薄壁空间结构讲解
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第六章 薄壁空间结构
由预应力圈梁承受。
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
l1 / l2 3
6.5.2 双曲扁壳的受力特点
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
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
l1 / l2 3
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
巴黎戴高乐机场第二空港楼E厅
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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。
薄壁空间结构
粒子群优化算法
模拟鸟群、鱼群等生物群体的行为模 式，通过个体间的信息共享和协作来 寻找最优解。
结构尺寸优化
截面尺寸优化
根据结构承载力和稳定性要求， 优化薄壁结构的截面尺寸，以实 现最佳的承载性能和稳定性。
杆件长度优化
根据结构刚度和稳定性要求，优 化杆件的长度，以提高结构的整 体性能。
板厚优化
根据结构承载力和稳定性要求， 优化板的厚度，以提高结构的承 载能力和稳定性。
离散元法
总结词
离散元法是一种用于分析离散物体运动的数 值方法，通过将物体离散为一系列刚性或柔 性单元，对单元进行受力分析和运动学计算 。
详细描述
在薄壁空间结构分析中，离散元法可以用于 模拟结构的动态行为和碰撞问题。该方法将 结构离散化为一系列刚性或柔性单元，通过 建立单元间的相互作用模型，对每个单元进 行受力分析和运动学计算，从而得到结构的
结构形状优化
形状优化
通过改变结构的形状来提高结构的承 载能力和稳定性，如改变梁的截面形 状、改变板的形状等。
曲率优化
通过改变结构的曲率来提高结构的承 载能力和稳定性，如改变梁的弯曲程 度、改变板的曲率等。
结构拓扑优化
材料分布优化
根据结构承载力和稳定性要求，优化 材料的分布，以提高结构的承载能力 和稳定性。
大跨度桥梁等建筑和设施。
03 薄壁空间结构的分析方法
有限元分析法
总结词
有限元分析法是一种常用的数值分析方 法，通过将连续的求解域离散为一组有 限个、且按一定方式相互连接在一起的 单元组合体，对每个单元进行数学描述 ，然后对整个系统进行求解。
VS
详细描述
有限元分析法在薄壁空间结构分析中广泛 应用，它能够处理复杂的几何形状和边界 条件，提供高精度的计算结果。通过将结 构离散化为有限个单元，对每个单元进行 受力分析，然后利用数学方法将各单元的 受力情况综合起来，得到整个结构的受力 状态。
模拟鸟群、鱼群等生物群体的行为模 式，通过个体间的信息共享和协作来 寻找最优解。
结构尺寸优化
截面尺寸优化
根据结构承载力和稳定性要求， 优化薄壁结构的截面尺寸，以实 现最佳的承载性能和稳定性。
杆件长度优化
根据结构刚度和稳定性要求，优 化杆件的长度，以提高结构的整 体性能。
板厚优化
根据结构承载力和稳定性要求， 优化板的厚度，以提高结构的承 载能力和稳定性。
离散元法
总结词
离散元法是一种用于分析离散物体运动的数 值方法，通过将物体离散为一系列刚性或柔 性单元，对单元进行受力分析和运动学计算 。
详细描述
在薄壁空间结构分析中，离散元法可以用于 模拟结构的动态行为和碰撞问题。该方法将 结构离散化为一系列刚性或柔性单元，通过 建立单元间的相互作用模型，对每个单元进 行受力分析和运动学计算，从而得到结构的
结构形状优化
形状优化
通过改变结构的形状来提高结构的承 载能力和稳定性，如改变梁的截面形 状、改变板的形状等。
曲率优化
通过改变结构的曲率来提高结构的承 载能力和稳定性，如改变梁的弯曲程 度、改变板的曲率等。
结构拓扑优化
材料分布优化
根据结构承载力和稳定性要求，优化 材料的分布，以提高结构的承载能力 和稳定性。
大跨度桥梁等建筑和设施。
03 薄壁空间结构的分析方法
有限元分析法
总结词
有限元分析法是一种常用的数值分析方 法，通过将连续的求解域离散为一组有 限个、且按一定方式相互连接在一起的 单元组合体，对每个单元进行数学描述 ，然后对整个系统进行求解。
VS
详细描述
有限元分析法在薄壁空间结构分析中广泛 应用，它能够处理复杂的几何形状和边界 条件，提供高精度的计算结果。通过将结 构离散化为有限个单元，对每个单元进行 受力分析，然后利用数学方法将各单元的 受力情况综合起来，得到整个结构的受力 状态。
薄壁空间结构讲解
8
框架结构的承重方案 承重框架的布置方案有横向框架承 重方案、纵向框架承重方案和纵横向框架混合承重方案等 几种。
框架结构的受力特点 1）框架梁的内力为跨中的正弯矩，两端支座截面的负弯
矩及支座剪力。 2）柱子则应考虑上端截面与下端截面的弯矩、剪力和轴
力。一般来说，顶层柱子为大偏心受压，柱子上端为控制 截面，低层柱子为小偏心受压，柱子下端为控制截面。
13
自然界中有十分丰富的壳体结构实例，如蛋壳、蚌壳、螺蛳壳、蜗牛 壳、脑壳及植物的果壳或种子等。在日常生活中也有此类空间薄壁结 构的应用，如碗、罐、簸箕、安全帽、轮船、飞机等。它们都是以最 少的材料构成最大的使用空间，并具足够的强度和刚度。
单独式“壳”
14
下面，请大家看几个代表薄壳结构优越的结构受力特性的 建筑案例，相信在座的一定会从中的到感悟。
15
柏林爱乐音乐厅
16
组合式“壳”
17
组合式“壳”
18
飞机采用的“壳”
19
二、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下列几类：
1．旋转曲面——旋转
由一条平面曲线绕着某一给定的直线旋转一周所形成的曲面称为旋转 曲面。以旋转曲面为中曲面的壳体称为旋转壳。那条转动的曲线称为
以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求； 概念设计是重要，尤其对于抗震问题； 多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。 3.高层建筑的常见结构形式主要包括哪些？适应条件怎样？ 框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构； 筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等 4.何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在30层以下的高层建筑 中应用特别广泛？ 在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体。因高层建筑中的水 平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。 框架-剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承 受约20~30%，剪力墙承受70~80%。剪力墙长度按每建筑平方米50mm的标 准设计。 5.框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？ 应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变 化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。
框架结构的承重方案 承重框架的布置方案有横向框架承 重方案、纵向框架承重方案和纵横向框架混合承重方案等 几种。
框架结构的受力特点 1）框架梁的内力为跨中的正弯矩，两端支座截面的负弯
矩及支座剪力。 2）柱子则应考虑上端截面与下端截面的弯矩、剪力和轴
力。一般来说，顶层柱子为大偏心受压，柱子上端为控制 截面，低层柱子为小偏心受压，柱子下端为控制截面。
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自然界中有十分丰富的壳体结构实例，如蛋壳、蚌壳、螺蛳壳、蜗牛 壳、脑壳及植物的果壳或种子等。在日常生活中也有此类空间薄壁结 构的应用，如碗、罐、簸箕、安全帽、轮船、飞机等。它们都是以最 少的材料构成最大的使用空间，并具足够的强度和刚度。
单独式“壳”
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下面，请大家看几个代表薄壳结构优越的结构受力特性的 建筑案例，相信在座的一定会从中的到感悟。
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柏林爱乐音乐厅
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组合式“壳”
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组合式“壳”
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飞机采用的“壳”
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二、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下列几类：
1．旋转曲面——旋转
由一条平面曲线绕着某一给定的直线旋转一周所形成的曲面称为旋转 曲面。以旋转曲面为中曲面的壳体称为旋转壳。那条转动的曲线称为
以抵抗侧向力为主，控制其侧向刚度是设计的基本要求； 概念设计是重要，尤其对于抗震问题； 多采用空间结构而非平面结构，更有效的利用材料。 3.高层建筑的常见结构形式主要包括哪些？适应条件怎样？ 框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构； 筒体结构、悬挂结构、巨型框架结构等 4.何谓框架剪力墙结构？为什么目前框架剪力墙结构在30层以下的高层建筑 中应用特别广泛？ 在框架结构内增设的抵抗水平剪切力的钢筋混凝土墙体。因高层建筑中的水 平剪力主要是地震力，故剪力墙又称抗震墙。 框架-剪力墙结构中，竖向荷载由框架和剪力墙共同承担；水平荷载由框架承 受约20~30%，剪力墙承受70~80%。剪力墙长度按每建筑平方米50mm的标 准设计。 5.框架剪力墙结构中，剪力墙的布置应注意什么问题？ 应沿纵横两个方向均有布置；横向剪力墙宜布置在平面形状变化处、刚度变 化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。
薄壁空间结构
薄壁空间结构在本小节中我们要给大家介绍各种薄壁空间结构体系的组成、优缺点及适用范围；各种薄壁空间结构体系的合理布置原则及及受力特点。
一、薄壳结构的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。
这两个曲面之间的距离称为壳体的厚度t。
当厚度t远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳。
一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。
在面结构中，平板结构主要受弯曲内力，包括双向弯矩和扭矩，如图1-65a。
薄壁空间结构如图1-95b所示的壳体，它的厚度t远小于壳体的其它尺寸（如跨度），属于空间受力状态，主要承受曲面内的轴力（双向法向力）和顺剪力作用，弯矩和扭矩都很小。
图1-65 面结构（a）平板结构（b）曲面结构（壳）薄壁空间结构，由于它主要承受曲面内的轴力作用，所以材料强度得到充分利用；同时由于它的空间工作，所以具有很高的强度及很大的刚度。
薄壳空间结构内力比较均匀，是一种强度高、刚度大、材料省、既经济又合理的结构型式。
薄壁空间结构常用于中、大跨度结构，如展览大厅，飞机库、工业厂房、仓库等。
在一般的民用建筑中也常采用薄壳结构。
薄壁空间结构在应用中也存在一些问题，由于它体形复杂，一般采用现浇结构，所以费模板、费工时，往往因此而影响它的推广。
同时在设计方面，薄壁空间结构的计算过于复杂。
二、薄壳空间结构的曲面形式薄壳结构中曲面的形式，按其形成的几何特点可以分成以下三类：1.旋转曲面由一平面曲线（或直线）作母线绕其平面内的一根轴线旋转而成的曲面，称为旋转曲面。
在薄壁空间结构中，常用的旋转曲面有球形曲面、旋转抛物（椭圆）面、圆锥曲面、旋转双曲面等，分别见图1-66。
图1-66 旋转曲面2．直纹曲面（图1-67）一根直母线，其两端各沿两固定曲导线（或为一固定曲导线，一固定直导线）平行移动而成的曲面，称为直纹曲面。
一般有：（1）柱曲面（一根直母线沿两根曲率方向和大小相同的竖向曲导线移动而成）或柱状曲面（一根直母线沿两根曲率方向相同但大小不同的竖向曲导线始终平行于导平面移动而成）它们又都称单曲柱面，分别见图1-67。
薄壁体系的几何组成解析课件
拓扑优化
通过拓扑优化技术对薄壁体系的内部 结构进行重新分布，以实现材料的高 效利用和性能提升。
参数化设计
利用参数化设计软件对薄壁体系的形 状、尺寸等进行参数化定义，便于快 速修改和优化设计。
设计实例
薄壁桥梁
采用轻量化、高强度的薄壁结构 ，实现桥梁的自重减轻、跨越能
力增强。
薄壁压力容器
利用薄壁结构的稳定性，设计出 高效、安全的压力容器，广泛应
薄壁体系的几何组成解 析课件
contents
目录
• 引言 • 薄壁体系的几何组成 • 薄壁体系的几何特性 • 薄壁体系的解析方法 • 薄壁体系的优化设计 • 薄壁体系的应用和发展趋势
引言
01
薄壁体系的定义
01
薄壁体系是指由薄壁构件组成的 结构体系，其中薄壁构件是指具 有薄截面的杆件，通常由金属、 木材、塑料等材料制成。
03
薄壁杆件的定义
薄壁杆件是指厚度远小于 其长度和宽度尺寸的杆件 。
薄壁杆件的特性
由于其厚度很小，薄壁杆 件在受力时主要通过弯曲 变形来传递力和力矩。
薄壁杆件的类型
常见的薄壁杆件包括圆管 、矩形管、六面体等。
薄壁连接
薄壁连接的定义
薄壁连接是指将两个或多 个薄壁杆件连接在一起的 构件。
薄壁连接的类型
根据受力特性的不同，薄壁体系可以 分为受弯薄壁体系和受压薄壁体系。
薄壁体系的几何特
03
性
平面性
平面性是指薄壁体系在几何组成上具有平面特征，其结构元素（如梁、板、壳等） 通常位于同一平面或相互平行的平面内。
平面性使得薄壁体系的受力分析相对简单，可以通过平面力系的分析方法进行计算 。
在实际工程中，许多薄壁结构（如平板、薄板、薄壳等）都具有平面性特征，这为 设计和分析提供了便利。
薄壁空间结构1
径向应力状态
圆顶薄壳 圆顶薄壳的受力特点 壳身的受力 圆顶环向受力，则与壳板 支座边缘径向法线与旋转 轴的夹角Ф大小有关。
圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成
平滑圆顶
肋形圆顶
多面圆顶
当圆顶跨度不太大时，肋形圆顶可以只设径向肋。 当建筑物平面为正多边形时，可采用多面圆顶结构。 与平滑圆顶相比，多面圆顶有较好的建筑外形，与 肋形圆顶相比，节省材料、自重轻。
圆顶薄壳 圆顶薄壳的组成
支座环：支座 环是球壳的底座， 它是圆顶薄壳结 构保持几何不变 性的保证。
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
（3）横隔： 常用的横隔形式有 弧形横隔梁、等高横隔 梁、拉杆拱、拱形刚架、 桁架、悬挑桁架、空腹 桁架、框架横隔。
筒壳（柱面壳） 筒壳结构的的组成
横隔的作用 保持壳体的形状； 形成筒壳的空间刚度并 保证筒壳的空间工作； 作为筒壳的支座承受由 壳板传来的顺剪力。
概述 薄壁空间结构的优缺点
优点： （1）材料省； （2）自重轻； （3）曲面形式丰富。 结构主要承受轴力和顺剪力，再加上它的空间工作 特性，所以材料强度可以得到充分利用。
如6x6的钢筋混凝土结构板，一般至少 需要130mm厚度，而35mx35m的双曲扁 壳屋盖（北京火车站候车厅）仅80mm 厚度，折算下来两者相差10倍。
概述 直纹曲面
由一条直母线的两端分别沿两条 固定的曲导线移动而形成的曲面。 工程中常见的3种 （3）锥面、锥状面 锥面: 一条直母线的一端固定在一 点，另一端沿一条曲导线移动形 成。 锥状面:又称为劈锥面，由一条直 母线沿一条直导线和一条曲导线 平移并始终平行于导平面所形成。
概述 组合曲面 上述的基本几何 曲面上任意切取 一部分或将曲面 进行不同的组合， 双曲扁壳 便可得到各种各 样复杂的曲面。 不过，曲面过于 复杂，会造成极 筒壳 大的施工困难， 甚至难以实现。 劈锥壳
第六章 薄壁空间结构
横隔（跨度）－－ 功能：承受顺剪力，将内力传到下部结构 型式：5种
l1 / l2 ≥ 3
6.3.2 筒壳的受力特点
1. 当 l1 / l 2 ≥ 3 2. 当 l1 / l 2 ≤ 2 时；为长壳：按梁理论计算 时；为短壳：按照薄膜理论计算
3.当 2 < l1 / l 2 < 3 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
6.6 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
l1 / l2 ≥ 3
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
6.3.3 筒壳的结构构造
f 1.短壳： > 1 / 8l 2 ，t 与配筋按构造 2.长壳：f > 1 / 8l 2 ，h ≈ 1 / 10 ~ 1 / 12l 2 ； 可取 1 / 300 ~ 1 / 500l 2 ， t
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
6.3.4 结构实例
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
m 施工企业：大林·西松·浅沼建设共同体
2
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
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。
第五章 薄壁空间结构
(2)预制单元、高空装配成整体壳体
把壳体划分成若干单元预制后在工地吊装、拼合、固定。因 只需在接缝处搭脚手架浇筑混凝土，接缝模板量少且为单曲， 较易制作，现场高空作业量大为减少，工期较短，且施工不 受季节影响。装配整体式壳体的整体抗震性能，比现浇混凝 土壳体差。单元划分时规格不宜过多，堆放、搬运及吊装时 需特别注意壳板稳定，因此一般宜增设壳板边肋，这将增加 一些材料用量，但同时壳板的厚度则可比无肋壳体做的薄些。
2.砌体结构 用砌体作为竖向承重结构的结构体系。
3.砌体结构的应用 由于砌块具有良好的耐火、保温、隔声和抗腐蚀 性能，且具有较好的大气稳定性。它还可以就地取材，生产和施工工 艺简单，工程造价低。尽管砌体结构也具有自重大、强度低、抗震性 能差的弱点，砌体结构在我国依然有着非常广泛的应用。
4.提高砌体结构承载能力和抗震性能的技术措施 1）在灰缝中配置钢筋，可以增强砌体本身的强度和变形
（4）拱结构的支撑系统：为了保证拱在轴线平面外的受压稳定性， 须设置横向支撑，为了传递作用于山墙上的风荷载，还应设置纵向支 撑。
（5）拱结构的实际应用：建筑中多用于屋面结构。 （6）拱结构的布置：并列拱或交叉拱结构
多层建筑结构核心概念复习
1.砌体 砌块材料用灰浆粘接砌筑而成的结构体。
化处、楼梯间及电梯间；并应尽量布置在端部。
1 概述
一、薄壳结构的概念 壳体结构是一种曲面的空间薄壁结构。壳体的截面高度称为壳体厚度，
根据壳体厚度是否有变化，有等厚度壳和变厚度壳之分。 当厚度远小于壳体的最小曲率半径时，称为薄壳，反之称为厚壳或中
厚度壳。 一般在建筑工程中所遇到的壳体，常属于薄壳结构的范畴。
框架结构的承重方案 承重框架的布置方案有横向框架承 重方案、纵向框架承重方案和纵横向框架混合承重方案等 几种。