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  • 壳体结构

    壳体结构是由曲面形板与边缘构件(桁架)组成的空间结构。壳体结构可做成各种形状,以适应工程造形的需要,因而广泛应用于工程结构中,如大跨度建筑物顶盖、中小跨度屋面板、工程结构与衬砌、各种工业用管道压力容器与冷却塔、反应堆安全壳无线电塔、贮液罐等。工程结构中采用的壳体多由钢筋混凝土做成,也可用钢、木、石、砖或玻璃钢做成。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 壳体结构
    作用: 实用、经济、美观 受力: 受压
    应用: 国家大剧院

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    作用/壳体结构 编辑

    中国自50年代以来,用壳体结构建成许多实用、经济、美观的房屋建筑,如乌鲁木齐市某金工车间直径60米的椭球面壳,北京火车站大厅35×35米双曲扁壳,大连港仓库屋盖16个23×23米组合型扭壳。
    壳体的曲面,可由直线或曲线旋转而形成,其大部分是正高斯曲率,或由直线或曲线平移而形成,也可根据特殊情况而形成复杂曲面。也称无筋扁壳。曲面的形状根据使用要求和受力性能选定。壳体两表面之间的中间曲面称为中面,壳体的中面、厚度及边缘形状决定壳体的全部几何特性

    分类/壳体结构 编辑

    分类介绍

    壳体结构的种类很多,多根据曲面的几何特性(即两个方向主曲率k1、k2的乘积K,称为高斯曲率)进行分类。当k1、k2同号时,K为正值,称正高斯曲率壳;当k1、k2异号时,K为负值,称负高斯曲率壳;当k1和k2中有一个为零时,K为零,称零高斯曲率壳;此外,尚有混合型曲率壳,即一个壳体内兼有正、负高斯曲率部分。
    高斯曲率壳体:有旋转成形的圆球面壳、椭球面壳、抛物面壳;有平移成形的椭圆抛物面扁壳,简称双曲扁壳。
    负高斯曲率壳体:有旋转成形的双曲面壳;平移成形的双曲抛物面扭壳(包括单块扭壳和四块组合型扭壳)、双曲抛物面鞍形壳。
    零高斯曲率壳体:有旋转成形的圆柱面壳、锥面壳;平移成形的开口圆柱面壳、椭圆柱面壳、抛物线柱面壳。
    混合型曲率壳体:如膜型扁壳,也称无筋扁壳。这种壳在给定荷载作用下只产生均匀相等的薄膜压力,其大部分是正高斯曲率,只在角隅区是负高斯曲率。锯齿形变曲率双曲扁壳有时也属此类。
    壳体按壳的厚度与最小曲率半径的比值,分为薄壳、中厚壳和厚壳。比值小于1/20的一般称薄壳,多用于房屋的屋盖;中厚壳及厚壳多用于地下结构、防护结构。

    分类方法

    计算要点:壳体的内力和变形计算比较复杂。为了简化,薄壳通常采用下述假设:材料是弹性的、均匀的,按弹性理论计算;壳体各点的位移比壳体厚度小得多,按照小挠度理论计算;壳体中面的法线在变形后仍为直线且垂直于中面;壳体垂直于中面方向的应力极小,可以忽略不计。这样就可以把三维的弹性理论问题简化成二维问题进行计算。在考虑丧失稳定的问题时,需要采用大挠度理论并求解非线性方程。厚壳结构的计算则不能忽略垂直于中面方向的应力变化,并按三维问题进行分析(见壳的计算)。

    应用/壳体结构 编辑

    国家大剧院壳体结构国家大剧院壳体结构
    位于人民大会堂西侧的“巨蛋”———国家大剧院采用壳体结构安装。一台600吨巨型履带吊车将第一块长35米、重38吨的钢组合梁缓缓吊起,安装到大剧院中心45米高的预定位置上。根据施工方案,巨型“蛋壳”将被分成数十块分批吊装。
    国家大剧院的基础结构矗立于一片开阔地中,其顶部第一块“蛋壳”已经安装到位,工人们正在进行加固工作。约二三十个同样的钢组合梁被整齐地码放在附近一片洼地里。在工地中央,专门从上海运到北京600吨重的巨型履带吊车正静静地等待着。
    “蛋壳”面积为3.5万多平方米,相当于上海大剧院屋顶面积的3倍多,钢结构总重达6750吨。由于整个结构没有一根柱子支撑,全靠弧形钢梁承重,这样又大又高又重的曲线壳体在施工时有着前所未有的难度。

    难点一

    “钓线”长达108米
    由于国家大剧院的钢结构外壳东西跨度达212.24米,南北跨度为143.64米,吊车无法进行近距离安装,而里面已被歌剧院、音乐厅、戏剧院三组巨大建筑以及地下深达三四层的辅助设施等挤满。
    对策600吨巨型履带吊车进行远距离高空作业,用长达108米的“钓线”以“空中钓鱼”的方式将一块块“蛋壳”送到四五十米的高空,组成钢结构穹顶

    难点二

    最大误差不超2厘米
    在安装钢结构设施时,七项精度控制误差最大累计不能超过2厘米,如此精度要求在钢结构建筑史上前所未有。
    对策先后承建过金茂大厦东方明珠电视塔等超高建筑的施工公司进行了精心的技术准备,攻克了壳体施工过程中整体结构稳定、曲面结构高精度测量等高科技难题。[1]

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    参考资料
    [1]^引用日期:2015-10-12
    开放分类 我来补充
    土木工程建筑

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