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1、第九章薄殼結(jié)構(gòu)水建學(xué)院土木工程系薄殼結(jié)構(gòu)概念:曲板的內(nèi)力改變?yōu)槭軌簽橹?,受壓比受彎有利得多,尤其是多向受壓,處于空間工作狀態(tài)更加有利薄殼必須具備兩個(gè)條件:一是“曲面的”,二是“剛性的”。所以,薄殼可以簡(jiǎn)單理解為四邊支承的曲板。薄殼的結(jié)構(gòu)組成一般包括:曲面的殼板和周邊的邊緣構(gòu)件兩部分。薄殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):薄殼突出一個(gè)“薄”字,故其優(yōu)點(diǎn)是:材料省、很經(jīng)濟(jì);自重小,為大跨度提供有利條件;曲板的曲面多樣化,為建筑造型提供豐富多采的創(chuàng)造條件。殼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn):體型復(fù)雜,現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)時(shí)費(fèi)工費(fèi)模料,施工不便;板厚太小,結(jié)構(gòu)厚度和保溫隔熱都靠這幾公分厚的材料,隔熱效果不夠好,長(zhǎng)期
2、日曬雨淋容易開裂;殼板天棚的曲面容易引起室內(nèi)聲音反射和混響,對(duì)音響效果要求高的大會(huì)堂、體育館、影劇院等建筑不適宜采用。第一節(jié)薄殼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)第二節(jié)薄殼的型式與曲面關(guān)系薄殼結(jié)構(gòu)是一種薄得不致于產(chǎn)生明顯的彎曲應(yīng)力,但厚度是以承受壓力、拉力和剪力的形抵抗結(jié)構(gòu)。所謂“形抵抗結(jié)構(gòu)”就是將材料造成一定的形式從而獲得強(qiáng)度去承受荷載的結(jié)構(gòu)。薄殼結(jié)構(gòu)賴以獲得這種能力的“形”就是曲面,薄殼的結(jié)構(gòu)效能就是歸功于曲面的曲率和幾何特征。薄殼的型式很多,諸如球面殼、圓柱殼、雙曲扁殼、幕結(jié)構(gòu)、折結(jié)構(gòu)等,都是由曲面變化而創(chuàng)造出的各種型式。薄殼基本曲面形式幾何形成的類型:一、
3、旋轉(zhuǎn)曲面由一平面曲線作母線繞其平面內(nèi)的軸旋轉(zhuǎn)而成的曲面,稱為旋轉(zhuǎn)曲面。常見的有:球形曲面、旋轉(zhuǎn)拋物面和旋轉(zhuǎn)雙曲面。二、平移曲面豎向曲母線沿另一豎向曲導(dǎo)線平移而成的曲面稱為平移曲面。工程中常見的有橢圓拋物面雙曲扁殼和雙曲拋物面。注意區(qū)別。三、直紋曲面一直線沿二固定曲線移動(dòng)形成的曲面。常見的有:1.雙曲拋物面(鞍殼、扭殼)如上圖(b)所示的雙曲拋物面,也可按直紋曲面的方式形成,即工程中的鞍殼。工程中扭殼是由扭曲面構(gòu)成的。2.柱面與柱狀面柱面是由直母線沿一豎向曲導(dǎo)線移動(dòng)而形成的,如筒殼。柱狀面是由一直母線沿著兩根曲率不同的豎向曲導(dǎo)線移動(dòng),并始終平行于一導(dǎo)平面
4、而形成,如柱狀面殼。3.錐面與錐狀面錐面是一直母線沿一豎向曲導(dǎo)線移動(dòng),并始終通過一定點(diǎn)而形成的曲面,如錐面殼。錐狀面是由直母線沿一根直導(dǎo)線和一根豎向曲導(dǎo)線移動(dòng),并始終平行于一導(dǎo)平面而形成的曲面。四、復(fù)雜曲面在上述的基本幾何曲面上任意切取一部分,或?qū)⑶孢M(jìn)行不同的組合,便可得到各種各樣復(fù)雜的曲面。第三節(jié)圓頂薄殼一、圓頂薄殼型式圓頂薄殼的曲面是球形曲面,故也稱“球面薄殼”。圓頂薄殼是最早出現(xiàn)的一種古老型式,它的受力簡(jiǎn)單。殼板的徑向和環(huán)向彎矩極小,可以忽略。所以,殼體主要承受壓力,壓力沿整個(gè)球面擴(kuò)散均勻分布,可以充分利用材料的強(qiáng)度。邊緣構(gòu)件為一圓環(huán),對(duì)圓頂殼
5、面起箍的作用,圓頂通過它擱在支承構(gòu)件上,邊緣構(gòu)件主要承受環(huán)向拉力和彎矩。根據(jù)殼板構(gòu)造,圓頂薄殼可以分為:平滑圓頂、肋形圓頂和多面圓頂三種。二、圓頂薄殼的內(nèi)力狀態(tài)一般情況下,殼面的徑向和環(huán)向彎矩較小可以忽略,殼面內(nèi)力可按無彎矩理論計(jì)算。在軸向(旋轉(zhuǎn)軸)對(duì)稱荷載作用下,圓頂徑向受壓,環(huán)向上部受壓,下部可能受壓也可能受拉,這是圓頂殼面中的主要內(nèi)力。從此可以看出,圓頂結(jié)構(gòu)可以充分利用材料的強(qiáng)度。支座對(duì)圓頂殼面起箍的作用,所以支座環(huán)承受殼面邊緣傳來的推力,其截面內(nèi)力主要為拉力。由于支座環(huán)對(duì)殼面邊緣變形的約束作用,殼面的邊緣附近產(chǎn)生徑向的局部彎矩。圓頂薄殼的支承結(jié)
6、構(gòu),一般有以下幾種:(1)通過支座環(huán)支承在房屋的豎向承重構(gòu)件上。(2)支承在斜柱或斜拱上。(3)支承在框架上。(4)圓頂結(jié)構(gòu)直接落地并支承在基礎(chǔ)上。第四節(jié)圓柱形薄殼圓柱形薄殼的曲面呈單曲外形,故也稱為“筒殼”。筒殼因其幾何形狀簡(jiǎn)單,模板制作容易,施工簡(jiǎn)單,故廣泛用于工業(yè)與民用建筑屋蓋上。筒殼一般由殼板、邊梁和橫隔三部分組成。一、長(zhǎng)薄殼(一)形式和尺寸當(dāng)l1/l2≥l時(shí),稱為長(zhǎng)薄殼。此時(shí),由于l1/l2的比值較大,筒殼的受力情況像曲線截面的梁一樣,其計(jì)算理論與曲線截面梁相仿。長(zhǎng)薄殼的l1/l2的比值一般為l.5~2.5,最大可達(dá)3~4。長(zhǎng)薄殼的跨長(zhǎng)最大可
7、達(dá)30m。殼體截面的總高度f不應(yīng)小于(1/10~1/15)l1;矢高f1不應(yīng)小于1/8l2。殼板的厚度一般為3~8cm。(二)長(zhǎng)殼受力特點(diǎn)和內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)介薄殼是空間結(jié)構(gòu),在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力與普通梁板結(jié)構(gòu)不同,內(nèi)力的計(jì)算也比普通梁板結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多。二、短殼短殼一般也是由殼板、邊梁和橫隔構(gòu)件三部分組成,其跨度與波長(zhǎng)的比值l1/l2<1,通常等于或小于0.5。短殼一般是多跨的。(一)殼板殼板的矢高f1不應(yīng)小于1/8l2。殼板內(nèi)的應(yīng)力不大,通常不必計(jì)算,可按跨度及施工條件決定其厚度。對(duì)普通跨度(l1=6~12m,l2=18~30m)的屋蓋,當(dāng)矢高不小于1/8l
8、2時(shí),厚度可按表9-1選定。(二)邊梁邊梁宜采用矩形截面,其高度一般為(1/15-1/10)l