弧型壳体

圆柱形壳体象折板结构一样,圆柱形壳体在自然界也有一些相应的东西,例如, 草梗和竹竿的封闭圆管在工程技术中也有所运用。但是,圆柱体的切开部分是壳体结构的基本型,是一个房屋的原件,既未被其他工程技术也未被自然界所用。只是在过去二、三十年中被建筑师们承认了它的重要性。

弧段壳体除曲率之外,与拱的常见形式和拱的力学原理没有共同之处,它完全是一种新的东西。为了不用数学工具而能理解它的作用,我们用纸做的模型说明。一张纸一般完全不能抗弯,如果把它卷起来,它就变得挺硬。再将它放开,在与纸筒反向等分,折成几个部分,就得到一系列相当强的弧段壳体。重荷载下它们就向两侧摊开而塌落。如果两端用硬纸板粘住就维持了壳体的形状并增大了它的强度。

如果按照分析折板结构的方式分析圆柱形壳体的作用,我们再次分辨出三个基本的作用:

1.曲面在横向的作用

首先,假设用一系列平行的平板条组成的一个折板来代替壳体。如果再假设这些板条在横向有相当大的抗弯强度,就象在折板结构中所说明的一样,均布荷载将集中在折线处,这里折线的作用就好象一般的支座。

2.曲面在纵向的作用

在折线处的集中荷载可以分解成在相邻板条面上的分力。这些分力表示作用在板条上的反力。此时板条的作用就好象跨在纵向上的简支梁。由于这个体系是不对称的,例如,在A-B线两边的简支梁所承受的荷载很明显地是不一样的。因此,这两个受不等荷载的梁在A-B边的变形趋向是不同的。然而,由于跨过A-B边的板是连续的,这两根梁对变形趋向必定互相约束,因此,沿着A-B边的实际变形一定是这两种趋向的折衷值。结果是在A-B边上的应力主要成为切应力,薄壳是足足能够抵抗这类应力的。

现在如果设想使板条变得越来越窄,这样就得到一个标志真正壳体的连续曲线不难看出,正常的壳体作用和已经阐述过的折板作用是基本上没有什么差别的。上述的切应力 对两者都发挥重要的作用。

3.横向加劲件的作用

如果一个非常薄的壳体能起1和2所述的作用的话,它的初始形状必须严格保持不变,并且必须止侧摊开,因此薄壳和加劲件的连接点必须能承担切力,这是非常重要的。很清楚从整体而言,结构的承载力决定于沿着薄和加件会合线上产生的抗切强度。

扼要地讲,圆柱形三体的作用有点象由无数窄条组成的一个折板。荷裁先传到折 ,然后再分解成为与折线两边的窄板条相切的分力。在纵向窄条的作用如同小梁,因为相邻板条的连续性限它们不能自由变形。总之,只有用加劲件保持壳体的形状而且壳体与加劲件之间的连接点能抗,壳体方能发挥作用。

类似一根梁的作用

如果把圆柱形壳体看作一个封闭系统,当然,类似一根梁的作用是很清楚的对照简支梁和圆柱形壳体的配已筋图形两者的相似性是不难看出的。把壳体看成一根具有薄的曲线腹板的梁的时候,立刻就可以理解它的作用了。

图源 Curt Siegel 《 Structure and Form in Modern Architecture 》

壳体的曲线

还有一点值得注意。在确定拱的形状时要求严格遵守的压力线近似抛物线,对于圆柱形壳体是并不典型的,实际上,它甚至会削弱壳体的强度。如果圆柱形壳体的截面是按照压力线确定的,荷载就会沿着压力线一直往下传到壳体的底部边缘。荷载在传递过程中不曾转变为切力于是,荷载通过最短的路线达到支座。在正常情况下,切力产生在折板的折线处,或者沿着壳体的曲线,壳体的曲线离开压力线越远,抗切的效果就越好。如截面完全依照压力线,在壳体的底部边缘将产生纯粹梁的作用,这当然违反壳体的真正特性,因为壳体的承载力是以共抗切能力为基础的。

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