一文了解壳体结构!
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2022年10月24日 15:06:39
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壳体结构通常是指层状的结构。它的受力特点是,外力作用在结构体的表面上,如摩托车手的头盔、贝壳等。常用于各类工业设计领域。壳体结构是由空间曲面型板或加边缘构件组成的空间曲面结构。壳体的厚度远小于壳体的其他尺寸,因此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,能覆盖或维护大跨度的空间而不需要空间支柱,能兼承重结构和围护结构的双重作用,从而节约结构材料.

壳体结构通常是指层状的结构。它的受力特点是,外力作用在结构体的表面上,如摩托车手的头盔、贝壳等。常用于各类工业设计领域。壳体结构是由空间曲面型板或加边缘构件组成的空间曲面结构。壳体的厚度远小于壳体的其他尺寸,因此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,能覆盖或维护大跨度的空间而不需要空间支柱,能兼承重结构和围护结构的双重作用,从而节约结构材料.

壳体具有很好的抗压性,即能承受很大的压力,但是抗拉性却较差,即经不起较大的拉力。

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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。

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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。

圆顶薄壳

圆顶是正高斯曲率的旋转曲面壳。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,广泛用于大型公共建筑如天文馆、展览馆、剧院等。

一、圆顶薄壳的组成及结构型式

一般由壳身、支座环、下部支承结构组成。

1、壳身结构

按构造的不同,可分为平滑圆顶、肋形圆顶和多面圆顶。

当建筑上由于采光要求需将圆顶表面划分成若干区格;或当壳体承受集中荷载时;或当壳身厚度太小、不能保证壳体的稳定;或采用整体式结构时用肋形圆顶。当建筑平面为正多边形时,可采用多面圆顶结构。

当有通风采光要求时,一般可在圆顶顶部开设圆形空洞。

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壳体:开口壳和闭口壳。

2、支座环

保证圆顶几何不变。其作用和拱结构拉杆一样。可有效的阻止圆顶在竖向荷载作用下的裂缝开展和破坏,保证壳体基本上处于受压的状态,实现空间平衡。

3、支承结构

1)圆顶结构通过支座环支承在房屋的竖向承重构件上(如砖墙、钢筋混凝土柱)

优点:受力明确,构造简单。

缺点:跨度大时,推力大,因此支座环尺寸大。表现力不够丰富活跃。

2)圆顶结构支撑在斜柱或斜拱上。

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3)圆顶结构支承在框架上

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4)圆顶结构直接落地并支承在基础上。

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筒壳

筒壳的壳板为柱形曲面,也称柱面壳。它是单向有曲率的薄壳,是零高斯曲率壳。

特点:几何形状简单,模板制作方便,易于施工,应用广泛

一、筒壳的结构组成

筒壳由壳身、边梁及横隔组成。两个横隔之间的距离称为跨度L1;两个边梁之间的距离为波长L2。

L1/L2>=1,长壳;一般为多波形。

L1/L2<1,短壳;一般为单波多跨。

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壳身包括边梁在内的高度称为截面高度h,h=(1/10-1/15)L1,不包括边梁在内的高度称为矢高f。(f》1/8L2)

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以局部加厚,以抵抗局部的横向弯矩。

边梁与壳板共同受力,截面形式对壳板内力分布有很大影响,并且也是屋面排水关键。

横隔是筒壳的横向支承,没有它,就不是筒壳结构,而是筒拱结构。

功能是承受壳身传来的顺剪力并将内力传到下部结构。

二、筒壳的受力特点

筒壳两端是有横隔支承的,而筒拱没有。因而两者在承荷和传力上有本质的区别。

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。而筒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,筒壳是横向拱和纵向梁共同作用的空间结构。

当筒壳的跨波比L1/L2不同时,筒壳的受力状态存在很大区别。一般,筒壳的受力特点分三类:

1) L1/L2》3时

由于筒壳的跨度较长,横向拱的作用明显变小,横向压力较小,二纵向梁传力作用显著。筒壳近似梁的作用。

2)当L1/L2《0.5时

由于筒壳的跨度较小,筒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,可按薄膜理论计算。

3)当0.5

跨度不长也不短,在受力时拱和梁的作用都明显,壳体即存在薄膜内力,有存在弯曲内力,可用弯矩理论或半弯矩理论计算。

边梁是壳板的边框,与壳板共同作用,整体受力,一般边梁主要承受纵向拉力,因此需集中布置纵向受拉钢筋,可大大减小壳板的纵向和水平位移。

横隔作为筒壳纵向支承,主要承受壳板传来的顺剪力。

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