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。
浅谈薄壳结构
折板结构可认为是薄壳结构的一种，它是由若干狭长的薄板以一定角度相交连成折线形的空间薄壁体系。我国常用为预应力混凝土V形折板，具有制作简单、安装方便与节省材料等优点，最大跨度可达24m。折板结构的折现形状横截面，大大增加了空间结构刚度，既能做梁受弯，又能作拱受压，且便于预制，因而得到广泛的发展。近年来在园林建筑中运用尤为广泛，在我国园林建筑中也起到不容忽视的作用, 深受园林建筑师的重视。以薄壳结构在我国园林建筑中的应用所取得的成就意义来看主要有三个方面: 1) 在园林建筑中应用新材料代替了木材、砖、石; 2)在结构上趋于计算更合理的利用空间; 3) 适用于形态多样的造型, 结构稳定强度大, 能塑造大型空间建筑, 节省物力、财力。这些薄壳结构所具有的优越性在园林建筑应用发展中具有十分重要的意义。
2.3 组合式壳体
A.圆柱面壳体沿对角线切开后重组(见图9)。
B. 双曲抛物面切割重组( 见图10)。
图9 圆柱面壳体沿对角线切开后重组示意图 图10 双曲抛物面切割重组示意图
3 薄壳结构所采用的材料
从经济上考虑, 优先考虑采用钢筋混凝土作为材料, 为改进其抗裂性能差的缺点, 可采用钢丝网加高标号水泥砂浆作粘结剂, 使其达到较高的力学性能, 由此还可减少壳体的厚度。如进一步采用现代材料科学的成果, 使用高强度钢丝或其他高强度纤维组织物, 并在水泥中添加高分子聚合物, 其性能尚可进一步提高。采用薄钢板作为薄壳结构材料或用玻璃钢材料, 这些材料的各项力学性能好, 而且耐大气的侵蚀, 外形呈多种曲面的壳体, 以弥补材料弹性模量的不足。
薄壳结构
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。
人工薄壳结构和天然薄壳结构的区别
建筑结构选型——人工薄壳结构和天然薄壳结构的区别自然界中有十分丰富的天然壳体结构实例，如蛋壳、贝壳、脑壳、植物种子的外壳等，日常生活中也有许多人工壳体结构的实例，比如碗、罐、安全帽，还有许多建筑的外壳也是模仿了这种结构。
他们都是以最少的材料构成特定的使用空间，并具有一定的刚度和强度。
薄壳结构建筑属于仿生建筑，他将自然界中的薄壳结构运用到了建筑中，对建筑的发展起了很大的作用。
人工薄壳结构实例：代代木体育馆薄壳结构建筑有很多，其中日本的代代木体育馆就是其中之一，日本建筑大师丹下健三设计的代代木体育馆是60年代的技术进步的象征，它脱离了传统的结构和造型，被誉为划时代的作品。
代代木体育馆由两个馆组成，第一体育馆为两个相对错位的新月形，像一只巨大的海螺，第二体育馆为螺旋形，像个螺蛳，整体就像海滩边的两个贝壳，外观曲线流畅，轻快，形象动人。
能够建造出这么漂亮的建筑，得益于对薄壳结构的利用，体育馆的整个外表面都是由曲面的薄壳构成，再加上采用了高张力缆索为主体的悬索结构，创造出带有紧张感、力动感的大型内部空间以及外部新颖、流畅的造型。
也正式由于采用了薄壳结构，使得两座建筑里没有一条直线，天花板的斜坡、圆形流畅的看台、呈梯形排列的观众席、窗户所刻划出的动感，与运动员所呈现出的动感融为一体，一切都呈曲线，一切都像在动，使得整个场馆显得朝气蓬勃。
天然薄壳结构实例：贝壳贝壳也是一中天然的薄壳结构，它是软体动物的外壳，是动物本身的一种分泌物形成的钙化物，他本身就是一个薄壳结构，以最少的材料构成了特定的空间，并且有很强的刚度。
贝壳的外形艳丽，漂亮，经过加工可形成饰物等。
现代建筑中的薄壳结构正式模仿贝壳等天然形成的薄壳结构建造而成，不但外形新颖，漂亮，最重要的是他以最少的材料形成了特定的使用空间，并具有很高的强度，而且随着新材料的引入以及建筑工艺的进步，薄壳结构的强度、跨度都在不断增加，在现代建筑中运用越来越广泛。
人工薄壳结构是一中仿生结构，他们有着很多的相似之处，包括外形、受力形式、高强度等，然而，人工薄壳结构和天然薄壳结构还是存在一些差异，他们的区别大致如下：人工薄壳结构一开始的时候并不是所有形状都能做出来，因为它开始的时候主要是用砖来做的穹顶，后来发展到用混凝土做的穹顶，这种由砖或混凝土做的薄壳结构形状是有限制的，不是做成各种形状都可以，后来随着材料以及建造工艺的发展，才能够做出各种各样造型的薄壳结构；如上面提到的，人工薄壳结构的材料是多种多样的，这点和天然薄壳结构也是有区别的，天然薄壳结构多位钙化物或是纤维体等天然材料，而人工薄壳结构多采用一些人工合成的材料进行建造；还有一点就是，天然薄壳结构基本上仅是以壳体本身为整个支撑体系，而人工薄壳结构除了壳体本身外，多辅以一些其他结构来给予支撑，如代代木体育馆，除了薄壳结构，还采用了悬索结构等，并不是单一的薄壳结构。
8,9第八章拱结构第九章薄壳结构
(3)利用拉杆来承受水平推力 利用拉杆来承受水平推力 在拱脚处设置钢杆， 在拱脚处设置钢杆，利用钢杆受拉从而抵抗拱 的推力(图 的推力 图8—5a、b)。这种解决办法传力路线最 、 。 简短， 简短，在拱结构的范围内直接解决推力问题面不致 将推力传给支承拱的结构构件上。钢杆因为受拉、 将推力传给支承拱的结构构件上。钢杆因为受拉、 这样处理的拱故也称“拉杆拱” 这样处理的拱故也称“拉杆拱”。拉杆拱因为推力 问题可在拱本身独立解决， 问题可在拱本身独立解决，故拉杆拱普遍用于屋盖 结构上。 结构上。 为了避免拉杆在自重作用下严重下垂，通常设 为了避免拉杆在自重作用下严重下垂， 置吊杆以维持拉杆的水平依置(图 置吊杆以维持拉杆的水平依置 图8—5a、b)。 、 。
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三、钢筋混凝土大拱的施工方案
出于拱的外表面 出于拱的外表面是空间曲面，所以大拱施工时的模板 间曲面， 放样、 位和控制的难度大；拱的总重达 总重达3000t以上。 以上。 放样、定位和控制的难度大；拱的总重达 以上 如果用常规搭架的方法浇筑混凝土， 如果用常规搭架的方法浇筑混凝土，搭架材料的消耗和 其他费用很大；施工要求很高． 其他费用很大；施工要求很高．质量与安全问题也难于 保证。 保证。 因此，在结构设计阶段，就对施工方法、 因此，在结构设计阶段，就对施工方法、施工阶段 应力变形的控制与监测、安全等方面作了系统的研究， 应力变形的控制与监测、安全等方面作了系统的研究， 构思了一个“钢管混凝土半刚性骨架 钢管混凝土半刚性骨架”的无支架施工空间 构思了一个 钢管混凝土半刚性骨架 的无支架施工空间 大拱的方法。 大拱的方法。 这一方法的要点是：先制作一个钢管混凝土 这一方法的要点是：先制作一个钢管混凝土拱形骨 作为施工期间的承重支架． 架．作为施工期间的承重支架．大拱的模板就直接悬挂 在这个骨架上 大拱的混凝土浇筑完毕后， 在这个骨架上；大拱的混凝土浇筑完毕后，这个骨架就 久留在混凝土内，作为大拱的劲性配筋，如图8—20 永久留在混凝土内，作为大拱的劲性配筋，如图 图8—21所示。 所
薄壳结构的受力分析与计算
薄壳结构的受力分析与计算薄壳结构是一种常见的结构形式，广泛应用于建筑、航空航天、汽车等领域。
薄壳结构的设计和施工需要进行受力分析与计算，以确保结构的稳定性和安全性。
本文将介绍薄壳结构的受力分析及相关计算方法。
1. 薄壳结构的定义及分类薄壳结构是指厚度相对较小、形状符合一定几何规律的结构。
根据结构的形状和受力特点，薄壳结构可以分为平面薄壳、旋转薄壳和非旋转薄壳等多种类型。
2. 薄壳结构的受力特点薄壳结构主要受到包括弯曲、剪切和膜力在内的多种力的作用。
在设计和计算过程中，需要分析结构的内力分布、变形情况以及应力状态，以确保结构的强度和刚度满足使用要求。
3. 薄壳结构的受力分析方法薄壳结构的受力分析可以采用经典理论和现代有限元分析方法。
经典理论方法包括薄壳的弯曲理论、剪切变形理论和膜力理论。
这些理论通常基于结构的几何形状和受力特点，通过假设和推导得到结构的内力分布和应力状态。
其中比较典型的理论方法有Kirchhoff理论、Love理论和Reissner-Mindlin理论等。
现代有限元分析方法是一种计算机辅助的数值计算方法，能够更精确地模拟薄壳结构的受力分析。
该方法将结构离散成有限个小单元，在每个单元上建立数学模型，通过计算机计算得到结构的内力分布和应力状态。
有限元分析方法可以对复杂的薄壳结构进行全面的受力分析，但需要考虑材料性质、边界条件和加载方式等因素。
4. 薄壳结构的受力计算薄壳结构的受力计算是在受力分析的基础上，根据结构的几何形状、材料性质和加载情况，确定结构的强度和稳定性。
在进行受力计算时，需要先确定结构的边界条件，包括支撑条件和约束条件。
然后根据受力分析的结果，计算结构的内力和应力。
根据材料的强度和稳定性要求，可以进行强度验证和稳定性分析，以确定结构的合理性和安全性。
5. 受力分析与计算的案例以一个球面薄壳为例，对其进行受力分析与计算。
首先，根据球面薄壳的几何形状和受力特点，采用适当的受力分析方法，比如Reissner-Mindlin理论。
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。
薄壳结构调研讲解
薄壳结构班级学号：1101404-25姓名：刘益宁指导老师：彭懿日期：2013.11.20调研建筑：星海音乐厅·悉尼歌剧院·国家大剧院1薄壳结构的定义：壳，是一种曲面构建，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。
2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。
双曲抛物面案例星海音乐厅星海音乐厅位于广州二沙岛，造型奇特的外观，富于现代感，犹如江边欲飞的一只天鹅，与蓝天碧水浑然一体，形成一道瑰丽的风景线。
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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。
2 薄壳结构型式与曲面的关系2.1旋转曲面由一平面曲线作母线绕其平面内的轴旋转而成的曲面，称为旋转曲面。
该平面曲线可有不同形状，因而可得到用于薄壳结构中的多种旋转曲面，如球形曲面、旋转抛物面和旋转双曲面等（如下图）。
圆顶结构就是旋转曲面的一种。
2.2平移曲面一竖向曲母线沿另一竖向曲导线平移而成的曲面称为平移曲面。
在工程中常见的平移曲面有椭圆抛物面和双曲抛物面，前者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相同的抛物线作导线平移而成的曲面(如下图左），后者是以一竖向抛物线作母线沿另一凸向相反的抛物线作导线平移而成的曲面（如下图右）。
2.3直纹曲面一根直线的两端沿二固定曲线移动而成的曲面称为直纹曲面。
工程中常见的直纹曲面有以下几种：2.3.1鞍壳、扭壳如下图所示的双曲抛物面，也可按直纹曲面的方式形成。
扭曲面则是用一根直母线沿两根相互倾斜且不相交的直导线平行移动而成的曲面。
2.3.2柱面与柱状面柱面是由直母线沿一竖向曲导线移动而成的曲面。
柱状面是由一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成（如下图所示）。
2.3.3锥面与锥状面锥面是一直线沿一竖向曲导线移动，并始终通过一定点而成的曲面。
锥状面是由一直线一端沿一根直线、另一端沿另一根曲线，与一指向平面平行移动而成的曲面。
（如下图所示）3 薄壳结构的分类3.1圆顶薄壳圆顶结构是极古老的建筑形式，古人仿效洞穴穹顶，建造了众多砖石圆顶，其中多为空间拱结构。
直到近代，由于人们对圆顶结构的受力性能的了解，以及钢筋混凝土材料的应用，采用钢筋混凝土建造的圆顶结构仍然在大量的应用。
圆顶薄壳结构为旋转曲面壳。
根据建筑设计的需要，圆顶薄壳可采用抛物线、圆弧线、椭圆线绕其对称竖轴旋转而成抛物面壳、球面壳、椭球面壳等。
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，因而可以用于大型公共建筑，如天文馆、展览馆、剧院等。
3.1.1圆顶薄壳的组成及结构型式圆顶薄壳由壳板、支座环、下部支承结构三部分组成。
3.1.1.1壳板按壳板的构造不同，圆顶薄壳可分为平滑圆顶、肋形圆顶和圆顶薄壳的组成多面圆顶三种，其中，平滑圆顶在工程中应用最为广泛。
平滑圆顶肋形圆顶多面圆顶3.1.1.2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，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。
3.1.1.3下部支承结构圆顶薄壳的下部支承结构一般有以下几种：①圆顶薄壳通过支座环直接支承在房屋的竖向承重结构上，如砖墙、钢筋混凝土柱等。
这时径向推力的水平分力由支座环承担，竖向支承构件仅承受径向推力的竖向分力。
②圆顶薄壳可支承于框架上，由框架结构把径向推力传给基础。
③但当结构跨度较大时，由于推力很大，支座环的截面尺寸就很大，这样既不经济，也不美观。
圆顶薄壳可以通过周围顺着壳体底缘切线方向的直线形、Y形或叉形斜柱，把推力传给基础。
④圆顶薄壳像落地拱直接落地并支承在基础。
3.1.2圆顶薄壳的受力特点一般情况下壳板的径向和环向弯矩较小，可以忽略，壳板内力可按无弯矩理论计算。
在轴向对称荷载作用下，圆顶径向受压，径向压力在壳顶小，在壳底大；圆顶环向受力，则与壳板支座边缘处径向法线与旋转轴的夹角φ大小有关，当φ≤51度49时，圆顶环向全部受压；当φ＞51度49时，圆顶环向上部受压，下部受拉力（如图所示）。
径向应力状态环向应力状态环向应力状态支座环对圆顶壳板起箍的作用，承受壳身边缘传来的推力。
一般情况下，该推力使支座环在水平面内受拉，在竖向平面内受弯矩、剪力。
当时，支座环内不产生拉力，仅承受竖向平面的内力（如下图）。
3.2圆柱形薄壳圆柱形薄壳的壳板为柱形曲面，由于外形既似圆筒，又似圆柱体，故既称为圆柱形薄壳，也称为柱面壳。
3.2.1圆柱形薄壳的结构组成与型式圆柱形薄壳由壳板、边梁及横隔三部分组成。
两个边梁之间的距离，称为波长；两个横隔之间的距离称为跨度。
圆柱形薄壳的跨度与波长的比例常常是不同的。
一般当≥1时，称为长壳，一般为多波形；当<1时，称为短壳，大多为单波多跨。
圆柱形薄壳壳板的曲线线形可以是圆弧形、椭圆形、抛物线等，一般都采用圆弧形，可减少采用其他线形所造成的施工困难。
并且壳板边缘处的边坡(即切线的水平倾角φ)不宜过大，否则不利于混凝土浇筑，一般φ取35°～40°。
壳体截面的总高度一般不应小于(1／10～1／15) ，矢高不应小于 ／8。
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局部加厚，以抵抗此处局部的横向弯矩。
3.2.1圆柱形薄壳的受力特点圆柱形薄壳是空间结构，内力计算比普通结构要复杂得多。
圆柱形薄壳与筒拱的外形都为筒形，极其相似，常为人混淆，但两者的受力本质是不同的。
筒拱两端是无横隔支承的，而圆柱形薄壳两端是有横隔支承的。
因而两者在承荷和传力上有着本质的区别。
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。
而圆柱形薄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，圆柱形薄壳是横向拱与纵向梁共同作用的空间受力结构。
当圆柱形薄壳的跨波比不同时，圆柱形薄壳的受力状态就存在很大的区别。
一般，圆柱形薄壳的受力特点分下面这三种情况。
3.2.1.1当≥3时,由于圆柱形薄壳的跨度较长，横向拱的作用明显变小，横向压力较小，而纵向梁的传力作用显著。
故圆柱形薄壳近似梁的作用，可按材料力学中梁的理论来计算。
3.2.1.2当 ≤1／2时,试验研究证明，由于圆柱形薄壳的跨度较小，圆柱形薄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，故可按薄膜理论来计算。
3.2.1.3当 1／2< <3时,由于圆柱形薄壳的跨度既不太长，也不太短，其受力时拱和梁的作用都明显，壳体既存在薄膜内力，又存在弯曲应力，可用弯矩理论或半弯矩理论来计算。
边梁是壳板的边框，与壳板共同工作，整体受力。
一般边梁主要承受12/l l 12/l l 12/l l纵向拉力，因此需集中布置纵向受拉钢筋，同时，由于它的存在，壳板的纵向和水平位移可大大减小。
3.2.2圆柱形薄壳的采光与洞口处理一般圆柱形薄壳覆盖较大面积，采光和通风处理的好与坏，直接影响建筑物的使用功能。
一般情况下，圆柱形薄壳的采光可以采用以下几种方法。
第一种，可在外墙上开侧窗；第二种，可利用在圆柱形薄壳混凝土中直接镶嵌玻璃砖；第三种，不论长短壳，可在壳顶开纵向天窗，而短圆柱形薄壳还可沿曲线方向开横向天窗；第四种，可以布置锯齿形屋盖。
由于圆柱形薄壳的壳体中央受力最小，故洞口宜在壳顶沿纵向布置。
洞口的宽度，对于短壳不宜超过波长的1／3，对于长壳，不宜超过波长的1／4，纵向长度不受限制，但孔洞的四边必须加边框，沿纵向还须每隔2～3m设置横撑。
3.3双曲扁壳圆柱形薄壳与球壳的结构空间非常大，对无需如此大的使用空间者，会造成较大的浪费，因此都欲降低其结构空间。
当薄壳的矢高与被其覆盖的底面最小边长之比≤1／5时，人们称如此之壳体为扁壳。
因为扁壳的矢高与底面尺寸和中面曲率半径相比要小得多，所以扁壳又称为微弯平板。
实际上，有很多壳体都可作成扁壳，如属双曲扁壳的扁球壳就是球面壳的一部分，属单曲扁壳的扁圆柱形薄壳为柱面壳的一部分等。
本节所讨论的双曲扁壳为采用抛物线平移而成的椭圆抛物面扁壳(如图所示）。
3.3.1双曲扁壳的结构组成与形式双曲扁壳由壳板和周边竖直的边缘构件组成。
壳板是由一根上凸的抛物线作竖直母线，其两端沿两根也上凸的相同抛物线作导线平移而成的。
双曲扁壳的跨度可达3～40m，最大可至l00m，壳厚δ比圆柱形薄壳薄，一般为60～80mm。
由于扁壳较扁，其曲面外刚度较小，设置边缘构件可增加壳体刚度，保证壳体不变形，因此边缘构件应有较大的竖向刚度，且边缘构件在四角应有可靠连接，使之成为扁壳的箍，以约束壳板变形。
边缘构件的形式多样，可以采用变截面或等截面的薄腹梁，拉杆拱或拱形桁架等，也可采用空腹桁架或拱形刚架。
3.3.2双曲扁壳的受力特点双曲扁壳在满跨均布竖向荷载作用下，壳板的受力以薄膜内力为主，在壳体边缘受一定横向弯矩。
根据壳板中内力分布规律，一般把壳板分为三个受力区。