國(guó)家大劇院殼體結(jié)構(gòu)

　　殼體結(jié)構(gòu)

　　殼體結(jié)構(gòu)(shell structure)由曲面形板與邊緣構(gòu)件(梁、拱或桁架)組成的空間結(jié)構(gòu)。殼體結(jié)構(gòu)具有很好的空間傳力性能，能以較小的構(gòu)件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結(jié)構(gòu)，能覆蓋或圍護(hù)大跨度的空間而不需中間支柱，能兼承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的雙重作用，從而節(jié)約結(jié)構(gòu)材料。

　　1作用

　　殼體結(jié)構(gòu)可做成各種形狀，以適應(yīng)工程造形的需要，因而廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，如大跨度建筑物頂蓋、中小跨度屋面板、工程結(jié)構(gòu)與襯砌、各種工業(yè)用管道壓力容器與冷卻塔、反應(yīng)堆安全殼、無線電塔、貯液罐等。工程結(jié)構(gòu)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(guó)自50年代以來，用殼體結(jié)構(gòu)建成許多實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、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(cāng)庫(kù)屋蓋16個(gè)23×23米組合型扭殼。

　　殼體的曲面，可由直線或曲線旋轉(zhuǎn)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(jù)特殊情況而形成復(fù)雜曲面。也稱無筋扁殼。曲面的形狀根據(jù)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(jié)構(gòu)的種類很多，多根據(jù)曲面的幾何特性(即兩個(gè)方向主曲率k1、k2的乘積K,稱為高斯曲率)進(jìn)行分類。當(dāng)k1、k2同號(hào)時(shí)，K為正值，稱正高斯曲率殼;當(dāng)k1、k2異號(hào)時(shí)，K為負(fù)值，稱負(fù)高斯曲率殼;當(dāng)k1和k2中有一個(gè)為零時(shí)，K為零，稱零高斯曲率殼;此外，尚有混合型曲率殼，即一個(gè)殼體內(nèi)兼有正、負(fù)高斯曲率部分。

　　正高斯曲率殼體：有旋轉(zhuǎn)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(jiǎn)稱雙曲扁殼。

　　負(fù)高斯曲率殼體：有旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(qū)是負(fù)高斯曲率。鋸齒形變曲率雙曲扁殼有時(shí)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(jié)構(gòu)、防護(hù)結(jié)構(gòu)。

　　分類方法

　　計(jì)算要點(diǎn) 　殼體的內(nèi)力和變形計(jì)算比較復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化，薄殼通常采用下述假設(shè)：材料是彈性的、均勻的，按彈性理論計(jì)算;殼體各點(diǎn)的位移比殼體厚度小得多，按照小撓度理論計(jì)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(yīng)力極小，可以忽略不計(jì)。這樣就可以把三維的彈性理論問題簡(jiǎn)化成二維問題進(jìn)行計(jì)算。在考慮喪失穩(wěn)定的問題時(shí)，需要采用大撓度理論并求解非線性方程。厚殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算則不能忽略垂直于中面方向的應(yīng)力變化，并按三維問題進(jìn)行分析(見殼的計(jì)算)。

　　3應(yīng)用

　　位于人民大會(huì)堂西側(cè)的“巨蛋”———國(guó)家大劇院采用殼體結(jié)構(gòu)安裝。一臺(tái)600噸巨型履帶吊車將第一塊長(zhǎng)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(yù)定位置上。根據(jù)施工方案，巨型“蛋殼”將被分成數(shù)十塊分批吊裝。

　　國(guó)家大劇院的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)矗立于一片開闊地中，其頂部第一塊“蛋殼”已經(jīng)安裝到位，工人們正在進(jìn)行加固工作。約二三十個(gè)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(yùn)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(dāng)于上海大劇院屋頂面積的3倍多，鋼結(jié)構(gòu)總重達(dá)6750噸。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)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(shí)有著前所未有的難度。

　　難點(diǎn)一：“釣線”長(zhǎng)達(dá)108米

　　由于國(guó)家大劇院的鋼結(jié)構(gòu)外殼東西跨度達(dá)212.24米，南北跨度為143.64米，吊車無法進(jìn)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(dá)三四層的輔助設(shè)施等擠滿。

　　對(duì)策600噸巨型履帶吊車進(jìn)行遠(yuǎn)距離高空作業(yè)，用長(zhǎng)達(dá)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(jié)構(gòu)穹頂。

　　難點(diǎn)二：最大誤差不超2厘米

　　在安裝鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施時(shí)，七項(xiàng)精度控制誤差最大累計(jì)不能超過2厘米，如此精度要求在鋼結(jié)構(gòu)建筑史上前所未有。

　　對(duì)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(jìn)行了精心的技術(shù)準(zhǔn)備，攻克了殼體施工過程中整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、曲面結(jié)構(gòu)高精度測(cè)量等高科技難題。