为平移曲面。 5.2 薄壳的曲面形式 直纹曲面 1双曲抛物面 一直线沿二固定曲线移动形成的曲面。 5.2 薄壳的曲面形式 直纹曲面 2柱面与柱状面 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。 5.2 薄壳的曲面形式 直纹曲面 3锥面与锥状面 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。也称劈锥壳 5.2 薄壳的曲面形式 复杂曲面 在上述的基本几何曲面上任意切取一部分或将曲面进行不同组合。 交叉圆柱壳, 由锥扇形曲面形成的扇贝形圆屋顶。 5.3 圆顶薄壳 圆顶薄壳的特点 旋转曲面、正高斯曲率; 球面壳、椭球面壳、旋转抛物面;

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