膜結構的典型形狀
日期:2018-03-02
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膜結構的形態(tài)是多種多樣的。從其基本構成來(lái)看,絕大多數是由鞍形、傘形、拱支式和脊谷式這四種基本形狀演變而來(lái)的。深入剖析這四種典型結構形式的曲面構成和力學(xué)特點(diǎn),有助于增進(jìn)對膜結構中形與力的認識。
1.鞍形(saddle shape)
鞍形曲面由四個(gè)不共面的角點(diǎn)和連接角點(diǎn)的邊緣構件圍合而成,是典型的互反曲面形式。在這四個(gè)角點(diǎn)中,通常有兩個(gè)對角點(diǎn)為高點(diǎn)(HP),另兩個(gè)為低點(diǎn)(LP)。鞍形膜結構的邊緣構件可以是混凝土梁或空間鋼桁架,即形成所謂的剛性邊界;也可以采用邊索,通過(guò)對其施加較大的預張力形成柔性邊界。由于柔性邊界可以較好地適應膜面的變形,避免膜面在安裝和受荷過(guò)程中出現褶皺,因而較為常用。
對于菱形平面的鞍形膜結構,可定義兩對角點(diǎn)間的水平距離 L 為跨度,高點(diǎn)(或低點(diǎn))與跨中點(diǎn)間的高差f 為矢高,f / L為矢跨比(如圖 4b所示)。矢跨比是控制鞍形曲面形狀的重要參數。矢跨比越大,膜面曲率越大,結構剛度就越好;通常矢跨比在 1/ 8~1/ 12之間。
鞍形膜結構的適用跨度較小,一般多用于膜結構小品中。
鞍形膜結構曲面示意圖
2.傘形(conical shape)
傘形膜結構也是常見(jiàn)的張拉膜結構形式之一。這種結構形式的特點(diǎn)在于,膜單元的周邊相對位置較低,多固定在剛性邊梁或柔性邊索上;在膜單元的中部設有一個(gè)或多個(gè)高點(diǎn),多通過(guò)獨立柱、飛柱或懸掛環(huán)的支承來(lái)實(shí)現;整個(gè)膜面呈錐形(如圖 5 所示)。為了避免在高點(diǎn)附近的膜材內部應力過(guò)大,當膜單元跨度較大時(shí),可在高點(diǎn)和邊界支承點(diǎn)之間設置脊索,以改變結構內部的傳力路徑,避免膜材出現應力集中。傘形曲面還可以倒置應用于工程中。
傘形膜結構曲面示意圖
3.拱支式(arch supported shape)
拱支式膜結構以拱為膜材提供連續的支承點(diǎn),結構平面多為圓形或近似橢圓形。當跨度較大時(shí),常在中間拱與下部邊緣構件之間布置正交索網(wǎng)。拱支式膜結構多用于封閉式建筑中,如加拿大加爾格里的林賽公園體育中心(Li ndsay Park Sport s Cent er)就是典型的拱支式膜結構。
拱支式膜結構曲面示意圖
4.脊谷式(wave shape)
脊谷式膜結構是在兩高點(diǎn)之間布置相互平行的脊索、在兩低點(diǎn)之間布置谷索,高低相間,曲面呈波浪形;脊索和谷索之間的膜面形成負高斯曲率曲面。當結構跨度較大或荷載較大時(shí),還可在脊索和谷索之間適當布置一些橫向的加強索。脊谷式膜結構的結構平面多呈矩形,如圖 7 所示。美國的丹佛國際機場(chǎng)和加拿大的 Canada Place等,都是典型的脊谷式膜建筑。
脊谷式膜結構曲面示意圖
盡管上述四種基本形式的造型各不相同,但都遵循一個(gè)原則,即要通過(guò)剛性支承構件或連接件在膜面內形成一系列的高點(diǎn)和低點(diǎn);這正是互反曲面的基本特征,即互反曲面的邊界不會(huì )位于同一平面內。把握了這一原則,在實(shí)際設計中就可以根據支承構件的形式(桅桿、拱或吊環(huán))及其對膜的支承方式(點(diǎn)支承或線(xiàn)支承),來(lái)選取適當的膜結構造型形式。
以上四種基本形式僅僅是為了加深理解所作的一種簡(jiǎn)單歸納,實(shí)際膜結構的形狀遠非如此簡(jiǎn)單,甚至可以說(shuō)是鮮有雷同;即便是這四種基本形式本身也可以有多種多樣的變形。在實(shí)際設計時(shí),切不可以拘泥于其中,而應把握膜結構自然、流暢的精髓,創(chuàng )造出更多的新穎、別致的膜結構作品。