壳体结构

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。