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壳体结构

补充:0  浏览:9233  发布时间:2014-1-9


国家大剧院壳体结构


  壳体结构


  壳体结构(shell structure)由曲面形板与边缘构件(梁、拱或桁架)组成的空间结构。壳体结构具有很好的空间传力性能,能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构,能覆盖或围护大跨度的空间而不需中间支柱,能兼承重结构和围护结构的双重作用,从而节约结构材料。



  1作用


  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。


  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。


  2分类


  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。


  正高斯曲率壳体: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)。


  3应用


  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。

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