二、拱殼
拱是抗壓材料的理想形式，拱形的土穴、巖洞是自然界存在最多的天然結(jié)構(gòu)。拱是受壓的，土與石承壓性能好，因此天然結(jié)構(gòu)中拱形的土穴與巖洞占絕大多數(shù)。
殼體具有三大功能，即強度大、剛度大和板架合一，這是由于殼能雙向直接傳力、具有極大空間剛度和屋面與承重合一的面系結(jié)構(gòu)。本節(jié)將拱與殼分述如下：
(一)拱
東西方古國，很早就產(chǎn)生了拱結(jié)構(gòu)。如：中國的弧拱、古埃及、希臘的券拱；古羅馬的半圓拱；拜占庭的帆拱；羅馬建筑的肋形拱；哥特建筑的尖拱等。
現(xiàn)代的拱結(jié)構(gòu)多采用圓弧拱或拋物線拱，其所采用的材料相當廣泛，可用磚、石、混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土，也有采用木材和鋼材的。拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍很廣；最初用于橋梁，在建筑中，拱主要用于屋蓋、或跨門窗洞口，有時也用作樓蓋、承托圍墻或地下溝道頂蓋。
拱所承受的荷載不同，其壓力曲線的線形也不相同，一般按恒載下壓力曲線確 定；在活載作用下，拱內(nèi)力可能產(chǎn)生彎矩，這時鉸的設(shè)置就會影響拱內(nèi)彎矩的分布狀況。與剛架相仿，只有地基良好或兩側(cè)拱肢處有穩(wěn)定邊跨結(jié)構(gòu)時才采用無鉸拱，這種拱很少用于房屋建筑。雙鉸拱應(yīng)用較多，為適應(yīng)軟弱地基上支座沉降差及拱拉桿變形，最好采用靜定結(jié)構(gòu)的三鉸拱，如西安秦俑博物館展覽廳，由于地基為Ⅰ-Ⅱ級濕陷性土而采用67m跨的三鉸拱。拱的形式見圖10-67。
拱身可分為兩大類，即梁式拱和板式拱。
粱式拱有兩種：
(1)肋形拱；
(2)格構(gòu)式拱。
2．板式拱有六種：
(1)筒拱；
(2)凹波拱；
(3)凸波拱；
(4)雙波拱；
(5)折板拱；
(6)箱形拱。
拱以曲桿抗衡并傳遞外力給支座，故鉸支座不僅承受豎向力，并有相當大的水平向外的拱腳推力，其合力就位于拱軸曲線在支座點的切線方向上。拱腳有推力是其主要力學(xué)特征之一，矢高f越小，推力越大。一次超靜定的雙鉸拱，支座的垂直或水平位移均會引起 內(nèi)力變化，對支座在推力作用下無變位的要求就更嚴格。由此可見，為了使拱保持正常工 作，務(wù)必確保其支座能承受住推力而不位移，故拱腳推力的結(jié)構(gòu)處理，是拱結(jié)構(gòu)設(shè)計的中 心問題。
3．一般，抵抗推力結(jié)構(gòu)的處理方案，有下列幾種：
(1)推力由拉桿直接承擔(dān)；
(2)推力由水平結(jié)構(gòu)承擔(dān)�！�4．結(jié)合拱腳部位有下列的處理方案：
(1)連續(xù)拱的中間支座，兩側(cè)恒載作用下拱腳推力相抵消，故中間各跨可不設(shè)拉桿； 非對稱活荷(雪、風(fēng)荷等)作用下，兩側(cè)不平衡推力，可由作為中間支座的梁來抗衡。
(2)邊跨拱的邊支座處理；
1)邊圈梁；
2)挑檐板；
3)邊跨平頂。
(3)推力由豎向結(jié)構(gòu)承擔(dān)。豎向結(jié)構(gòu)有下列四種形式：
1)扶壁墻墩；
2)飛券；
3)斜托墩；
4)邊跨結(jié)構(gòu)。
(4)推力直接傳給基礎(chǔ)一落地拱。拱結(jié)構(gòu)布置有下列六種：
1)并列布置；
2)徑向布置；
3)環(huán)向布置；
4)井式布置；
5)多叉布置；
6)拱環(huán)布置。
(二)殼
人類遠在數(shù)千年前早巳造出了各式各樣的口用殼體，如鍋、碗、壇、罐……以后工業(yè)逐漸發(fā)達，造出了燈泡、鋼盔、木舟、機殼等不勝枚舉。殼體用于建筑結(jié)構(gòu)雖為時較早，但工程界開始研究、分析、試驗已是19世紀，到20世紀初葉殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直緩慢，主要原因是計算極繁，在第二次世界大戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后殼體結(jié)構(gòu)發(fā)展才迅速起來。殼體結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是覆蓋面積大，無需中柱，室內(nèi)空間開闊寬敞、能滿足各種功能要求，故其應(yīng)用極廣，如會堂、市場、食堂、劇場、體育館、飛機庫等等，1959年建成的北京站采用的就是雙曲扁殼。殼體結(jié)構(gòu)雖逐漸增多，但其應(yīng)用仍受到一定限制，由于其缺點是缺乏木材與模板，制作復(fù)雜。
橫向受荷傳力的梁起“擔(dān)”的作用，不能材盡其用，并非經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式；以曲梁承荷傳力的拱起“頂”的作用，能進一步發(fā)揮材力，是較先進的結(jié)構(gòu)形式；殼體與此相仿，以曲板承荷傳力，而且更進一步，它不像拱是單向受荷傳力的平面結(jié)構(gòu)，而是雙向受荷傳力的空間結(jié)構(gòu)，起雙向“頂”的作用，見圖10-68，這是空間殼與平面拱的根本區(qū)別。
殼的造型有：筒殼、球殼、雙曲扁殼、鞍殼、扭殼等，現(xiàn)分述如下：
1．筒殼
外形簡單的單曲面殼體。其縱向為自線，有其橫向剛度小的缺點，但卻因其能使則直模板，省工省材，這是其最大優(yōu)點。也是筒殼在歷史上最早出現(xiàn)并在近代仍大量建造的根本原因。筒殼可分為三種：l1／B≤1/2為短筒殼；l1／B≤3為長筒殼；l1／B為中間比值為中筒殼。
2．球殼
自然界中存在著大量的球狀物體，反映在建筑—亡的穹窿圓頂，是古老的建筑形式之一，多用于中心型平面的正中央，這種形式近代仍經(jīng)常采用，雖外形類同，其受力特性卻已改變，球殼的內(nèi)力都作用在曲面內(nèi)，見圖10-69，為薄膜內(nèi)力，能用薄膜理論計算。球殼多用于天文館、會堂、音樂廳、劇院、展覽館等中心型建筑物。
3．雙曲扁殼
筒殼和球殼的結(jié)構(gòu)空間是非常大的，對無需大的使用空間建筑，都欲壓縮其使用空間，以降低造價；同時從材盡其用的觀點出發(fā)，盡可能使殼內(nèi)應(yīng)力小些(最好無拉力)，促使減小矢高，雙曲有利于提高殼體各向的強度和剛度，正如桔皮雖軟，卻不易將其里外翻面。雙曲扁殼是雙向微彎的平板，凡矢高f≤l／5的殼體統(tǒng)稱扁殼，扁殼有平面扁殼和雙曲扁殼，雙面扁殼除扁球殼外，尚有平移雙曲扁殼，即橢圓拋物面扁殼、不規(guī)則雙曲扁殼。
雙曲扁殼的優(yōu)點是：
(1)矢高小，結(jié)構(gòu)空間小，節(jié)省造價；
(2)能達到無拉力狀態(tài)，能合理用材；
(3)保持雙曲，這是殼體發(fā)展的趨向；
(4)施工方便，便于混凝土澆灌振搗；
(5)平面適應(yīng)性有所改善； ’
(6)造型優(yōu)美，外形美觀，內(nèi)部明朗。
其主要缺點是模板有待進一步改進，用直料支模卻要構(gòu)成雙曲面殼體，這是個難題。
4．鞍殼
當平移曲面的母線與導(dǎo)線成反面的兩拋物線時，將構(gòu)成馬鞍形雙面殼面，稱為鞍殼。它與水平相交成雙曲線，故又稱其為雙曲拋物面殼。
5．扭殼
當f≤lx/5，屬扭殼，扭殼適用于各種平面的建筑，其適用跨度30~70m，厚度僅為 20~80mm。
目前殼體施工主要有下列幾種方法：
(1)現(xiàn)澆混凝土殼體；
(2)預(yù)制殼塊，高空裝配成整體殼體；
(3)地面現(xiàn)澆或裝配成殼體后整體提升；
(4)采用柔模噴涂成殼。
殼體結(jié)構(gòu)因其力學(xué)性能優(yōu)越正確，經(jīng)濟合理，利于抗震，近于自然，曲線優(yōu)美，形態(tài)多變，深受建筑師們的贊賞，在工程上有廣闊的發(fā)展前景.
