| 单词 | 薄壳结构 |
| 释义 | 【薄壳结构】 薄壳是一种形状为曲面的薄壁空间结构。它在荷载作用下主要产生中面内的应力，传力路径直接，因而节省材料；同时由于曲面的空间作用，具有很大的强度和刚度。这种良好的力学性能，使薄壳结构在土木、水利、航空、航天、船舶、化工、机械制造等工程领域得到广泛的应用，在工业与民用建筑中，薄壳作为屋盖结构主要承受压力，从而可以合理地利用混凝土材料，成为一种重要的屋盖形式。 人类早期建造的壳体结构主要是基于从自然界的壳体如鸟卵、贝壳等得到的启发和设计师及工匠的直感。公元2世纪建成的罗马万神庙穹顶是早期壳体结构的著名代表。由于缺乏计算理论的指导，早期壳体的厚跨比都比较大(1／10左右)，跨度较小(最大不过30～40m)。壳体结构的计算理论在19世纪末、20纪世初逐步形成，到20世纪中叶趋于成熟。19世纪70年代，阿龙(H．Aron)在克希霍夫(G．Kirchhoff)平板理论的基础上提出了薄壳理论的基本假定，拉甫(A．Love)于19世纪80年代发展了阿龙的理论，建立了与克希霍人平板理论相似的壳体理论。在20世纪30年代，伽辽金(Ъ．Г．Гaлeркин)从一般弹性理论出发推导了壳体理论的有关方程，接着鲁利叶(А．Н．Лурьe)在此基础上推出了数学薄壳理论。20世纪40、50年代期间，戈尔金维塞(А．Л．Гольденвeйзeр)在有关论文中第1次表述了壳体变形的连续性条件，诺沃日洛夫(B．B．Новожилов)及穆什塔利(Ф．M．Myщтaри)提出了壳体理论方程的复数形式。在此期间，符拉索夫(B．3．Bлaсов)、铁摩辛柯(s．Timoshenko)、唐奈尔(L．H．Donnell)、弗吕盖(W．Fiügge)等人针对不同的具体问题，引进相应的简化假定，为将上述的数学薄壳理论简化成工程薄壳理论，进行了卓有成效的工作。在壳体结构计算理论的指导下，出现了近代薄壳结构。德国工程师鲍尔费尔德(W．Bauersfeld)于1924年建造的耶拿(Jenaz)天文馆穹顶，是世界上第1个用钢筋混凝土建造的薄壳，虽然跨度不算大(25m)，但其厚跨比仅为1／240，标志着近代薄壳结构的诞生。第二次世界大战后，钢筋混凝土薄壳蓬勃发展，跨度100m以上的薄壳大量出现，厚跨比进一步下降。1958年建成的巴黎国家工业与技术展览中心的3点支承的三角形薄壳屋盖，底面边长为219m；美国西雅图金郡体育馆屋盖，底面为直径202m的圆，而厚跨比仅为1／1700。和一般的弹性理论一样，薄壳的经典理论尽管已发展得十分成熟，但由于涉及高阶偏微分方程的求解，能用经典方法解决的问题仅局限于一些几何形状、边界条件及荷载都特别简单的特殊情况，一般情况下的求解则须借助于数值方法或近似方法，常用的有有限差分法、加权残值法、变分法及有限元法。这些方法要求进行大量的计算，其中的有限元法只是由于现代电子计算机的出现和推广应用，在进入20世纪60年代以后才成为一种实用的数值分析方法。有限元法一经出现，就很快地成为包括壳体结构的各种结构的主要数值分析方法。有限元法的最大优点在于它的通用性。20世纪70～80年代期间编制的大型通用程序，例如美国国家宇航局的NASTRAN、德国斯图嘉特大学的ASKA、美国麻省理工学院的STRUDL、加利福尼亚大学的SAP5等，都是以有限元法为基础的。用有限元法分析薄壳结构，可以不受曲面形状、边界条件、荷载类型和材料性质的限制，也容易处理开孔、变厚度、加肋等特殊问题。对于薄壳的非线性(几何非线性或材料非线性)问题有限元法有效的，所以预见，它直到20世纪末及至21世纪初都仍将是薄壳数值分析的主要方法。在薄壳结构的有限元分析中，最常用的单元是三角形或四边形的平板弯曲单元，它们是按照克希霍夫关于平板弯曲的假定建立的。采用平板单元一般能够取得满意的结果，但也存在一定的问题，主要是单元边界上曲面的斜率不连续，因而计算往往不能单调收敛；此外，在单元内部，曲率的影响被忽略了。针对平板单元的这些缺点，研究者们提出了各种改进或替代方案，例如在上述单元的基础上通过增加结点自由度或再分割子单元缩聚内部自由度的方法获得的单元；部分或全部放弃克希霍夫“直法线假定”的板元；以及按扁壳理论建立的曲面壳元，等等。这些新单元在克服“传统”平板单元的缺点的同时也带来了一些新的问题，例如过份协调的问题，计算机工作量的增加，等等，因此，在薄壳有限元分析中究竟采用何种单元为好，仍未形成广泛的共识。薄壳是一种以受压为主的薄壳结构，因此，当它的跨度增大、厚跨比减小时，稳定问题就成为一个十分突出的问题。早在20世纪30年代，人们就注意到按线性理论得出的各种壳体的屈曲荷载与实验值之间的巨大差异，并试图从理论上进行解释。20世纪40年代初期，卡门(T．Karman)和钱学森提出了非线性的大挠度屈曲理论；40年代中期，柯依特(W．T．Koiler)建立了非完善结构屈曲的一般准则，为考虑壳体初始缺陷的稳定理论(初始后屈曲理论)奠定了基础；60年代中期，斯坦因(M．Stein)提出了考虑壳体边界效应的非线性前屈曲一致理论。近代稳定理论仍在发展之中，稳定问题将是20世纪末薄壳理论的研究热点之一；尤其是在初始后屈曲理论的应用方面，如何建立结构初始缺陷的合理模式，是一个有待解决的复杂问题。钢筋混凝土薄壳的一个特殊问题是它的材料性质。钢筋混凝土仅在很小的荷载下才是比较理想的弹性材料，实际上在使用阶段总会产生裂缝和塑性变形，在荷载的长期作用下还会产生徐变。用弹性理论分析钢筋混凝土薄壳显然不完全符合实际情况。由于线性薄壳理论已在20世纪中期趋于完善，薄壳的非线性问题，包括考虑钢筋混凝土材料特性的非线性问题，已经和正在吸引着研究者的注意力，在这方面无论是试验研究还是计算理论都还有大量的工作要做。影响薄壳结构的推广和发展的另一个重要因素是施工技术的改进。钢筋混凝土薄壳作为一种屋面结构，主要的缺点是施工费用(包括搭设模板和脚手架所用的人工费和材料费)太高，足以抵消壳体本身节省材料的优点。正是由于这一原因，薄壳尾盖结构在20世纪50年代在欧美达到高峰时期后，建造数量便逐渐减少。为了克服这一缺点，研究者们在施工技术方面采取的措施主要有：壳体的预制拼装、壳体的分片浇注和模板的重复使用、永久性模板的使用(模板作为结构的部分与壳体永久性共同工作)，等等。此外，采用轻质混凝土，减轻壳体自重，也可以间接地降低施工费用。从20世纪初开始出现的近代薄壳结构在它的发展历史中，经历了一个不断创新的过程。在建筑形式上，从简单的穹顶到悉尼歌剧院屋盖的复杂而独特的造型；在结构上，从单一的曲面到多种曲面包括平面的组合；在材料上，薄壳屋盖的概念也打破了、钢筋凝土的界限，发展为由钢管及型钢组成的网壳结构薄壳结构，与其他结构型式例如悬索结构的组合，也是很有意义的。新的建筑造型，新的结构形式，新的材料，这些都是20世纪末、21世纪初薄壳结构的发展方向。在薄壳理论方面，除了前面已经述及的以外，还有以下值得研究的课题：一些(1)薄壳的动力问题，包括地震和风振问题；(2)薄壳的计算机辅助设计问题，包括复杂壳面例如自由壳面的形状判定问题；(3)薄壳的优化设计；(4)已建薄壳的耐久性的评价问题，混凝土的防腐蚀(风化、碳化)问题，加固技术。【参考文献】：1 Novozhilov V V．Thin Shell Theory，Noordhoff Ltd．Groningen，The Netherlands，19642 Timoshenko S，Woinowsky-Krieger S．Theory of Platcs and Shells(2nd edition)．McGraw-Hill Book Company，19593 Donnell L H．Beams，Plates，Shells．McGraw-Hill Book Company，19764 Zienkiewicz O C．The Finite Element Method(3rd edition)．McGraw-Hill Company，19775 Koiter W T．On the nonlinear theory of thin elastic Shells，Proc．Koninkl．Ned．Akad．Van Welenschappen，Amsterdam，Series B，1966，69，1～546 吴连元．板壳理论．上海：上海交通大学出版社，19897 Murata M，Mutoh A，Kato S，Matsuoka O．”Statistical analysis of stresses in rotational thin shells with radom geometric imperfections”，Proc．of IASS symposium on Membrane Structures and Space Frames，Osaka，1986，1，pp．129～136．8 Imagawa N，Fujita K，Murano K．Construction method without temporary supports by use of wooden lattice shell，Proc．of IASS symposium，Madrid，1989，1．9 Makowski Z S，et al．穹顶网壳分析、设计与施工．赵惠麟，等译．南京：江苏科学技术出版社，199210 Isler H．Third decade of structural shells，Proc．of IASS Symposium，Madrid，1989．1．(东南大学赵惠麟副教授、单建副教授撰) |
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