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张拉膜结构的概念设计

日期:2013-09-12 10:16:34 / 人气:8

 

“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。 

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。 

膜结构研究的主要问题有: 
1,找形(Form-finding)或更进一步叫“形态理论”; 
2,考虑膜材松弛和各向异性下的结构响应; 
3,结构在风荷载作用下的动力稳定性; 
4,裁剪优化; 
5,膜与索及支承结构间的相互作用。 

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