膜結構的設計與施工
日期：2017-08-30
膜結構建筑的結構計算通常由計算機完成,其復雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風(fēng)計算是從事一般建筑結構設計的工程師難以完成的 。國外 各大從事膜結構建筑設計和安裝的專(zhuān)業(yè)公司,都各自開(kāi)發(fā)了大型的專(zhuān)業(yè)軟件,但為了控制市場(chǎng)都嚴格保密。目前國內已經(jīng)出現的諸如上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)等少數膜結構建筑,也都是外國公司設計的。我國自行設計的大型膜結構還很少,國內也尚無(wú)成熟的理論計算方法及相應的計算設計程序,制約了膜結構在我國的發(fā)展、應用與研究。
傳統膜結構的設計主要包括體形設計、找形分 析、荷載分析、裁剪分析等。
體形設計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量,確定各控制點(diǎn)的坐標、結構形式,選用膜材和施工方案。找形分析又稱(chēng)為初始形態(tài)分析,主要是尋找并確定一個(gè)既滿(mǎn)足膜內力平衡條件又接近設計者預想造型的曲面。由于膜材料本身沒(méi)有抗壓和抗彎剛度,抗剪強度也很差,因此其剛度和穩定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預張應力來(lái)提高,對膜結構而言,任何時(shí)候不存在無(wú)應力狀態(tài),因此膜曲面形狀最終必須滿(mǎn)足在一定邊界條件、一定預應力條件下的力學(xué)平衡,并以此為基準進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。膜結構的荷載一般是風(fēng)載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要精確計算結構的變形和應力要用幾何非線(xiàn)性的方法進(jìn)行;荷載分析的另一個(gè)目的是確定索、膜中初始預張力。在外荷載作用下膜中一個(gè)方向應力增加而另一個(gè)方向應力減少,要求施加初始張應力滿(mǎn)足最不利荷載作用下應力不致減少到零,即不出現皺褶。剪裁分析是在預應力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪線(xiàn)位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開(kāi)為二維平面。膜材料輕柔、自振頻率很低,風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生風(fēng)振,導致膜材料破壞,如果初始預應力施加過(guò)高,膜材徐變加大,易老化且強度儲備少,對受力構件強度要求也高,增加施工安裝難度。
初始預應力要通過(guò)荷載計算來(lái)確定。經(jīng)過(guò)找形分析而形成的膜結構通常為三維不可展空間曲面,如何通過(guò)二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個(gè)膜結構工程中的關(guān)鍵問(wèn)題,是裁剪分析的主要內容。
施工時(shí),應根據膜面的尺寸和施工場(chǎng)地的條件,認真確定膜材的結合位置,以及膜材的捆包、搬運和展開(kāi)。
