殼體結構

殼體結構通常是指層狀的結構。它的受力特點是，外力作用在結構體的表面上，如機車手的頭盔、貝殼等。常用於各類工業設計領域。殼體結構是由空間曲面型板或加邊緣構件組成的空間曲面結構。殼體的厚度遠小於殼體的其他尺寸，因此殼體結構具有很好的空間傳力性能，能以較小的構件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結構，能覆蓋或維護大跨度的空間而不需要空間支柱，能兼承重結構和圍護結構的雙重作用，從而節約結構材料。

基本介紹

• 中文名：殼體結構
• 受力：受壓
• 作用：經濟、實用、美觀
• 典例：國家大劇院

作用

殼體結構可做成各種形狀，以適應工程造形的需要，因而廣泛套用於工程結構中，如大跨度建築物頂蓋、中小跨度屋面板、工程結構與襯砌、各種工業用管道壓力容器與冷卻塔、反應堆安全殼、無線電塔、貯液罐等。工程結構中採用的殼體多由鋼筋混凝土做成，也可用鋼、木、石、磚或玻璃鋼做成。

中國自50年代以來，用殼體結構建成許多實用、經濟、美觀的房屋建築，如烏魯木齊市某金工車間直徑60米的橢球面殼，北京火車站大廳35×35米雙曲扁殼，大連港倉庫屋蓋16個23×23米組合型扭殼。

殼體的曲面，可由直線或曲線旋轉而形成，其大部分是正高斯曲率，或由直線或曲線平移而形成，也可根據特殊情況而形成複雜曲面。也稱無筋扁殼。曲面的形狀根據使用要求和受力性能選定。殼體兩表面之間的中間曲面稱為中面，殼體的中面、厚度及邊緣形狀決定殼體的全部幾何特性。

分類

分類介紹

殼體結構的種類很多，多根據曲面的幾何特性（即兩個方向主曲率k1、k2的乘積K,稱為高斯曲率）進行分類。當k1、k2同號時，K為正值，稱正高斯曲率殼；當k1、k2異號時，K為負值，稱負高斯曲率殼；當k1和k2中有一個為零時，K為零，稱零高斯曲率殼；此外，尚有混合型曲率殼，即一個殼體內兼有正、負高斯曲率部分。

正高斯曲率殼體：有旋轉成形的圓球面殼、橢球面殼、拋物面殼；有平移成形的橢圓拋物面扁殼，簡稱雙曲扁殼。

負高斯曲率殼體：有旋轉成形的雙曲面殼；平移成形的雙曲拋物面扭殼（包括單塊扭殼和四塊組合型扭殼）、雙曲拋物面鞍形殼。

零高斯曲率殼體：有旋轉成形的圓柱面殼、錐面殼；平移成形的開口圓柱面殼、橢圓柱面殼、拋物線柱面殼。

混合型曲率殼體：如膜型扁殼，也稱無筋扁殼。這種殼在給定荷載作用下只產生均勻相等的薄膜壓力，其大部分是正高斯曲率，只在角隅區是負高斯曲率。鋸齒形變曲率雙曲扁殼有時也屬此類。

殼體按殼的厚度與最小曲率半徑的比值，分為薄殼、中厚殼和厚殼。比值小於1/20的一般稱薄殼，多用於房屋的屋蓋；中厚殼及厚殼多用於地下結構、防護結構。

分類方法

計算要點 　殼體的內力和變形計算比較複雜。為了簡化，薄殼通常採用下述假設：材料是彈性的、均勻的，按彈性理論計算；殼體各點的位移比殼體厚度小得多，按照小撓度理論計算；殼體中面的法線在變形後仍為直線且垂直於中面；殼體垂直於中面方向的應力極小，可以忽略不計。這樣就可以把三維的彈性理論問題簡化成二維問題進行計算。在考慮喪失穩定的問題時，需要採用大撓度理論並求解非線性方程。厚殼結構的計算則不能忽略垂直於中面方向的應力變化，並按三維問題進行分析（見殼的計算）。

套用

位於人民大會堂西側的“巨蛋”———國家大劇院採用殼體結構安裝。一台600噸巨型履帶吊車將第一塊長35米、重38噸的鋼組合梁緩緩吊起，安裝到大劇院中心45米高的預定位置上。根據施工方案，巨型“蛋殼”將被分成數十塊分批吊裝。

國家大劇院殼體結構

國家大劇院的基礎結構矗立於一片開闊地中，其頂部第一塊“蛋殼”已經安裝到位，工人們正在進行加固工作。約二三十個同樣的鋼組合梁被整齊地碼放在附近一片窪地里。在工地中央，專門從上海運到北京600噸重的巨型履帶吊車正靜靜地等待著。

“蛋殼”面積為3.5萬多平方米，相當於上海大劇院屋頂面積的3倍多，鋼結構總重達6750噸。由於整個結構沒有一根柱子支撐，全靠弧形鋼樑承重，這樣又大又高又重的曲線殼體在施工時有著前所未有的難度。

難點一

：“釣線”長達108米

由於國家大劇院的鋼結構外殼東西跨度達212.24米，南北跨度為143.64米，吊車無法進行近距離安裝，而裡面已被歌劇院、音樂廳、戲劇院三組巨大建築以及地下深達三四層的輔助設施等擠滿。

對策600噸巨型履帶吊車進行遠距離高空作業，用長達108米的“釣線”以“空中釣魚”的方式將一塊塊“蛋殼”送到四五十米的高空，組成鋼結構穹頂。

難點二

：最大誤差不超2厘米

在安裝鋼結構設施時，七項精度控制誤差最大累計不能超過2厘米，如此精度要求在鋼結構建築史上前所未有。

對策先後承建過金茂大廈、東方明珠電視塔等超高建築的施工公司進行了精心的技術準備，攻克了殼體施工過程中整體結構穩定、曲面結構高精度測量等高科技難題。