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膜结构的膜结构概念设计

发布时间:2019-05-06 16:11人气:
从结构方式上大致可分为骨架式、张拉式、充气式膜结构3种形式 。  1.骨架式膜结构(Frame Supported Structure)     以钢构或是集成材构成的屋顶骨架后,在其上方张拉膜材的构造形式,下部支撑结构安定性高,因屋顶造型比较单纯,开口部不易受限制, 且经济效益高等特点,广泛适用于任何大,小规模的空间。   2.张拉式膜结构(Tension Suspension Structure)    以膜材、钢索及支柱构成,利用钢索与支柱在膜材中导入张力以达安 定的形式。除了可实践具创意,创新且美观的造型外,也是最能展现膜结 构精神的构造形式. 近年来,大型跨距空间也多采用以钢索与压缩材构成 钢索网来支撑上部膜材的形式。因施工精度要求高,结构性能强,且具丰 富的表现力,所以造价略高于骨架式膜结构。   3.充气式膜结构(Pneumatic Structure)     充气式膜结构是将膜材固定于屋顶结构周边,利用送风系统让室内气 压上升到一定压力后,使屋顶内外产生压力差,以抵抗外力,因利用气压 来支撑,及钢索作为辅助材,无需任何梁,柱支撑,可得更大的空间,施工 快捷,经济效益高,但需维持进行24小时送风机运转,在持续运行及机器 维护费用的成本上较高。   只有正确表达结构逻辑的建筑才有强大的说服力与表现力”这句话揭示了张拉膜结构的精髓。对于张拉膜结构,任何附加的支撑和修饰都是多余的,其结构本身就是造型;换句话说,不符合结构的造型是不可能的,因为那样的薄膜不是飘动的就是缺乏稳定性的。张拉膜结构的美就在于其“力”与“形”的完美结合。   张拉膜结构的基本组成单元通常有:膜材、索与支承结构(桅杆、拱或其他刚性构件)。   膜材一种新兴的建筑材料,已被公认为是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。膜材本身不能受压也不能抗弯,所以要使膜结构正常工作就必须引入适当的预张力。此外,要保证膜结构正常工作的另一个重要条件就是要形成互反曲面。传统结构为了减小结构的变形就必须增加结构的抗力;而膜结构是通过改变形状来分散荷载,从而获得最小内力增长的。当膜结构在平衡位置附近出现变形时,可产生两种回复力:一个是由几何变形引起的;另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多,所以要使每一个膜片具有良好的刚度,就应尽量形成负高斯曲面,即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的,也许是由于这个原因,有些文献上也把张拉膜结构叫做悬挂膜结构(suspension membrane)。   索作为膜材的弹性边界,将膜材划分为一系列膜片,从而减小了膜材的自由支承长度,使薄膜表面更易形成较大的曲率。有文献指出,膜材的自由支承长度不宜超过15米,且单片膜的覆盖面积不宜大于500平米。此外,索的另一个重要作用就是对桅杆等支承结构提供附加支撑,从而保证不会因膜材的破损而造成支承结构的倒塌。   膜结构设计主要包括以下内容:   1,初始态分析:确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面,并能够抵抗各种可能的荷载工况;这是一个反复修正的过程。   2,荷载态分析:张拉膜结构自身重量很轻,仅为钢结构的1/5,混凝土结构的1/40;因此膜结构对地震力有良好的适应性,而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少,故对膜结构的设计通常采用安全系数法。   3,主要结构构件尺寸的确定,及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时,应注意不同设计方法间的系数转换。   4,连接设计:包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。   5,剪裁设计:这一过程应具备必要的试验数据,包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值(应通过双轴拉伸试验确定)。   膜结构在方案阶段需要考虑的问题有:   1,预张力的大小及张拉方式;   2,根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式;   3,考虑膜面及其固定件的形状以避免积水(雪);   4,关键节点的设计,以避免应力集中;   5,考虑膜材的运输和吊装;   6,耐久性与防火考虑。   在张拉膜结构设计阶段所要考虑的要点有:   1,保证膜面有足够的曲率,以获得较大的刚度和美学效果;   2,细化支承结构,以充分表达透明的空间和轻巧的形状;   3,简化膜与支承结构间的连接节点,降低现场施工量。

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