薄壁空间结构
第五章 钢筋混凝土空间薄壁结构
施工监控：采用先进的施工监控技术，对施工过程进行实时监测和记录，及时发现 和解决潜在的问题，确保施工质量和安全。
应急预案：制定完善的应急预案，包括应对突发事件、自然灾害等方面的措施，确 保在紧急情况下能够迅速采取有效措施，保障人员安全和减少损失。
绿色环保技术：采用绿色环保技 术，减少对环境的负面影响，实 现可持续发展。
未来发展方向与挑战
未来发展方向：优化设计、提高承载能力、降低成本 面临的挑战：耐久性、施工质量控制、环境适应性 发展趋势：智能化、绿色化、可持续性 展望：在建筑、桥梁等领域的应用前景广阔
对行业的贡献与影响
提高了建筑结构的稳定性和安全 性
案例分析与实践经验
案例一：某大型桥梁工程
案例三：某大跨度厂房
添加标题
添加题
案例二：某高层建筑
添加标题
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实践经验：施工要点与注意事项
案例的优缺点与改进方向
缺点：施工难度大、易开裂、 维护成本高
改进方向：优化设计、提高 材料性能、加强施工监控
优点：结构轻巧、承载力高、 抗震性能好
案例：某大型桥梁工程、高 层建筑等
钢筋混凝土空间薄壁结构的性能分 析
受力性能
稳定性：能够承受较大的侧 向压力和水平推力
受力特点：具有较高的承载 能力和刚度
抗震性能：在地震作用下具 有良好的抗震性能
耐久性：能够承受长期的外 部荷载和环境因素的作用
抗震性能
钢筋混凝土空间薄壁结构具有良好的抗震性能，能够吸收地震能量，减少 结构损伤。
降低了建筑成本和能耗，提高了 经济效益和社会效益
钢筋混凝土空间薄壁结构
5.3.3 筒壳的结构构造 1、短壳：矢高大于波长的1/8，空间作用明显，壳体 内力以薄膜内力为主，弯矩极小，按构造配筋。 2、长壳：长壳截面高度建议取用跨长的1/10~1/15， 壳板的矢高不应小于波长的1/8，板厚取波长的 1/300~1/500且大于50mm。
5.3.4 筒壳结构的工程实例 1、同济大学礼堂
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自然界中的空间薄壁结构
鸡蛋：直径50mm，壁厚0.2mm， 厚度为跨度的1/250
第五章 钢筋混凝土空间薄壁结构
5.1.1 薄壳结构的概念
壳体结构——上下两个几何曲面所构成的薄壁空间 结构。
壳体厚度——两个几何曲面距离称为壳体的厚度δ， 可分为等厚度壳，变厚度壳。
薄壳——壳体的厚度δ远小于壳体的最小曲率半径R 时，即称为薄壳。
3、直纹曲面 一条直线（母 线）的两端分 别沿二固定曲 线（导线）移 动所形成曲面。
双曲抛物面也是直纹曲面
5.1.3 薄壳结构的内力
为了方便计算，一般不用应力作为计算单位，而是 以中曲面单位长度上的内力作为计算单位。
内力有8对，分为两类： 1、作用于中曲面以内的薄膜 内力； 2、作用于中曲面以外的弯曲 内力。
5.2 圆顶
适用于平面为圆形的大跨 度建筑。 天文馆最常用的结构形式
5.2.1 圆顶的结构组成及 结构形式
圆顶结构由壳身、支座环、 下部支撑构件三部分组成。
5.2.1 圆顶的结构组成及 结构形式
圆顶结构由壳身、支座环、 下部支撑构件三部分组成。
5.2.1 圆顶的结构组成及结构形式 圆顶结构由壳身、支座环、下部支撑构件三部分组成。
第五章 钢筋混凝土空间薄壁结构
5.1 概述 平面结构——自身平面内受力，构件之间需额外设 置支撑以实现另一方向的安全性和稳定性。
薄壁结构_1030
1.概念 2.圆顶 3.筒壳和锥壳 4.双曲扁壳 5.扭壳 6.折板 7.雁形板 8.幕结构
天津南美风情酒店 （水母酒店）
1.概述
薄壁结构的概念 结构的厚度远小于长度和宽度，一 般由金属或钢筋混凝土材料制成， 受力特点为空间受力体系。
1.概述
1.1 薄壳结构的概念
（德国法兰克福市霍希斯特染料厂游艺大厅）
1.球形建筑，正六边形割球壳，球壳半径50m，矢高 25m，底平面为正六边形 2.球壳支撑在六个点上，支撑点之间、球壳的边缘是拱券形
3.球壳切口由边缘桁架支撑，跨度为43.3m
2.圆顶
2.3 圆顶工程实例
（美国麻省理工学院礼堂）
1.屋顶为球面薄壳，薄壳曲面由1/8球面构成，是由三个与水平
2.圆顶
2.1圆顶的结构组成及结构型式
2）支座环
横截面型式
2.圆顶
2.1圆顶的结构组成及结构型式
3）支撑结构
支座环承担径向推力的水平分量 竖向支撑承担径向推力的竖直分量
支撑在竖向承重结构上（墙、柱等）
2.圆顶
2.1圆顶的结构组成及结构型式
3）支撑结构
优点： 平、立面布置灵活，表现力比较强 缺点： 柱脚或拱脚使基础受到水平推力
2.圆顶
2.3 圆顶工程实例（罗马小体育馆）
1.钢筋混凝土网肋扁球壳结构，球壳直径59.13m
2.球壳采用装配整体式叠合结构
1620块预制钢丝网水泥菱形构件作为模板，现浇上混凝土， 成为肋形球壳 3.壳肋支撑在36根Y形斜柱上 斜柱的倾角与壳底边缘经向
切线方向一致，把推力传入
基础
2.圆顶
2.3 圆顶工程实例
概念： 壳体结构：上下两个几何曲面构成的薄壁空间结构 等厚度壳：两个曲面之间的距离（壳体的厚度）处处相等 薄壳：壳体的厚度远小于最小曲率半径R时称为薄壳
建筑结构选型------ 薄壁空间结构
C.框架支承
D.落地支承
圆顶
• 结构构造
1.壳板厚度
t=R/600，且现浇时≥40mm， 装配整体式时≥30mm 。
3.支座环附近构造及配筋
支座环约束附 近的局部弯矩 支座环附近壳板应 加厚并双层配筋 增加厚度≥t
长壳与曲线截面梁的应力状 态相似，可按梁理论计算
筒壳
• 筒壳的受力特点
3.筒壳的传力模式
当横隔为实体梁时， 梁应按偏拉构件计算 并非将荷载竖 向地传给横隔
而是通过壳面内的顺 剪力将荷载传给横隔
当横隔为桁架时，应将顺剪力换 算成节点上的集中荷载再计算
筒壳
• 筒壳的结构构造
1.短壳（L1/L2≤2）
果壳
蜗牛壳
蛋壳
蚌壳
脑壳
种子
概述
• 薄壳结构的概念
4.壳体结构实例
B.生活中的壳体结构
灯泡
乒乓球
飞机
罐
安全帽
轮船
概述
• 薄壳结构的曲面形式
1.旋转曲面
旋转曲面： 由一条平面曲线绕着该 平面内某一给定直线旋 转一周所形成的曲面。 旋转壳： 以旋转曲面为中曲面的 壳体。 母线： 即绕旋转曲转动的曲线。 旋转轴： 旋转时不动的直线。 抛物球壳 椭球壳 双曲球壳
概述
• 薄壳结构的概念
2.描述壳体结构的相关概念
I.高斯曲率 —曲面上某点两个主曲率乘积
J.壳顶 —在曲面以上 的中曲面的最 高点，如下图 的 o点 K.矢高 —壳顶到底面 的距离，如右 图的f L.矢率 —矢高与底面 短边之比，即 右图中的f/a M.扁壳与陡壳 —矢率较小者为扁壳，较 大者为陡壳，工程上常 以f/a=1/5为界限
钢筋混凝土空间薄壁结构
钢筋混凝土空间薄壁结构关键信息项：1、结构设计要求2、施工技术标准3、质量验收标准4、维护与保养责任5、违约责任与赔偿6、争议解决方式11 协议目的本协议旨在规范钢筋混凝土空间薄壁结构的设计、施工、验收、维护及相关责任等方面的事宜，确保该结构的安全性、可靠性和耐久性。
111 适用范围本协议适用于所有采用钢筋混凝土空间薄壁结构的建筑项目。
12 结构设计要求121 设计单位应具备相应的资质和经验，根据相关规范和标准进行结构设计。
122 结构设计应考虑荷载情况，包括但不限于恒载、活载、风载、地震作用等。
123 薄壁结构的几何形状、尺寸和配筋应经过精确计算和优化，以满足结构的强度、刚度和稳定性要求。
13 施工技术标准131 施工单位应制定详细的施工方案，并经监理单位和建设单位审批。
132 施工过程中应严格按照设计要求进行钢筋的布置、绑扎和连接。
133 混凝土的配合比、搅拌、浇筑和振捣应符合相关标准，确保混凝土的质量。
134 施工中应采取有效的模板支撑体系，保证薄壁结构的形状和尺寸精度。
14 质量验收标准141 钢筋混凝土空间薄壁结构的验收应按照国家和地方相关标准进行。
142 验收内容包括结构的几何尺寸、钢筋布置、混凝土强度、外观质量等。
143 对于存在质量问题的部位，应制定整改措施并及时整改，整改后重新验收。
15 维护与保养责任151 建设单位应在结构使用过程中定期进行检查和维护，确保结构的安全使用。
152 维护工作包括但不限于结构表面的清洁、防水处理、钢筋的防锈蚀处理等。
153 发现结构存在安全隐患时，应及时采取措施进行修复或加固。
16 违约责任与赔偿161 若设计单位未按照协议要求进行设计，导致结构存在安全隐患或质量问题，应承担相应的责任并赔偿损失。
162 施工单位未按照施工技术标准进行施工，造成质量事故的，应负责返工并承担由此产生的费用和损失。
163 建设单位未按照维护要求进行维护，导致结构损坏的，应承担相应的责任和损失。
薄壁空间结构
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
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n 圆顶是正高斯曲率的旋转曲面壳。 n 一、圆顶的结构组成及结构形式 n 1、壳身部分
20
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按壳板的构造不同，圆顶薄壳可分为平 滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶三种。
三种圆顶壳板构造 （a）平滑圆顶 （b）肋形圆顶 源自c）多面圆顶2121
n 2、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，对圆顶起到箍的作用。它可能要承担很大的 支座推力，由此环内会产生很大的环向拉力T，因此支 座环必须为闭合环形，且尺寸很大，其宽度在0.5— 2m，建筑上常将其与挑檐、周圈廊或屋盖等结合起来加 以处理，也可以单独自成环梁，隐藏于壳底边缘。
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圆顶薄壳支承在斜拱
这种支承方式，往往会收到意想不到建筑效果。在平面上， 斜柱、斜拱可布置为多边形，给人以“天圆地方”的造型美。 在立面上，斜柱、斜拱可以外露，既可表现结构的力量之 美，又能与其它建筑构件互相配合，形成很好的装饰效果， 给人清新，明朗之感。
n薄壳的薄膜内力
3
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n 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。
n 不过，薄壳结构也又其自身的不足之处，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。
n 以上所列种种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。两个曲面之间的距离即为壳体的厚度
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。
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薄壁空间结构
薄壁空间结构，也称壳体结构。
它的厚度比其他尺寸(如跨度)小得多，所以称薄壁。
它属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴向压力，弯矩很小。
它的受力比较合理，材料强度能得到充分利用。
薄壳常用于大跨度的屋盖结构，如展览馆、俱乐部、飞机库等。
薄壳结构多采用现浇钢筋混凝土，费模板、费工时。
薄壁空间结构的曲面形式很多。
这里讲两种，筒壳和双曲壳。
筒壳一般由壳板、边梁和横隔三部分组成。
筒壳的空间工作是由这三部分结构协同完成的。
它的跨度在30m以内是有利的。
当跨度再大时，宜采用双曲薄壳。
双曲壳特别适用于大空间大跨度的建筑。
双曲壳又分为圆顶壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳。
目前圆顶的直径已达200多米。
圆顶结构可用在大型公共建筑中，如天文馆、展览馆的屋盖。
圆顶结构由壳面、支座环组成。
通过支座环支于垂直构件上。
壳面主要承受压力，支座环承受拉力。
北京天文馆顶盖为半球形圆顶，直径25m，壳面厚6cm，结构自重约200kg／m2。
双曲扁壳是双曲抛物面的一种形式，它由壳板和竖直的边缘构件(横隔构件)组成。
因为扁壳的矢高比底面尺寸小得多，大约为l／5，所以叫扁壳。
例如北京火车站大厅，35mx35m的双曲面扁壳屋盖，壳板为8cm，宽敞明亮，是一成功的范例。