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张拉膜结构的概念设计

  张拉膜结构的概念设计

  只有是正确的表达结构逻辑的建筑才是有强大的说服力与表现力的”这句话是揭示了张拉膜结构的一个精髓。对于是张拉膜结构,任何是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。张拉膜结构的美就是在于其“力”与“形”的一个完美结合。


张拉膜结构的概念设计

  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)。

  膜材一种是新兴的建筑材料,已是被公认为是继砖、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,是要保证膜结构是正常工作的另一个重要条件就是要形成互反的曲面。传统的结构是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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