殼體結構

國家大劇院殼體結構

　　殼體結構

　　殼體結構(shell structure)由曲面形板與邊緣構件(梁、拱或桁架)組成的空間結構。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，能覆蓋或圍護大跨度的空間而不需中間支柱，能兼承重結構和圍護結構的雙重作用，從而節約結構材料。

　　1作用

　　殼體結構可做成各種形狀，以適應工程造形的需要，因而廣泛應用于工程結構中，如大跨度建筑物頂蓋、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。工程結構中采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、美觀的房屋建筑，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復雜曲面。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。

　　2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。比值小于1/20的一般稱薄殼，多用于房屋的屋蓋;中厚殼及厚殼多用于地下結構、防護結構。

　　分類方法

　　計算要點 　殼體的內力和變形計算比較復雜。為了簡化，薄殼通常采用下述假設：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后仍為直線且垂直于中面;殼體垂直于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，需要采用大撓度理論并求解非線性方程。厚殼結構的計算則不能忽略垂直于中面方向的應力變化，并按三維問題進行分析(見殼的計算)。

　　3應用

　　位于人民大會堂西側的“巨蛋”———國家大劇院采用殼體結構安裝。一臺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。

　　國家大劇院的基礎結構矗立于一片開闊地中，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洼地里。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，相當于上海大劇院屋頂面積的3倍多，鋼結構總重達6750噸。由于整個結構沒有一根柱子支撐，全靠弧形鋼梁承重，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

　　由于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，而里面已被歌劇院、音樂廳、戲劇院三組巨大建筑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筑史上前所未有。

　　對策先后承建過金茂大廈、東方明珠電視塔等超高建筑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。