《壳体结构简介》
薄壳结构
四、薄壳结构的施工
施工方法对造价影响很大。 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
第二节
圆顶薄壳
圆顶是正高斯曲率的旋转曲面壳。 圆顶薄壳结构具有良好的空间工作性能， 能以很薄的圆顶覆盖很大的跨度，广泛 用于大型公共建筑如天文馆、展览馆、 剧院等。
三、薄壳结构内力
1）薄膜内力（中曲面内）：正向力、顺剪力 2）弯曲内力（中曲面外）：横剪力、弯距、扭距 理论上，当t/R《1/20且能满足下列条件时： 壳体具有均匀连续变化的曲面； 壳体上的荷载是均匀连续分布的； 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。薄膜 内力是壳体结构的主要内力。
北京天文馆－－直径25m的圆顶薄壳，壳 厚仅为60mm。
花之圣母教堂 欧洲
布鲁涅内斯基
一、圆顶薄壳的组成及结构型式
一般由壳身、支座环、下部支承结构组成。 1、壳身结构
按构造的不同，可分为平滑圆顶、肋形圆 顶和多面圆顶。
• 当建筑上由于采光要求需将圆顶表面划 分成若干区格；或当壳体承受集中荷载 时；或当壳身厚度太小、不能保证壳体 的稳定；或采用整体式结构时用肋形圆 顶。
3）锥面与锥状面
锥面是一直母线沿一竖向曲线移动，并始 终通过一定点而形成的曲面。如锥面壳。 锥状面: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。如锥状面壳。
4、复杂曲面
在上述基本几何曲面上任意切取一 部分，或将曲面进行不同的组合，便可 得到各种各样的复杂曲面。
• 按高斯曲率的符号划分： 1）正高斯曲率的曲面 K>0 2）零高斯曲率的曲面K=0 3）负高斯曲率的曲面K<0
壳体结构
：“钓线”长达108米 由于国家大剧院的钢结构外壳东西跨度达212.24米，南北跨度为143.64米，吊车无法进行近距离安装，而里面已被歌剧院、音乐厅、戏剧院三组巨大建筑以及地下深达三四层的辅助设施等挤满。 对策600吨巨型履带吊车进行远距离高空作业，用长达108米的“钓线”以“空中钓鱼”的方式将一块块“蛋壳”送到四五十米的高空，组成钢结构穹顶。
位于人民大会堂西侧的“巨蛋”———国家大剧院采用壳体结构安装。一台600吨巨型履带吊车将第一块长35米、重38吨的钢组合梁缓缓吊起，安装到大剧院中心45米高的预定位置上。根据施工方案，巨型“蛋壳”将被分成数十块分批吊装。 国家大剧院的基础结构矗立于一片开阔地中，其顶部第一块“蛋壳”已经安装到位，工人们正在进行加固工作。约二三十个同样的钢组合梁被整齐地码放在附近一片洼地里。在工地中央，专门从上海运到北京600吨重的巨型履带吊车正静静地等待着。 “蛋壳”面积为3.5万多平方米，相当于上海大剧院屋顶面积的3倍多，钢结构总重达6750吨。由于整个结构没有一根柱子支撑，全靠弧形钢梁承重，这样又大又高又重的曲线壳体在施工时有着前所未有的难度。
分类方法
计算要点 壳体的内力和变形计算比较复杂。为了简化，薄壳通常采用下述假设：材料是弹性的、均匀的，按弹性理论计算；壳体各点的位移比壳体厚度小得多，按照小挠度理论计算；壳体中面的法线在变形后仍为直线且垂直于中面；壳体垂直于中面方向的应力极小，可以忽略不计。这样就可以把三维的弹性理论问题简化成二维问题进行计算。在考虑丧失稳定的问题时，需要采用大挠度理论并求解非线性方程。厚壳结构的计算则不能忽略垂直于中面方向的应力变化，并按三维问题进行分析（见壳的计算）。编辑本段应用 国家大剧院壳体结构
难点二
：最大误差不超2厘米 在安装钢结构设施时，七项精度控制误差最大累计不能超过2厘米，如此精度要求在钢结构建筑史上前所未有。 对策先后承建过金茂大厦、东方明珠电视塔等超高建筑的施工公司进行了精心的技术准备，攻克了壳体施工过程中整体结构稳定、曲面结构高精度测量等高科技难题。
壳体材料及其结构的力学特性研究
壳体材料及其结构的力学特性研究第一章：引言壳体作为一种重要的结构部件，在各种工程领域中得到广泛应用。
其材料和结构的选择对壳体所能承载的荷载及其稳定性起着至关重要的作用。
其中，壳体材料的力学特性是决定其应用范围和性能的重要因素之一。
本文将以壳体材料及其结构的力学特性为研究对象，探讨其相关理论和应用。
第二章：壳体材料力学特性的基本概念2.1 壳体的定义和特点壳体是一种结构形式，它能通过采用一小块材料来承受大量载荷。
其几何形态可以是球形、圆柱形、锥形、圆盘形等。
壳体强度和稳定性取决于其材料选择、壳体形状和支撑方式等因素。
由于其结构的柔性和复杂性，壳体的设计需要具备较高的技术难度和专业性。
2.2 壳体材料的选择常用的壳体材料有金属、陶瓷、塑料、玻璃纤维等，每种材料都有其特定的力学特性和优缺点。
在选择壳体材料时需要考虑其机械性能、密度、耐腐蚀性、制造工艺等因素。
例如，金属材料具有良好的强度和韧性，但相对较重，适用于承受大荷载的壳体；塑料材料比较轻便，但强度较低，适用于承受小荷载和要求高精度的壳体。
2.3 壳体材料的弹性特性壳体材料的弹性特性是衡量其力学性能的关键指标之一，它描述了壳体的形变行为。
弹性模量、泊松比和切割模量是描述典型壳体材料弹性特性的重要参数。
其中，弹性模量反映了材料的刚度，当承受一定的压力或拉力时，其形状能够恢复到原来状态；泊松比则描述了材料在沿任意方向的应变情况；切割模量反映了材料抗剪性能。
第三章：壳体结构力学分析3.1 壳体的受力分析随着实验数据和理论分析的不断积累，壳体力学理论逐渐得到了深化。
壳体的复杂性使得其受力分析需要采用较为复杂的数学方法。
在壳体受力分析中，需要考虑壳体的形状、厚度、荷载类型、支撑方式等因素。
其受力分析方法包括解析方法、数值模拟方法和试验方法等。
3.2 壳体的稳定性分析壳体的稳定性是指其在承受荷载时不发生局部或整体失稳的能力。
壳体的稳定性与其材料、形状、支撑方式等因素密切相关，随着所承载荷载的增加，壳体失稳的可能性也会增加。
产品结构设计-第1章 壳体箱体结构设计
设计理论(3)
（3） 金属型铸造：用金属制成的铸型 型腔，进行浇注获得逐渐的铸造方法， 如图所示，金属型可反复多次使用，铸 型常用铸铁制成，也可采用钢材或铜材 制作。与砂型铸造比较，金属型铸造有 以下特点：
【1】实现了“一型多铸”。
【2】铸件的力学性能提高。
【3】精度及表面质量提高，加工量小。
【4】金属型的制造成本高、周期长；
壳体、箱体的通常设计步骤和程序如下： （1）初步确定形状、主要结构和尺寸。 （2）常规计算。利用材料力学、弹性力学等固体力学理论和计算公式，进行强度、刚度和稳定性等方面的 校对，修改设计以满足设计要求。 （3）静态分析、模型或实物实验及优化设计。通常，对于复杂和要求高的产品进行此步骤，并据此对设计 进行修改和优化。 （4）制造工艺性和经济性分析。 （5）详细结构设计。
离心铸造的铸型有金属型和砂型两种，目前广泛应用的是金属型离心铸造。
设计理论(3)
与砂型铸造相比较，离心铸造有如下特点： 【1】工艺过程简单，铸造中空筒类、管类 零件时，省去了型芯、浇注系统和冒口， 节约金属和其他原材料。 【2】离心铸造使液态金属在离心力作用下 充型并凝固，铸件组织致密，无缩孔、气 孔、夹渣等缺陷、力学性能较好。 【3】离心铸造中，铸造合金的种类几乎不 受限制。 【4】离心铸造的不足之处是，铸件的内表 面质量差，孔的尺寸不宜控制。
设计理论(3) 1.1.2 壳体、箱体的结构特点与设计要求
（2）便于拆、装。考虑产品的组装、拆卸和维修、维护, 壳体、箱体多涉及成分体结构，各部分通 过螺钉、锁扣等进行组合连接。对于长久使用或可能多次拆卸的产品，需考虑采用便于拆卸、耐用 的结构，如塑料壳内嵌金属螺纹件；对经常拆卸、分合、启闭等的产品，需考虑采用便于快速拆卸、 组装的结构。
了解建筑物的基本结构：框架结构、壳体结构和内部结构
了解建筑物的基本结构：框架结构、壳体结构和内部结构建筑物是由各种不同材料和构件组成的，它们协同工作以提供稳定和安全的结构。
建筑物的基本结构通常可以分为框架结构、壳体结构和内部结构三个部分。
框架结构是建筑物的骨架，它承受和传递楼层和屋顶的重量，将重力荷载分散到地基。
框架结构通常由柱、梁、梁柱节点和框架连接件组成。
柱子是承受沿垂直方向荷载的纵向元件，通常由钢、钢筋混凝土或木材制成。
梁是承载横向荷载的横向元件，连接在柱子上方以分散荷载。
梁柱节点是连接柱子和梁的关键部位，它们的设计和施工必须具备强大的刚性和稳定性。
框架连接件用于连接梁和柱，例如螺栓、焊接和铆钉等。
框架结构的设计必须考虑到力学力学和结构有效性，以确保建筑物的稳定性。
壳体结构是建筑物的外部外壳，它起到保护内部空间和隔离外部环境的作用。
壳体结构通常由墙壁、屋顶和楼板组成。
墙壁是建筑物的立面，可以分为承重墙和非承重墙。
承重墙是用于承受力和支撑楼层、屋顶和其他结构荷载的墙壁，通常由混凝土或砖石建造。
非承重墙主要用于隔断内部空间、提供隐私和视觉效果，通常由砖、石膏板或木材建造。
屋顶是建筑物的上部覆盖物，用于保护内部空间免受降水、阳光和其他自然元素的影响。
楼板是建筑物不同楼层之间的水平结构，承受楼层荷载并提供水平支撑。
内部结构是建筑物内部的支撑和分隔结构，用于提供内部空间的布局和组织。
内部结构通常由墙壁、柱子、梁和楼梯等组成。
墙壁在内部空间中起到隔断和分隔的作用，使其具有不同用途和功能。
柱子和梁用于支撑和分散内部荷载，以确保内部空间的稳定性。
楼梯是连接不同楼层的垂直通道，它们的设计考虑到使用者的安全和舒适性。
总之，建筑物的基本结构包括框架结构、壳体结构和内部结构。
框架结构承受和传递重力荷载，壳体结构提供保护和隔离，内部结构提供布局和组织。
这些结构相互协同工作，以确保建筑物的稳定性、安全性和功能性。
了解建筑物的基本结构对于设计和施工过程中的决策至关重要。
建筑结构与选型3.7节壳体结构
（3）曲纹平移曲面 椭圆抛物面：竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成 双曲抛物面：母线与导线均为抛物线，但曲率相反
（4）上述三种曲面切割、组合形成的曲面
其他的曲面划分方法（略）：
（1）曲率半径R和曲率1/R （2）主曲率1/R1、1/R2和高斯曲率K
（3）单曲面（展开面） 双曲面（不可展开面） （4）按高斯曲率划分 正高斯曲率壳、负高斯曲率壳、零高斯曲率壳
筒壳的内力分析有三种： 1）l1/l2≥3，长筒壳：建筑力学中梁的理论 2） l1/l2≤1/2，短筒壳：薄膜理论 3）1/2 ＜ l1/l2 ＜3，中长筒壳：半弯矩理论 长筒壳的估算要点（略）：
工程常用
1）筒壳视为两端支撑在横隔构件上的曲线截面梁
2）拱圈 3）参照梁的配筋配置长筒体的抗弯、抗剪钢筋并 保证纵向受压稳定 4）横隔构件按偏心受拉构件设计估算
两组正交的斜直线又可看成一系列正交的上凸受压拱 和下凹受拉索的组合，他们都支承在两侧的边缘构件上。
北京：燕山石化化肥库 （双曲扁壳屋盖、薄壳边缘构件为带拉杆的拱）
北京燕山：钢筋混凝土组合双曲抛物面屋盖
补充：折板结构 北京：燕山石化某某折板结构水泵房（内景）
折板结构通常预制生产，为增大使用跨度， 可沿折板纵向施加预应力，一般可在预应力台座 上采用先张法施工。每两块折板可以象折页一样 折拢，便于吊装运输。吊装就位后再打开折板， 搁置在预先准备好的三角形支座上。 根据折板打开后的角度，可以改变折板的有 效高度h，以适应不同跨度的需要。目前国内重复 使用图集 CG434 提供波宽为 2m 、 3m 两种预应力 V 形 折板，调整折板横向倾角可改变折板的有效高度 h， 以适应不同跨度和不同承载力的要求，跨度可在 6m到18m范围内选用。
壳体结构
唐时宇
常见壳体结构
图片欣赏1
三、结构的类型
3、壳体结构： 定义：通常是指层状的结构。
受力特点：外力作用在结构体的表面上。
举例：摩托车头盔、贝壳……
课堂ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ习
观看视频并分析：在这次实验中，测试人能够毫发无
损的主要原因是什么？
单击观看视频
试验时，摩托车头盔的某一部位受到一个大的撞击力，由于头盔
是壳体结构，在受撞击时外力沿壳体分布出去，使得所受力迅速 分布到头盔表面，形成整个头盔表面均匀受力，这是对外力的第 一次减弱，起到了保护安全的作用。
课后作业
观察我们身边现有壳体结构的物体， 并分析结构的受力特点，写一篇总结 报告。
薄壳结构—仿生建筑
薄壳结构仿生建筑的发展
在提倡节能环保的今天，薄壳结构的仿 生建筑是新时代的一种潮流，我相信，在 不久的将来，在世界的各个角落，一定会 矗立起一座座形态各异、坚固耐用、美轮 美奂的薄壳结构仿生建筑。
谢 谢
薄壳就是利用了龟壳结构原理，由于这种结构 的拱形曲面可以抵消外力的作用，结构更加坚 固。龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力
学原理。虽然它只有2 mm的厚度，但使用铁
锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了
薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少
，跨建筑—晨曦中的“青蛤 ”
各种各样的贝壳
自然界生物的神奇来自 于亿万年的选择进化、优胜 劣汰。 贝壳的形貌包含着许多 的几何曲线，成为现代建筑 设计模仿的重要目标。
启发
自然界某些动植物的种子外壳、蛋壳、贝壳，可以说是天然的薄壳结
构，它们的外形符合力学原理，以最少的材料获得坚硬的外壳，以抵 御外界的侵袭。以蛋壳为例，由于工程中结构自重是以均布荷载的形 式存在，在蛋壳上施加均布力，一般认为在蛋壳中部为最脆弱的部位 ，但实际情况结构产生应力均匀，而在两端较大。通常情况，如果一 枚鸡蛋的横径在4厘米左右，那么蛋壳厚度就只有0.38毫米，二者的 比值接近1：105。这么薄的蛋壳，简直不堪一击。然而，蛋壳的形状 可以影响它的受力，凸出向外的曲面能把力均匀散开。特别是当它均 匀受力时，抗压性就更大了，远不是看上去的那么脆弱。可见薄壳结 构运用到大跨度建筑中，能够达到满应力设计准则的要求。人们从这 些天然壳体中受到启发，利用混凝土以及其他合金材料的可塑性，创 造出各种形式的薄壳结构。建筑工程中的壳体结构多属薄壳结构。
薄壳结构的类型
一、球壳
二、筒壳
薄壳结构的类型
三、扁壳
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1、壳身结构 按构造的不同，可分为平滑圆顶、肋形圆
顶和多面圆顶。
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• 当建筑上由于采光要求需将圆顶表面划 分成若干区格；或当壳体承受集中荷载 时；或当壳身厚度太小、不能保证壳体 的稳定；或采用整体式结构时用肋形圆 顶。
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当建筑平面为正多边形时，可采用多面 圆顶结构。
横隔作为筒壳纵向支承，主要承 受壳板传来的顺剪力。
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当有通风采光要求时，一般可在圆 顶顶部开设圆形空洞。
壳体：开口壳和闭口壳。
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2、支座环
保证圆顶几何不变。其作用和拱结 构拉杆一样。可有效的阻止圆顶在竖向 荷载作用下的裂缝开展和破坏，保证壳 体基本上处于受压的状态，实现空间平 衡。通过支座环支承在房屋的竖 向承重构件上（如砖墙、钢筋混凝土柱 ）
圆顶薄壳
圆顶是正高斯曲率的旋转曲面壳 。圆顶薄壳结构具有良好的空间工作性 能，能以很薄的圆顶覆盖很大的跨度， 广泛用于大型公共建筑如天文馆、展览 馆、剧院等。
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北京天文馆－－直径25m的圆顶薄壳，壳 厚仅为60mm。
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花之圣母教堂 欧洲 布鲁涅内斯基
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一、圆顶薄壳的组成及结构型式
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当筒壳的跨波比L1/L2不同时，筒 壳的受力状态存在很大区别。一般，筒 壳的受力特点分三类： 1） L1/L2》3时
由于筒壳的跨度较长，横向拱的作 用明显变小，横向压力较小，二纵向梁 传力作用显著。筒壳近似梁的作用。
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2）当L1/L2《0.5时 由于筒壳的跨度较小，筒壳横向的
拱作用明显，而纵向梁的传力作用很小 ，因此近似拱的作用。而且壳体内力主 要是薄膜内力，可按薄膜理论计算。
优点：受力明确，构造简单。 缺点：跨度大时，推力大，因此支座环尺
寸大。表现力不够丰富活跃。
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2）圆顶结构支撑在斜柱或斜拱上。
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3）圆顶结构支承在框架上。
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4）圆顶结构直接落地并支承在基础上。
美国麻省理工学院大会堂
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第三节 筒壳
筒壳的壳板为柱形曲面，也称 柱面壳。它是单向有曲率的薄壳，是零 高斯曲率壳。
壳板的厚度一般为50-80mm，一般 不宜小于35mm；壳板与边梁连接处可以 局部加厚，以抵抗局部的横向弯矩。
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边梁与壳板共同受力，截面形式对 壳板内力分布有很大影响，并且也是屋 面排水关键。
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横隔是筒壳的横向支承，没有 它，就不是筒壳结构，而是筒拱结构。
功能是承受壳身传来的顺剪力并 将内力传到下部结构。
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3）当0.5<L1/L2<3时 跨度不长也不短，在受力时拱和
梁的作用都明显，壳体即存在薄膜内力 ，有存在弯曲内力，可用弯矩理论或半 弯矩理论计算。
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边梁是壳板的边框，与壳板共同 作用，整体受力，一般边梁主要承受纵 向拉力，因此需集中布置纵向受拉钢筋 ，可大大减小壳板的纵向和水平位移。
特点：几何形状简单，模板制作方便 ，易于施工，应用广泛。
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一、筒壳的结构组成
筒壳由壳身、边梁及横隔组成。 两个横隔之间的距离称为跨度L1；两个 边梁之间的距离为波长L2。 L1/L2>=1,长壳；一般为多波形。 L1/L2<1,短壳；一般为单波多跨。
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壳身包括边梁在内的高度称为截 面高度h，h=（1/10-1/15）L1,不包括边 梁在内的高度称为矢高f。（f》1/8L2）
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二、筒壳的受力特点
筒壳两端是有横隔支承的，而筒拱没有 。因而两者在承荷和传力上有本质的区别。
筒拱是横向以拱的形式单向承荷和传力 的，纵向不传力，是平面结构。而筒壳在横向 以拱的形式承荷和传力，在曲面内产生横向压 力，在纵向以纵梁的形式把荷载传给横隔。因 此，筒壳是横向拱和纵向梁共同作用的空间结 构。