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膜结构找形及常见的膜结构形状

浏览次数: 192 次 发布时间:2020年09月01日

一、膜结构找形原则

1、膜结构找形的重要性

膜结构找形是膜结构设计的起始步骤,在这一过程中,需要综合考虑建筑的平面、立面要求和建筑功能,以及下部支承条件等因素来确定符合边界条件和力学平衡要求的曲面形状。实际上膜结构的设计打破了传统的“先建筑,后结构”的设计方式,要求建筑师和结构师在方案建议阶段便紧密结合在一起,共同确定建筑物的外形。
从力学的角度来看,膜结构的找形问题可以归结为求解空间曲面的初始平衡问题。这一问题包含了如下几个重要参数:
(1)结构拓扑关系;
(2)体力和面力;
(3)结构几何形状;
(4)几何边界条件;
(5)初始预张力的大小和分布。
其中,结构拓扑关系是指不同结构构件之间的连接关系,在计算机有限元模型中,也可以将其理解为结构单元之间的连接关系。体力和面力是指结构自重和外荷载,在找形阶段外荷载通常为零。结构几何形状是找形阶段所要求解的,一般属于未知量。几何边界条件和初始预张力通常由结构工程师根据建筑条件和施工条件等因素来综合确定,是找形阶段的主要自变量。可以说,找形就是寻求以上诸多因素的平衡点。

膜结构车棚

2、膜结构找形注意事项

(1)曲面的弯曲应在两个方向上互反,即应为负高斯曲面。张力膜结构受风压力和风吸力作用,利用方向互反的曲面,可以使膜面在两个方向上相互制约,有效传递外荷载;
(2)避免出现大面积的扁平区域。曲面上出现大面积的扁平区域,意味着曲面的自然刚度低,承受竖向荷载的能力弱,容易积水或积雪;为了增加扁平区域曲面的刚度,需要给曲面施加非常大的预应力,这就会导致作用于边界构件上的力很大,甚至无法实施;
(3)曲面上的高低起伏宜平缓,避免出现“尖角”。曲率变化过于剧烈会导致应力集中;
(4)合理确定支承点的位置,以保证膜面具有较大的曲率。沿膜主曲率方向的拱高与弦长之比宜大于1:20;
(5)在条件许可的条件下,宜优先选择柔性边缘构件(索)和活动式连接方法(如桅杆顶部采用浮动式帽圈、节点用铰接连接构造),以适应变形、保证膜内应力尽可能均匀,避免在荷载作用下膜材出现应力集中或褶皱;
(6)对于比较重要的膜结构,应在膜材之外布置适当数量的附加拉索对主要支承构件进行固定,以保证结构不会因膜材的破损而倒塌;
(7)支承结构的布置还要考虑具体的施工过程、二次张拉和膜材更换等问题;
(8)单片膜的跨度不宜超过15米,覆盖面积不宜超过400米;如果超过此限值,应适当增设加强索;
(9)预张力的大小需要预期的形状和设计荷载来确定。在设计荷载的作用下,应保证结构内部具有维持曲面形状的拉应力值。预张力过小会导致结构在风荷载的作用下出现较大的振动;预张力过大又会给支承结构(包括基础)的设计和施工张拉带来困难。通常对于PVC膜材,预张力水平为1~3kN/m,对于PTFE膜材,预张力水平为3~6kN/m。

膜结构景观

二、膜结构常见形状

膜结构的形态是多种多样的。从其基本构成来看,绝大多数是由鞍形、伞形、拱支式和脊谷式这四种基本形状演变而来的。

1、鞍形

鞍形曲面由四个不共面的角点和连接角点的边缘构件围合而成,是典型的互反曲面形式,在这四个角点中,通常有两个对角点为高点,另两个为低点。鞍形膜结构的边缘构件可以是混凝土梁或空间钢桁架,即形成所谓的刚性边界;也可以采用边索,通过对其施加较大的预张力形成柔性边界。由于柔性边界可以较好地适应膜面的变形,避免膜面在安装和受荷过程中出现褶皱,因而较为常用。鞍形膜结构的适用跨度较小,一般多用于膜结构小品中。

  2、伞形

伞形膜结构也是常见的张拉膜结构形式之一。这种结构形式的特点在于,膜单元的周边相对位置较低,多固定在刚性边梁或柔性边索上;在膜单元的中部设有一个或多个高点,多通过独立柱、飞柱或悬挂环的支承来实现;整个膜面呈锥形。为了避免在高点附近的膜材内部应力过大,当膜单元跨度较大时,可在高点和边界支承点之间设置脊索,以改变结构内部的传力路径,避免膜材出现应力集中。伞形曲面还可以倒置应用于工程中。

膜结构遮阳亭
3、拱支式

拱支式膜结构以拱为膜材提供连续的支承点,结构平面多为圆形或近似椭圆形。当跨度较大时,常在中间拱与下部边缘构件之间布置正交索网。拱支式膜结构多用于封闭式建筑中。
4、脊谷式

脊谷式膜结构是在两高点之间布置相互平行的脊索、在两低点之间布置谷索,高低相间,曲面呈波浪形;脊索和谷索之间的膜面形成负高斯曲率曲面。当结构跨度较大或荷载较大时,还可在脊索和谷索之间适当布置一些横向的加强索。脊谷式膜结构的结构平面多呈矩形。
尽管上述四种基本形式的造型各不相同,但都遵循一个原则,即要通过刚性支承构件或连接件在膜面内形成一系列的高点和低点;这正是互反曲面的基本特征,即互反曲面的边界不会位于同一平面内。把握了这一原则,在实际设计中就可以根据支承构件的形式(桅杆、拱或吊环)及其对膜的支承方式(点支承或线支承),来选取适当的膜结构造型形式。

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