【停車(chē)棚廠(chǎng)家】膜結構建筑設計的討論

1 膜結構的發(fā)展情況。
1.1膜結構是在上世紀中葉發(fā)展超來(lái)的一種新型材料、大跨度空間的結構形式。
　　 膜結構的設計基本完善于20世紀80年代和90年代的后期。膜結構的代表作有1988年日本建成的東京后樂(lè )園穹頂，它采用了充氣膜結構，平臺長(cháng)180m的圓角正方形，最大對角線(xiàn)201，覆蓋面積4675５m2，采用了雙層聚四氟乙烯涂層玻璃纖維膜材。1990年建成的美國圣地亞哥會(huì )議中心，其展廳膜結構由5個(gè)單體組成，每個(gè)單體由兩根“飛柱”頂起，形成傘狀，整個(gè)平面為91.5mX91.5m方正形。在我國上海1997年興建的萬(wàn)人體育場(chǎng)，屋蓋平面輪廓尺寸274mX288m，最大懸挑73.5m，覆蓋面積26000m2，開(kāi)創(chuàng )我國大跨膜結構的歷史先河。經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展我國的膜結構有了長(cháng)足的發(fā)展，大約以每年20%的速度增長(cháng)，膜結構的應用領(lǐng)域和使用年限逐漸地由臨時(shí)性膜結構、半永久性膜結構到永久性膜結構過(guò)渡和發(fā)展。
1.1 膜結構的材料。
膜結構的材料決定膜結構的可靠程度與否，對結構使用的合理選擇，以及新材料的應用，結構的耐久性和使用年限，均有著(zhù)密切的關(guān)系，膜材的屬性以及強度也是不可忽視的一個(gè)重要組成部分。
1.1.2膜材的種類(lèi)。
　　膜材種類(lèi)主要分為三種，一是PTEF膜材，由聚四氟乙稀(PTEF）涂層和玻璃纖維基層復合而成；二是PVC膜材：由聚氯乙�。ǎ蠽C)涂層和聚酯纖維基層復合而成。三是加面層的PVC膜材在PVC膜材表面涂覆聚偏氯乙�。≒VDE)或聚氟乙稀(PVF)。三種性能優(yōu)點(diǎn)為：PTFE膜材的材質(zhì)好、價(jià)格也較高；PVC膜材應用廣泛、價(jià)格適中。
1.2 膜材的物理性
1.2.1 膜結構的膜材是一種具有強度、柔韌性好的涂層織物材料。
1.2.2 具有力學(xué)性、光學(xué)性、聲學(xué)性、防火性、保溫性、自潔性。
1.2.3 膜材的力學(xué)性、膜材的材料應力是平均分布在所有面積上，不是集中在一點(diǎn)上。力學(xué)特性是：抗拉強度高，抗壓剛度和抗變?yōu)榱�，屬于非線(xiàn)性和各項異向性的材料，同時(shí)也容易發(fā)生徐變和應力松弛現象。
2 膜結構的荷載。
2.1 膜結構的荷作用。
2.1.1 膜結構的荷載中主要考慮鋼結構部分荷載，效應組合問(wèn)題應按《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)進(jìn)行設計。
2.1.2 作用于膜結構的荷載應考慮永久荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載及初始預張力等等。
3 膜結構的設計。
3.1 膜結構的一般設計原則。
3.1.1膜結構的設計計算與傳統結構有明顯區別，一方面膜結構屬于柔性張拉結構，必須通過(guò)施加初始張力才能獲得結構剛度。另一方面，膜結構的表面形狀為空間曲面，形狀比較復雜，屬于可展曲面，因而存在將平面膜材經(jīng)過(guò)裁剪構成空間曲面問(wèn)題。
3.2.1 膜結構設計計算包括初始形態(tài)分析、荷載效應分析與裁剪分析三大部分。
3.2.2 初始形態(tài)分析為：確定的初始曲面形狀及該曲面相應的初始預應力分布。
3.2.3 荷載效應分析指對結構在荷載作用下的內力，位移進(jìn)行計算。
3.2.4 裁剪分析是將薄膜面劃分為裁剪膜片并展開(kāi)為平面裁剪下料圖的過(guò)程。
4 膜結構的計算。
4.1 膜結構的計算方法。
4.1.1 主要有三種計算方法：力密度法、動(dòng)力松弛法、非線(xiàn)性有限元法。
4.1.2 力密度法是將薄膜結構離散為由節點(diǎn)和桿件組成的索網(wǎng)結構，在給定的幾何拓撲、支座位置及力密度值(索力與索長(cháng)比)下，求解節點(diǎn)坐標的線(xiàn)性方程組后求得結構的變形。
4.1.3 動(dòng)力松弛法是將薄膜結構離散為節點(diǎn)之間的連接單元，對各節點(diǎn)施加激動(dòng)力產(chǎn)生振動(dòng)，然后跟蹤各節點(diǎn)的振動(dòng)過(guò)程直至最終求得結構平衡狀態(tài)。
4.1.4 非線(xiàn)性有限元法是將薄膜結構進(jìn)行有限元離散分析，以過(guò)求解大位移小應變幾何非線(xiàn)性有限元方程，求得膜結構的內力和變形。
5 膜結構A應力和結構安全。
5.1 膜結構的允許應力和安全系數。
5.1.1 膜結構是一種新型的建筑結構形式，它在荷載作用下，內力變形比較復雜，設計計算當中應盡量避免膜材出現較大應力導致過(guò)大的變形。
5.1.2 根據國內外的經(jīng)驗和國際標準，膜結構的設計一般采用允許應力法對膜材的應力來(lái)控制，即荷載作用下的膜材應力不大于材料的允許應力，允許應力則由膜材的抗拉強度除以安全系數求得。
Σ
式中：σ——膜材中的應力
fu——膜材的抗拉強度
K——安全系數
5.1.3 因為膜材的生產(chǎn)條件、質(zhì)量等原因，膜結構對材料的要求比較高，不能有缺陷，因此根據國內外經(jīng)驗，長(cháng)期荷載作用下取K=8，短期荷載作用下取K=4。
6 膜結構幾何與材料的非線(xiàn)性問(wèn)題。
6.1 膜結構中的索和膜材料均屬柔性材料，只能承受拉力而不能承受壓力、彎矩等作用。所以膜結構是主要通過(guò)變形(曲率變化)來(lái)平衡外荷載，即必須考慮結構的幾何非線(xiàn)性效應，近似的可以按彈性材料考慮。這樣大大簡(jiǎn)化膜結構的設計。
7 膜結構的邊界問(wèn)題。
7.1 膜結構的邊界條件。
7.1.1 膜結構計算模型的邊界支承條件取決于膜材與邊緣構件，分柔性索和剛性構件。假定固定支承或彈性支承。
7.1.2 假定骨架支承的結構剛度很大，可以將膜材支骨架處的連接認為是固定支承邊界，在一般情況下，可以將膜材與承骨架的連接處認為是彈性支承。
7.1.3 膜結構支承骨架影響計算中主要考慮剛度問(wèn)題，對支座反力和支承骨架進(jìn)行計算。防止過(guò)大變形產(chǎn)生較大位移的發(fā)生。
8 膜材使用。
8.1 膜材的松弛的褶皺。
8.1.1 膜結構中膜材松弛，會(huì )導致結構剛度降低，尤其是在風(fēng)荷載作用下容易出現劇烈振動(dòng)，使用結構受力大幅度增加，導致膜撕裂，結構破壞。
8.1.2 膜材的松弛所引起的褶皺，會(huì )影響膜結構美觀(guān)和排水性能。
8.1.3?搖在正常使用狀態(tài)下，膜材不應出現松弛與褶皺現象。
8.1.4 如果出現膜結構松弛和褶皺，說(shuō)明不能滿(mǎn)足正常使用，需重新進(jìn)行初始化形態(tài)分析。
結束語(yǔ)：膜結構是一種全新的建筑結構形式，它集建筑學(xué)、結構力學(xué)、化工材料力學(xué)、計算機使用技術(shù)為一體。它具有很高的科技含量，它的優(yōu)美曲面形態(tài)，體現了建筑美感，同時(shí)映證和體現了以人為本，自然與人，動(dòng)靜結合，天人合一的生態(tài)和諧思想，也可以成為最有吸引力、標志性建筑。
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