薄壳结构
薄壳结构
建筑结构选型——薄壳结构学校：专业班级：指导老师：小组成员：摘要大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构，即壳体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20，为薄壁空间结构的一种，它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。
他们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。
关键词形态分类受力特点应用与发展案例研究正文1 薄壳结构的定义壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。
薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。
壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。
1.1薄壳结构的特点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。
两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。
现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。
而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。
而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。
由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理想。
由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。
不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳)易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。
薄壳结构原理
薄壳结构原理薄壳结构是一种常见的工程结构形式，其原理是利用薄壳的受力性能来承担外部荷载，实现结构的稳定和强度。
薄壳结构具有较高的承载能力和较小的自重，因此在建筑、桥梁、船舶等领域得到广泛应用。
本文将从薄壳结构的原理入手，介绍其受力特点、设计要点和应用范围，帮助读者更好地理解和运用薄壳结构。
首先，薄壳结构的受力特点是指其在受外部荷载作用下的受力性能。
薄壳结构主要受力于膜力和弯曲力，而薄壳的受力特点主要体现在以下几个方面：1. 膜力作用，薄壳结构在受到外部荷载作用时，其表面会产生张力和压力，形成膜力。
薄壳结构的受力性能与膜力的分布和大小密切相关，合理设计薄壳结构的形状和厚度，可以有效地控制膜力的分布，提高结构的承载能力。
2. 弯曲力作用，除了膜力外，薄壳结构还会受到弯曲力的作用。
在外部荷载作用下，薄壳结构会发生弯曲变形，产生弯曲应力。
合理设计薄壳结构的截面形状和支撑方式，可以有效地减小弯曲应力，提高结构的稳定性。
其次，设计薄壳结构需要注意的要点包括结构形状、材料选择和支撑方式。
薄壳结构的设计要点主要包括以下几个方面：1. 结构形状，薄壳结构的形状对其受力性能有重要影响。
合理选择薄壳结构的形状，可以使结构在受力时获得较好的受力性能，提高结构的承载能力。
2. 材料选择，薄壳结构的材料选择直接影响其受力性能和使用寿命。
合理选择材料，可以提高薄壳结构的强度和稳定性，延长结构的使用寿命。
3. 支撑方式，薄壳结构的支撑方式对其受力性能和稳定性有重要影响。
合理选择支撑方式，可以有效地减小结构的变形和应力，提高结构的稳定性。
最后，薄壳结构在建筑、桥梁、船舶等领域有着广泛的应用。
薄壳结构的应用范围主要包括以下几个方面：1. 建筑领域，薄壳结构在建筑领域主要应用于大跨度建筑和特殊形状建筑。
例如，穹顶结构、折板结构和双曲面结构等都是薄壳结构的典型应用。
2. 桥梁领域，薄壳结构在桥梁领域主要应用于特殊形状桥梁和大跨度桥梁。
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
薄壳结构
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那贝壳形尖屋顶，是由2194块每块重15.3吨的弯曲形 混凝土预制件，用钢缆拉紧拼成的，外表覆盖着105 万块白色或奶油色的瓷砖。 据设计者晚年时说，他当 年的创意其实是来源于橙子。正是那些剥去了一半皮 的橙子启发了他。而这一创意来源也由此刻成小型的 模型放在悉尼歌剧院前，供游人们观赏这一平凡事物 引起的伟大构想。
悉尼歌剧院，Sydney Opera House ，位于澳大利亚新 南威尔士州的首府悉尼市贝尼朗岬澳大利亚的象征性标志，被联合国教科文组织列入 《世界文化遗产名录》。
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悉尼歌剧院的外观为 三组巨大的壳片，耸 立在南北长186米、 东西最宽处为97米的 现浇钢筋混凝土结构 的基座上。第一组壳 片在地段西侧，四对 壳片成串排列，三对 朝北，一对朝南，内部是大音乐厅。第二组在地段东 侧，与第一组大致平行，形式相同而规模略歌剧厅。 第三组在它们的西南方，规模最小，由两对壳片组成， 里面是餐厅。其他房间都巧妙地布置在基座内。整个 建筑群的入口在南端，有宽97米的大台阶。车辆入口 和停车场设在大台阶下面。
薄壳结构
悉尼歌剧院
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壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为 筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料 大都采用钢筋和混凝土。壳体能充分利用材料强度， 同时又能将承重与围护两种功能融合为一。实际工程 中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特 新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。 薄壳结构的优点是可以把受到的压力均匀地分散到物 体的各个部分，减少受到的压力。许多建筑物屋顶都 运用了薄壳结构的原理。
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悉尼歌剧院在外观整体上看，有由十对壳体组成的3组白色 壳状屋顶，两个剧院占用两组大的壳体，另外一组小壳体为 餐厅，其中歌剧厅、音乐厅与休息厅并排而立，各由四块巨 大的壳状屋顶覆盖，这些壳状屋顶依次排列，前三个一个盖 着一个，面向海湾依抱，最后一个则背向海湾侍立。可以认 为，单个壳体之间的组合是其屋顶的基本组成成分。与巨大 的壳形屋顶相协调的是底部高达19 rn的基座，这为屋顶结构 提供了一个有效地抗侧推力的手。
薄壳结构原理
薄壳结构原理
薄壳结构原理是指一种由薄壳构件组成的结构系统。
薄壳结构的特点是其壁厚相比其宽度和长度很小，因此结构在受力时会出现较大的弯曲变形，而不是拉伸或压缩。
薄壳结构的形状可以是多种多样的，如圆柱形、圆形、椭圆形或自由曲面等。
这些形状的选择不仅要考虑结构所承受的力的方向和大小，还要考虑结构的外形美观和实用性。
薄壳结构的强度和稳定性是其设计的重要考虑因素。
在设计过程中，需要考虑结构的截面形状、材料的强度和刚度等因素，以确保结构在受外力作用时不会发生失稳或破坏。
在薄壳结构的力学行为分析中，常常使用弯曲理论和薄壳理论。
弯曲理论主要用于描述结构在弯曲载荷下的行为，而薄壳理论则用于描述结构在较大变形下的行为。
薄壳结构的设计和施工需要综合考虑结构的力学性能、材料的选择、施工工艺等因素。
合理的设计和施工可以提高结构的稳定性和承载能力，确保结构的安全可靠性。
总之，薄壳结构原理是一种基于薄壳材料的结构设计理论，通过合理的设计和施工，可以实现结构的优化和高效运用。
第三章薄壳结构
第二节 结构分析
一．结构内力
以应力表示
以内力表示 3个薄 膜内 力 Nx , Ny , Nxy = Nyx
5个弯 曲内 力 Mx , M y , Qx , Qy , Mxy = M yx 共计 个内力 8
二．分析方法
1. 解析法
直接以数学方式得到基本方程的解。
2. 半解析法
对平衡方程或几何方程、 物理方程中省略 某些项。
2 2 2 2 k
Et D= 12 1−ν 2
3
(
)
薄膜 内力 ∂Φ Nx = 2 ∂y
2
弯曲 力 内 ∂2w ∂2w Mx = −D 2 +ν 2 ∂x ∂y ∂ w ∂ w My = −D 2 +ν 2 ∂y ∂x ∂2w Mxy = −D(1−ν ) ∂x∂y ∂ 2 Qx = −D ∇ w ∂x ∂ 2 Qy = −D ∇ w ∂y
重200kg/m2。 t R = 60 12500 ≈ 1 208
◆ 移动曲面
筒壳
锯齿形锥壳
山西平遥县棉织厂厂房扩建工程，建于1983年。
折板
◆ 组合曲面
圆柱面切割组合
组合扭面
美国TWA环球航空公司候机楼
美国著名建筑师 沙里宁1961年设计，用4片钢筋砼扁壳组成，形似一只 正要起飞的大鸟。
q
qϕ = q sin ϕ，qr = qconϕ q
rd ϕ 0
r sinϕ0
ϕ0
ϕ
r
Nϕ0
ϕ0 dϕ 0
ϕ0
r
Nϕ 0
当只考虑壳自重荷载时，由 ∑Z = 0 有
∫
ϕ
0
q2πr2 sin ϕ0dϕ0 = −2πr2 (1− cosϕ)q
建筑结构：薄壳结构
3. 几种主要薄壳结构的受力特点
• 薄壳主要是承受由于各种作用而产生的中 面内力（薄膜力），即受到平行于表面作 用的应力，有时也存在面外作用的弯矩、 剪力和扭矩等其他内力。
3.1球壳
• 球壳为旋转曲面壳，可以是圆球面壳、椭球面壳或旋转抛物面 壳等多种形式，为正高斯曲面，通常被称为穹顶。由于它在水 平面上的投影为圆，非常适合于平面为圆形以及正多边形的集 中式大跨建筑，自古以来，从古典建筑中的神庙、教堂，到近、 现代建筑中的天文馆、杂技场等，都有广泛的应用。 • 过去，人们对球壳中的内力分布并不十分清楚，许多传统建筑 中的穹顶经常发生开裂现象。以圆球形壳体为例，壳体中，沿 经向德薄膜力总是压力，而沿纬向的薄膜力并不都是压力，压 力自上而下逐渐减小，越过一个分界线后便成为拉力，且逐渐 增大。对于等厚度圆球形薄壳，在自重作用下，这一分界线位 于幅角为51?49′处。因此，对于幅角较大的穹顶式壳体，在支 座处设置抗拉环，并且在壳体适当部位增设方向抗拉构件是非 常必要的。特别是在支座环附近，往往内力分布较为复杂，构 造上还要做特殊处理，以抵御局部弯矩作用。 • 球壳经过裁切，并增加边梁或其他边缘构件，可以用于正方形、 正多边形和其他平面形式断面可以为圆、椭圆或抛物线等曲线形式， 是一种零高斯曲面，适用于矩形平面建筑。可采用单波或多波形式。 由于其形态简单，对于钢筋混凝土筒壳来说，模板制作简便，并可重 复使用，非常便于连续施工。 • 由于筒壳为单曲面，其空间刚度较双曲面差，所以，筒壳通常离不开 边梁和横隔。横隔是筒壳的端部支撑构件，可以为板、桁架、框架、 拉杆拱或有一定刚度的拱形曲梁。边梁与横隔对保持筒壳的形态稳定、 承接壳体内力并顺利传至支座起了重要的作用。 • 筒壳横隔间的距离为I1两个边梁间距离I2位波长。跨度和波长的比值 不同，对筒壳的受力特性有着很大影响，一般是根据跨度和波长比， 将筒壳分为长壳和短壳两类。 • I1/ I2>1的筒壳为长壳。长壳的受力状态与曲线截面梁相似。特别是 当I1/ I2>3时，计算中可以不考虑空间作用效用，梁的弯曲理论可以 完全适用。为适应建筑平面，工程应用时，多采用多波形式。 • I1/ I2<1的筒壳为短壳。通常I1/ I2<0.5。用于屋盖结构时，板壳矢高f 应不小于I1/8。由于短壳的横隔间距较小，与肋形拱相似，壳体内部 以薄膜力为主，弯矩很小，拱的作用十分明显。
薄壳结构名词解释
薄壳结构名词解释
薄壳结构是一种特殊的工程结构,广泛应用于建筑、汽车、航天等领域。
这种结构的特点是采用一种非常薄的材料,如金属或塑料,在结构内部形成一个壳体,从而将结构保护和支撑起来。
本文将对薄壳结构进行解释,以帮助大家更好地了解这种结构。
薄壳结构的应用非常广泛。
例如,在汽车制造业中,薄壳结构可以用于制造汽车的外壳,具有轻量化、高强度、耐冲击等特点。
在航天领域中,薄壳结构可以用于制造航天器的壳体,用于保护内部设备和维持其形状。
此外,在建筑和桥梁等领域中,薄壳结构也可以发挥重要作用。
薄壳结构的优点在于它能够提供出色的支撑和保护性能,同时占用较少的材料。
这种结构可以减轻重量,提高生产效率和节省成本。
此外,由于薄壳结构采用非常薄的材料,因此其结构轻巧,便于安装和移动。
尽管薄壳结构在许多领域都有应用,但它们并不是一种万能的结构。
例如,由于它采用非常薄的材料,因此可能会存在一些安全隐患。
例如,在汽车领域中,薄壳结构可能会在遭受撞击时产生严重的变形和损坏。
此外,由于薄壳结构相对复杂,因此在设计和制造过程中需要非常谨慎,以避免出现错误。
薄壳结构是一种非常有趣的工程结构,可以提供出色的支撑和保护性能。
尽管它们存在一些安全隐患,但只要正确使用,薄壳结构仍然是一种非常有价值的结构。
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薄壳结构受力特点及天津博物馆案例分析
班级：土木N073 学号：2007456791432 姓名：周峰近几年来，建筑师又在蛋壳的启示下，设计了小到自行车棚大到现代化的大型薄壳结构的建筑物。
这种建筑物既坚固又节省材料。
我国北京火车站大厅房顶就是采用这种薄壳结构，屋顶那么薄，跨度那么大，整个大厅显得格外宽敞明亮，舒适美观。
举世闻名的悉尼歌剧院也是一座典型而新颖的薄壳建筑。
薄壳结构壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。
薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。
壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。
实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型奇特新颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。
1．筒壳（柱面薄壳）：是单向有曲率的薄壳，由壳身、侧边缘构件和横隔组成。
横隔间的距离为壳体的跨度l↓1，侧边构件间距离为壳体的波长l↓2。
当l↓1／l↓2≥1时为长壳，l↓1／l↓22＜1为短壳。
2．圆顶薄壳：是正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1／600，跨度可以很大。
支座环对圆顶壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。
3．双曲扁壳（微弯平板）：一抛物线沿另一正交的抛物线平移形成的曲面，其顶点处矢高f 与底面短边边长之比不应超过1／5。
双曲扁壳由壳身及周边四个横隔组成，横隔为带拉杆的拱或变高度的梁。
适用于覆盖跨度为20～50米的方形或矩形平面（其长短边之比不宜超过2）的建筑物。
4．双曲抛物面壳：一竖向抛物线（母线）沿另一
凸向与之相反的抛物线（导线）平行移动所形成的曲面。
此种曲面与水平面截交的曲线为双曲线，故称为双曲抛物面壳。
工程中常见的各种扭壳也为其中一种类型，因薄壳结构容易制作，稳定性好，容易适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。
蛋壳就是利用了薄壳结构原理，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，跨度大，坚固耐用。
壳体结构具有十分良好的承载性能，能以很小的厚度承受相当大的荷载。
壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，以材料直接受压来代替弯曲内力，从而充分发挥材料的潜力。
因此壳体结构是一种强度高、刚度大、材料省的即经济又合理的结构形式。
在天津市中心区友谊路银河公园旁，一座酷似“白天鹅”的建筑，昂首挺立，展翅欲飞。
这就是我国北方唯一的仿生薄壳式建筑——天津博物馆。
天津博物馆坐落于天津市河西区友谊路与平江道交口的银河广场，占地面积5万平方米，总建筑面积3.5万平方米，总投资32711万元，拥有1.1万平方米的现代化展厅和功能齐全的文化休闲设施。
其建筑外形为自湖面展翅飞翔的天鹅，线条流畅简洁，极富时代感与艺术性，颇具特色。
网壳的直径为２００米，高３２米，整个博物馆可容纳１２，０００人，今春即将开放。
天津博物馆是一座集文物收藏、保护、研究、教育及休闲、旅游于一体，囊括天津历史、馆藏文物及民间艺术品陈列等众多内容的综合性博物馆。
其设计建造不仅外观造型独特美观，更在于其建筑结构上的创新及先进的功能、合理的布局等。
天津博物馆是由著名的日本川口卫构造设计事务所设计的。
天津博物馆代表21世纪中华民族的腾飞，于是联想到展翅飞翔的天鹅，因此，天津博物馆的建设预示着中国，特别是天津在新世纪的腾飞和快速发展。
从建筑造价上则充
分考虑了结构的合理性和可实施性，以表现天鹅腾飞的翼部大跨度网壳体结构，实现了用最少的材料建造最大的使用空间的思想。
这种大跨度网壳体结构已经非常成熟，能够很轻松地高精度完成整个结构的设计和施工，具有极强的可实施性。
天津博物馆运用现代浪漫主义的思维观点，引用仿生原理，以极具震撼力的创作手法，
成就了一座昂首挺立、展翅腾飞的“白天鹅”造型建筑，赋予城市景观以生命活力，从而使天津博物馆的外观与周围环境优美和谐的融为一体，成为天津重要的文化标志性建筑
俯瞰下的天津博物馆
馆内的结构
外观的曲线美
该博物馆结构设计的基础，源于天鹅骨架结构，借助其结构的合理性和可实施性，通过以表现天鹅展翅高飞的翼部大跨度网壳体结构，实现了用最少的材料，建造最大的使用空间的思想。
据介绍，天津博物馆投资３亿元人民币，历经两年时间，建筑设计师以现代浪漫主义的思维观点，引用仿生原理，以极具震撼力的创作手法，赋予建筑外形和城市景观以生命活力，从而使天津博物馆的外观与周围环境优美和谐地融为一体，并成为天津重要的标志性建筑。
１２项专利技术凸显建筑创新
——可“呼吸”的大跨度空间结构
博物馆工程的屋盖结构是国内平面尺寸最大的空间网壳结构之一，首次采用了多点二力杆加周边斜撑的支承体系，支座采用了单向铰、双向铰等独特的节点构造，当温度变化产生
温度应力作用时，结构可以自由伸缩，形成了可“呼吸”的大跨度空间结构。
——清水混凝土施工工艺
博物馆采用了施工难度大、标准高、效果突出的清水混凝土施工质量标准，即在施工过程中，采用特殊的施工工艺，使浇筑的混凝土构件一次成型，而且表面的平整度垂直度更高。
竖向结构模板由钢大模替代木模，减少了因木模加工带来的巨大噪音，同时因为取消找平层，减少了砂浆使用量，既减少了因砂浆加工带来的噪音，同时，还大大降低了建筑成本，减少了装修程序。
——镀瓷铝板屋面
屋面板采用镀瓷铝板，具有无污染、耐久性好、不变色、耐老化、抗紫外线、抗冲击性能好、易于清洗、不易损坏等多种优点。
镀瓷铝板是世界上最新技术产品，在大规模的屋面工程中采用镀瓷铝板，为世界首例。
——弦支穹顶网壳结构
首次在国内采用单层网壳结构，该结构为高效的空间结构，而张拉整体体系本身是世界建筑业最新的结构形式，两者结合后组成了高效的弦支穹顶网壳结构。
博物馆穹顶共有节点３１１２个，使用杆件１２，６３９根。