演讲者：Chris Zweifel，ZZ Consulting
描述：艺术和工程并不矛盾。最近更新的 ACI 334.1-22 混凝土壳体结构 — 指南为设计令人兴奋且美丽的壳体结构开辟了新途径。该指南分解了各种设计选项，从折叠板的直线到自由形式和形状现成壳体的不同曲线，以及介于两者之间的一切。在探索不同的壳体配置后，我们将深入研究壳体的设计、分析和构造概述。从棚屋到歌剧院和教堂，再到火车站和公共空间，壳体结构是融合艺术和工程的机会。
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好的，今天我的目标是介绍我们的新文档《壳结构指南》。根据ACI的定义，壳是由一个或多个薄的平面或弯曲的板组成的三维空间结构，其厚度与其他尺寸相比很小。换句话说，我们利用几何形状来最大化跨度或覆盖面积，同时最小化材料的使用，这正是壳体的作用，它们以最少的材料覆盖最大的面积。
从历史上看，壳结构在19世纪中叶至晚期开始出现，最初是混凝土水箱，这是第一批壳结构。这里有一个约1900年的铁路水箱，之后它们逐渐发展。
我们必须感谢那些设计师，他们实际上是数学家，很多也是承包商，因为没有其他人愿意建造这些结构，只有这些人觉得自己理解这些结构。因此，他们提出了建造一些非常惊人的结构的公式和方法。
例如，这个气艇机库是为气球飞机设计的，建于1928年左右的法国。值得注意的是，当时的“计算机”仅仅是铅笔和纸，所以他们能够分析的壳体必须非常简单，他们需要进行大量的数学计算。而如今，我们的计算能力几乎是无限的，因此现在我们可以设计出比实际能够建造的结构要多得多的方案。
在我们的新文档中，我们将壳体分为十个不同的组。我们快速浏览这些不同的形状。首先是折板，这在二战后非常流行，持续了大约三十年。由于它们有漂亮的直边，成型相对简单，尽管使用了大量材料和支撑来建造这些结构，但它们可以以相对较薄的板材跨越较长的距离。
第二组是具有恒定曲率的单曲壳，比如圆筒或水箱结构。这里有一个1936年的混凝土圆筒壳，这是美国最古老的圆筒壳之一。单曲率的形状易于用直木材成型，因为它只在一个方向弯曲。
我们可以更复杂的单曲壳体，具有多个曲率半径，比如椭圆拱或隧道，这些隧道可以是扁平的或垂直的。再次强调，这些结构在一个方向上是直的，而在另一个方向上则有不同的半径。
第四组是单一半径的双曲壳，我们称之为同曲壳，因其在同一方向上双重弯曲。比如混凝土穹顶等，这些结构都是单一曲率的。
接下来是具有多个曲率半径的壳，比如蛋壳式消化器，它们的平面图或剖面都是椭圆形的。根据成型方法的不同，这些结构的建造难度也不同。如今，我们使用大量气膜来建造这些结构，使其与半球体没有太大区别。
最后，我们有自由形态的壳，它们是壳体世界中的“独角兽”，不需要遵循任何几何公式，设计师可以自由发挥。这些壳体的一个难点在于，必须准确描述其几何形状，以便进行分析和建造。
接下来是成型壳，这与自由形态相似，但有一些约束条件，比如桥梁的边界条件。设计师可以在这些约束下调整几何形状，使壳体内部的主应力都是膜力，几乎没有弯曲。
还有网壳，像是Pier Luigi Nervi设计的结构，通过一系列相互连接的梁形成壳体。这些都是穹顶型结构。
最后，我们有组合壳，可以从不同类型的壳中取出部分进行组合，形成新的结构。
在分析方面，我们有两种方式：闭合形式解和数值分析。闭合形式分析是数学家们多年前提出的方法，有限形状的方程被衍生出来。这些方程基于弹性理论，并基于灵活性假设。
闭合形式分析的程序是，首先确定膜应力，然后施加加载，无论是外部活载还是壳体自身的载荷，这些载荷会被分解为膜力，因此实际上没有弯曲，只有压缩和拉伸力。但这也存在误差，必须进行进一步的分析以解决这些误差。
数值分析，比如有限元方法，可以处理更复杂的几何形状，因此适用于更广泛的应用。
我不会详细讲这个内容，Zane会在几分钟内覆盖到，所以我会跳过这一部分。但我想提到的是，这个房屋的面积是2500平方英尺，这只是我们开始时的初步了解。
如果你对壳体设计或分析不太了解，并将其放入有限元分析中，你可能无法判断答案是否正确，这很危险。这是我们不想要的。因此，如果你有一部分壳体，比较它与闭合形式解，看看它的行为是否符合预期，那么你就会更有信心。Zan会具体讨论一些技巧和我们需要做的事情，所以我不会抢他的风头，他比我聪明。
在分析壳体时，我们要关注支撑结构。支撑对壳体的反应有很大影响。如果我们观察这个壳体的背面，有很多支撑，这一侧非常坚固。而壳体的前面是一个悬挂结构，跨度很长。这部分壳体的边缘会非常灵活，基于跨度等因素，因此你必须在分析中考虑这一点。否则，如果你只是给它一些固定点，而这些点不是真正固定的，壳体的表现会与你的假设大相径庭。
壳体的稳定性变得尤为重要，因为它们非常薄且跨度大。在混凝土设计中，我们通常花多少时间考虑稳定性？如果你设计一个混凝土梁，通常不会关注稳定性，对吧？但稳定性确实是壳体设计中最重要的因素之一。
我们需要关注的因素包括挠度。当挠度过大时，壳体的承载能力会显著降低。混凝土穹顶的顶部通常处于压缩状态，压缩的程度会影响蠕变效应，我们希望尽量减少蠕变，以防止顶部的挠度增加。
裂缝也是一个重要问题，我们设计混凝土时就是为了在适当的位置出现裂缝。当裂缝变大时，就意味着存在问题；如果裂缝保持小规模，那么就没有问题。但在壳体结构中，受到拉应力的区域出现裂缝时，我们会失去部分结构厚度，降低其稳定性。
工程师总是认为我们设计的所有结构在施工时都是完全正确的，但这并不总是发生。因此，我们必须记住可能存在的偏差，并在施工期间了解正在发生的事情，以便在分析中考虑这些因素。
影响屈曲强度的因素包括厚度和跨度。如果一个壳体的长度增加，而厚度保持不变，那么屈曲能力会下降；反之亦然。这是影响壳体稳定性的主要因素之一。
支撑也非常重要。如果一个支撑非常灵活，移动后会导致壳体顶部下垂，从而增加了有效跨度，再次影响其稳定性。
加载通常不是主要问题，尤其是双曲壳体对均匀荷载的承受能力很好。但在边缘或壳体开口处，可能会出现不连续性，导致弯曲。因此，我们需要对此保持警惕。
在壳体设计中，我们一直使用ASD设计方法。ASD在混凝土设计和分析中已经是个老古董了，最后一次出现在ACI 318的附录A中是在70年代。尽管如此，我们仍然使用它，因为我们设计壳体时并不主要基于强度，而是基于稳定性和挠度。我们希望应力保持在较低水平，这就是我们考虑ASD设计的原因。
在318中，壳体部分已经被移除，新的318.14版本也没有包含它。现在，我们在38.2中，令人欣慰的是，这是免费的，任何人都可以下载，甚至不需要成为ACI的会员。
在设计过程中，我们还需关注材料的限制。根据38.2和33.1文档，最高使用的钢材等级是60级。设计时，我们并不想在强度方面过于依赖，所以我们希望限制拉应力，尽量减少裂缝。
对于一些特殊结构，如穹顶筒仓，可以使用更高等级的钢材，比如80 KSI，但对于典型的建筑型壳体，我们通常不使用超过60 KSI的钢材。混凝土强度方面，我们要求壳体结构的最小强度为3000 PSI，许多气膜壳需要使用4000 PSI的混凝土。
这些都是我们在设计壳体时需要关注的材料和稳定性问题。
这又回到了稳定性，我们不会再次降低所有这些因素的重要性，但我们需要关注挠度、活载、蠕变效应、裂缝、壳体表面偏差和支撑结构等所有方面，这些都涉及到我们如何设计这个结构。因此，如果今天你能记住一件事，那就是稳定性需要被分析、被考虑，并且在设计壳体结构时要放在首位。
接下来我们谈谈最小厚度。如果你在设计梁，如何确定最小厚度呢？你可以根据跨度要求确定一定的厚度，否则我们需要计算挠度。对于壳体，最小厚度可能取决于许多不同的因素。
最常见的因素之一是需要多少混凝土来覆盖钢筋。比如，某个壳体的分析可能表明它只需要一英寸的厚度，但如果你要放置两层四号钢筋，那么你需要一英寸的覆盖，这样总厚度就会增加。
有时，壳体的附件要求可能会影响所需的最小厚度。例如，如果你需要在壳体上安装楔形锚固件，那么在两英寸的混凝土中进行安装是非常困难的，这可能导致壳体的厚度增加到四或五英寸，仅仅是为了满足附件的要求。
此外，如果没有足够的抗弯能力，我们需要采取适当的措施。因此，最小厚度可能会因为其他因素而变化，而不仅仅是强度。
我们讨论过压应力，我们希望保持其低水平。拉应力显然是由钢材来抵抗的，但我们还有一些要求，比如钢筋的间距必须比普通混凝土结构更紧，因为裂缝控制非常重要。
规定的搭接长度通常要比计算的搭接长度多出20%，这是因为壳体可能会扭曲，因此需要更长的搭接长度以确保连接的有效性。
在壳体设计中，接头的布置也非常关键。接头需要错开，以避免在同一位置产生过高的剪应力。我们希望将剪应力分散到混凝土中，以降低其值。
在壳体的开口或边缘处，可能无法错开接头，因此可以通过增加接头的长度来降低剪应力。
在壳体的施工中，我们使用不同类型的硬性模板，有时也使用气膜模板。在施工过程中，如果是硬性模板并且是拱形结构，承包商必须与工程师和设计师进行充分沟通，以确保去掉支撑时不会产生过大的力。
这就是我想分享的内容，谢谢大家。
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