第一節殼體結構
一、薄殼結構
１．薄殼結構的概念
殼體結構一般是由上下兩個幾何曲麵構成的薄壁空間結構。隨著殼體厚度的不同，殼體結構分為薄殼、厚殼和中厚殼。建築工程中所用的殼體，一般為薄殼結構。
建築結構中的梁、板屬於受彎構件，主要承受彎矩和剪力的作用，而拱主要受軸力的作用，因而拱式結構受力更合理、材料更節省。同樣，由於薄殼結構主要靠曲麵內的雙向軸力及順剪力承重，其強度和剛度不是通過增加結構截麵尺寸而是利用其幾何形狀的合理性所得。薄殼結構由於受兩個方向薄膜軸力和薄膜剪力的共同作用，可以在較大的範圍內承受多種分布荷載而不致產生彎曲。
薄殼結構空間整體工作性能良好，內力分布均勻，強度高、剛度大，是一種經濟合理的結構型式。自然界中的蛋殼、蚌殼、蝸牛殼以及植物的果殼，還有日常生活中常見的壇壇罐罐、安全帽等都是薄壁結構應用的例證。
２．薄殼結構的曲麵形式
薄殼結構的曲麵形式主要有旋轉曲麵、平移曲麵和直紋曲麵三種。
（１）旋轉曲麵由一條平麵曲線（母線）繞著該平麵內某一給定的直線（旋轉軸）旋轉一周所形成的曲麵稱為旋轉曲麵。以旋轉曲麵為中曲麵（等分殼體各點厚度的幾何曲麵）的殼體稱為旋轉殼。旋轉殼又分為球形殼、橢球殼、拋物球殼、圓柱殼、圓錐殼等，如圖７－１ａ～ｆ所示。
（２）平移曲麵以一條豎向曲線為母線沿另一條豎向曲線（導線）平行移動所形成的曲麵稱為平移曲麵。在建築工程中常見的平移曲麵有橢圓拋物麵和雙曲拋物麵，所形成的殼體稱為橢圓拋物麵殼和雙曲拋物麵殼，如圖７－２ａ～ｄ所示。
（３）直紋曲麵由一條直線（母線）的兩端分別沿兩條固定曲線（導線）移動所形成的曲麵叫直紋曲麵。建築工程中常用的直紋曲麵有柱形曲麵、劈錐曲麵、扭曲麵等。
柱形曲麵是由一段直線作母線沿著兩條形狀相同且平行的曲線（導線）平行移動所形成的曲麵。根據導線形狀的不同，柱形麵可分為圓柱麵、橢圓柱麵、拋物柱麵等，如圖７－３ａ～ｃ所示。劈錐曲麵是由一段直線一端沿拋物線（或圓弧）、另一端沿直線與指向平麵平行移動所形成的曲麵，如圖７－４所示。扭曲麵是由一段直線（母線）沿兩根相互傾斜但又不相交的直導線平行移動所形成的曲麵，如圖７－５ａ所示。扭曲麵也可以看成是雙曲拋物麵的一部分，因雙曲拋物麵也是直紋曲麵，如圖７－５ｂ所示，沿直紋方向截取一部分，即為扭曲麵，如圖７－５ｃ所示。
３．薄殼結構的施工
薄殼結構的施工主要有以下幾種方法：
（１）現澆混凝土殼體現澆混凝土殼體的整體性好，但支架與模板用量大，且曲麵模板製作複雜，既費材料又費工時。
（２）預製單元、高空裝配成整體殼體把殼體劃分成若幹單元，預製後在工地吊裝、拚合、固定，這種方法施工簡單，高空作業量少，工期短，且不受季節影響，但殼體的整體性和抗震性差。
（３）地麵現澆殼體或預製單元裝配後整體提升這種方法可以減少殼體的高空作業量及大部分腳手架，但吊裝時需采用特殊的鋼構件臨時加固，所需起重設備較大。
（４）裝配整體式疊合殼體利用鋼絲網水泥薄板作模板，其上澆築鋼筋混凝土現澆層，由鋼絲網水泥薄板和現澆鋼筋混凝土層形成整體共同工作。
（５）采用柔模噴塗成殼用棉麻織物、草葦、篾席、荊竹、藤芭或鋼絲網等抗拉性能好的柔韌材料作模板，在其上塗沫或噴射砂漿或混凝土，待其結硬後，柔模同時成為殼體的配筋，以抵抗拉力。棉麻織物也可在砂漿或混凝土達到強度後，揭下洗淨重複使用。
二、圓頂結構
圓頂結構屬於旋轉曲麵殼，其形式有球麵殼、橢球麵殼及旋轉拋物麵殼等。圓頂結構適用於圓形建築，如劇院、展覽館、天文館等的屋蓋，也可作為圓形水池的頂蓋。圓頂結構穹拱式的造型及四周傳力的受力特點，使它既滿足了天文館等建築功能上的要求，又具有很好的空間工作性能。圓頂的覆蓋跨度可以很大，而其厚度卻很薄，殼身內的應力通常很小，配筋及殼身厚度常由構造要求及穩定驗算來確定。例如北京天文館，其頂蓋是直徑為２５ｍ的半球形圓頂結構，殼體厚度隻有６０ｍｍ，結構自重隻有２００ｋｇ／ｍ2左右。
１．圓頂的結構組成及結構形式
圓頂結構由殼身、支座環、下部支撐構件三部分組成，如圖７－６所示。
（１）殼身結構圓頂的殼身結構有平滑圓頂、肋形圓頂和多麵圓頂等，其中平滑圓頂最為常見，如圖７－７ａ所示。
肋形圓頂由經向肋、環向肋及殼板組成，如圖７－７ｂ所示，當圓頂跨度不大時可以不設環向肋。
當建築平麵為正多邊形時，可采用多麵圓頂結構，如圖７－７ｃ所示。多麵圓頂結構是由若幹個拱形薄殼相交而成，與平滑圓頂相比，多麵圓頂的支座距離較大；與肋形圓頂相比，多麵圓頂可節省材料用量，且自重較輕。有時為了建築造型上的要求，也可將多麵圓頂稍作修改，如圖７－７ｄ所示。
（２）支座環支座環是圓頂結構保持幾何不變的保證，就像拱式結構中的拉杆一樣，可有效地阻止圓頂在豎向荷載作用下的裂縫開展及破壞，保證殼體基本上處於受壓狀態，並實現結構的空間平衡。支座環的截麵形式如圖６－８ａ～ｄ所示，可以是普通鋼筋混凝土梁，也可以是預應力混凝土梁。
（３）支撐結構圓頂的下部支撐結構一般有以下幾種：
１）圓頂結構通過支座環支撐在牆、柱上，如圖７－９ａ所示。這時經向推力的水平分力由支座環撐擔，豎向支撐構件僅承受經向推力的豎向分力。這種結構受力明確，構造簡單。
２）圓頂結構支撐在斜柱或斜拱上。通過殼體四周沿著切線方向的直線形、Ｙ形或叉形斜柱，把推力傳給基礎，如圖７－９ｂ所示；或通過沿殼緣切線方向的單式或複式斜拱，把經向推力集中起來傳給基礎，如圖７－９ｃ所示。在平麵上，斜柱、斜拱可按正多邊形布置，以便與建築平麵相協調；在立麵上，斜柱、斜拱可與建築圍護及門窗重合布置，也可暴露在建築物的外麵，以取得較好的建築立麵效果。這種結構清新、明朗，既表現了結構的力量與作用，又極富裝飾性，但傾斜的柱腳或拱腳將使基礎受到水平推力的作用。
３）圓頂結構支撐在框架上，如圖７９ｄ所示。利用圓頂下四周的圍廊或圓頂周圍低層附屬建築的框架結構，把水平推力傳給基礎。這時，框架結構必須具有足夠的剛度，以保證殼身的穩定性。
４）圓頂結構直接落地並支撐在基礎上。落地的圓頂就像落地拱一樣，經向推力直接傳給基礎。若球殼邊緣全部落地，則基礎同時作為受拉支座環梁；若是割球殼，隻有幾個腳延伸入地，如圖７－９ｅ所示，則基礎必須能夠承受水平推力，或在各基礎之間設拉杆以平衡該水平力。
２．圓頂的結構構造
１）圓頂結構殼板厚度一般由構造要求確定，通常取圓頂半徑的１／６００，但現澆鋼筋混凝土圓頂的殼板厚度不應小於４０ｍｍ，裝配整體式圓頂不應小於３０ｍｍ。
２）在殼板內的受壓區域及主拉應力小於混凝土抗拉強度的受拉區域內，應按最小配筋率〓４＠２５０配置構造鋼筋；在主拉應力大於混凝土抗拉強度的區域，應按計算配筋，主拉應力應全部由鋼筋承擔，鋼筋間距不超過１５０ｍｍ。對於厚度不超過６０ｍｍ的殼體，在彎矩較小的區域內，可采用單層配筋，鋼筋布置在板厚中間，否則應采用雙層配筋。
３）由於支座環對殼板邊緣變形的約束作用，殼板的邊緣附近將會產生經向的局部彎矩，設計時應將殼板的邊緣部分局部加厚，並配置雙層鋼筋，其加厚部分應做成曲線形，且加厚範圍應不小於殼體直徑的１／１２～１/１０。加厚區域內的鋼筋直徑為４～１０ｍｍ，間距不超過２００ｍｍ，同時要注意上層鋼筋受拉，應保證其有足夠的錨固長度。
４）支座環梁可以是普通鋼筋混凝土梁，也可以是預應力混凝土梁。
５）由於通風采光等要求需在殼體頂部開設孔洞時，應在孔邊設環梁加強，此環梁稱為內環梁。
６）采用裝配整體式圓頂結構時，預製單元的劃分可采用下列幾種形式：
①沿經向和環向同時切割，把圓頂劃分成若幹塊梯形帶肋曲麵板（邊線為弧線）。
②把圓頂劃分成若幹塊梯形平板（邊線為直線）。
③如果吊裝設備起重量較大，而殼體跨度小於３０ｍ，也可僅沿經向切割，把圓頂分割成若幹塊長扇形帶肋板。吊裝過程中，可在構件下加設安裝用臨時拉杆。
三、筒殼結構
筒殼也叫柱麵殼，因其形狀簡單，製作方便，應用十分廣泛。
１．筒殼的結構組成筒殼由殼身、側邊構件及橫隔三部分所組成，如圖７－１０所示。兩個橫隔之間的距離稱為筒殼的跨度，以ι1表示；兩個側邊構件之間的距離稱為筒殼的波長，以ι2表示。
筒殼殼身橫截麵多為圓弧形，有時也有橢圓形或其他形狀。側邊構件與殼身共同工作，整體受力。常見的側邊構件截麵形式如圖７－１１ａ～ｅ所示，其中ａ方案最為經濟，ｄ方案適用於邊梁支撐在牆或圈梁上的情況，ｅ方案適用於小型筒殼。
２．筒殼的受力特點
筒殼與筒拱的外形均為筒形，極其相似，常常容易混淆。事實上，筒拱是單向受力的平麵結構，而筒殼則是雙向受力的空間結構，筒殼在橫向的作用與拱相似，在殼身內產生環向的壓力，而在縱向則同時發揮著梁的作用，把上部豎向荷載通過縱向梁的作用傳給橫隔。因此，筒殼結構是橫向拱的作用與縱向梁的作用的綜合。
筒殼結構可以按照其跨度（ι1）與波長（ι2）之間的比例分為長殼（ι1／ι2≥３）、短殼（ι1／ι2≤０．５）和中長殼（0．５＜ι1／ι2＜３）。
３．筒殼的結構構造
（１）短殼短殼的殼板矢高一般不小於波長的１／８。短殼的空間作用明顯，殼體內力以薄膜內力為主，彎矩極小，故殼板厚度與配筋均可按構造確定。當殼體跨度為６～１２ｍ，波長不超過３０ｍ時，在自重、雪荷載及保溫層荷載作用下，殼板厚度可參照表７－１取用，殼板內配筋采用直徑４～６ｍｍ，間距１００～１６０ｍｍ的雙向鋼筋網，配筋率不小於０．２％。
（２）長殼長殼的截麵高度一般取跨度的１/１０～１／１５，殼板矢高不小於波長的１／８，殼板的厚度可取波長的１／３００～１／５００，但不小於５０ｍｍ。其配筋應按計算確定，如圖７－１２所示。
四、折板結構
折板結構是把若幹塊薄板以一定的角度連接成整體的空間結構體係。從幾何形成上來說，折板結構和筒殼沒有本質上的區別，因為任意形狀的筒殼都能足夠精確地用一個內接多邊形的折板來代替，如圖７－１３所示，因此，折板結構具有類似於筒殼結構的受力性能。折板結構構造簡單、施工方便，在實際工程中應用十分廣泛。
１．折板結構的組成
折板結構一般由折板、邊梁和橫隔三部分組成，如圖７－１４所示。兩個橫隔之間的間距ι1稱為跨度，兩個邊梁之間的間距ι2稱為波長。
折板結構的形式可分為有邊梁和無邊梁兩種。無邊梁的折板結構由若幹等厚度的平板和橫隔構件組成，如預製Ｖ形折板。有邊梁的折板結構的截麵形式如圖７－１５所示，折板結構在橫向可以是單波的或多波的，在縱向可以是單跨的、多跨連續的或懸挑的。
折板結構中的折板一般為等厚度的薄板。現澆折板的傾角不宜大於３０°，坡度太大，澆築混凝土時須上下雙麵支模或采用噴射法施工。邊梁一般為矩形截麵梁，梁寬宜取折板厚度的２～４倍，以便於布置縱向受拉鋼筋。
折板結構可以是現澆整體式、預製裝配式及裝配整體式。現澆整體式折板結構必須采用滿樘腳手架，費事費料，因而近年來我國較多地采用折疊式預製Ｖ形折板。它可以是預應力的，也可以是非預應力的。折疊式預製Ｖ形折板是把相鄰板塊的結合部位設計成可轉折的，在長線張拉台座上平臥製作，並可疊層生產、堆放和運輸。吊裝就位後，在折板轉折處將板邊伸出的鋼筋連接好，再用細石混凝土灌縫便形成整體Ｖ形折板屋蓋結構。這就省掉了腳手架和大量的模板，同現澆式折板結構或梁板結構相比，具有節省三材、製作簡單、施工速度快等優點。
２．折板結構的受力特點及計算要點
折板結構有長折板和短折板兩類。當ι1／ι2＞１時，稱為長折板；當ι1／ι2≤１時，稱為短折板。短折板結構的受力性能與短筒殼相似，雙向受力作用明顯，計算分析較為複雜，實際工程中短折板並不多見。長折板結構的受力性能與長筒殼相似，對於邊梁下無中間支撐且ι1／ι2≥３的長折板，可沿縱橫方向分別按梁理論計算。
如圖７－１６所示，在折板的縱向，取一個波長作為計算單元，把折板看成以橫隔為支座的梁，折板的截麵可以折算成Ｔ形截麵或工字形截麵。在折板的橫向，取１ｍ板帶按多跨連續板計算。對裝配整體式Ｖ形折板，由於後澆折縫的剛性較差，可視為鉸接。
對於橫隔結構來說，由於折板很薄，平麵外剛度很小，所以折板傳給橫隔的隻是沿折板平麵內的順剪力，這一點也與筒殼結構相似。
３．折板結構的構造
折板的厚度一般為３０～１００ｍｍ，寬度為３～３．５ｍｍ，波長約為１０～１２ｍ，跨度一般不超過２７ｍ。
影響折板結構形式的主要參數有傾角α、高跨比f／ι1、厚寬比ｔ／ｂ。折板屋蓋的傾角α口不宜小於２５°；長折板的高跨比f／ι1不應小於１／１０～１／１５，短折板的高跨比f／ι1不應小於１／８～１／１０；厚寬比約為１／４０～１／５０。
當折板的板厚不超過６０ｍｍ，且各板之間的夾角不大於２０°時，在板內可設置單層鋼筋網，如圖７－１７ａ所示，但在各折縫附近板麵需增設足夠數量的鋼筋，以承受該處負彎矩所產生的拉力，鋼筋直徑不小於６ｍｍ，間距不大於２５０ｍｍ。當折板的板厚大於６０ｍｍ或各板之間的夾角超過２０°時，板內應設置雙層鋼筋網，同時在各折縫的底部應設置〓６～８＠２５０的構造鋼筋，如圖７－１７ｂ所示。