第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系 - 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與

1、第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系屋架、剛架、網(wǎng)架成熟技術(shù)網(wǎng)殼、懸索研究應(yīng)用多，新技術(shù)膜、張拉研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，未知技術(shù)第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系膜結(jié)構(gòu)是指用柔性建筑織物膜作為屋面和圍護(hù)材料的結(jié)構(gòu)，柔性或剛性支承結(jié)構(gòu)，新興建筑結(jié)構(gòu)，無公認(rèn)分析計(jì)算理論。 第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系重量輕(約1kg/m2)使用年限約1530自潔、透光和便于更換等施工快，建筑造型多樣，建筑結(jié)構(gòu)一體化需解決積水，積雪，保溫，隔聲問題。 第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系(1)特點(diǎn)各種公共建筑如上海體育場，博螯會(huì)議中心，青島頤中體育場第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系(2)應(yīng)用青島頤中體育場博螯會(huì)議中心，充氣膜單層、雙層、氣肋，封閉結(jié)構(gòu)，圍護(hù)和

2、支承一體化，最早發(fā)展，70年大阪博覽會(huì)東京穹頂跨度204m第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系(3)類型充氣：內(nèi)壓力（1/3001/400大氣壓=1/31/4kPa，平衡基本風(fēng)壓和雪壓），平坦屋頂（保持風(fēng)吸力），保持氣壓（封閉建筑），內(nèi)部加熱（融雪），漏氣或降溫塌癟?，F(xiàn)已改成張力膜。第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系 張力膜通過給膜材直接施加預(yù)拉力使之具有剛度并承擔(dān)外荷載的結(jié)構(gòu)形式。 80年代開始發(fā)展第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系 骨架支承膜結(jié)構(gòu)是把一定形狀的剛性骨架(如空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu))作為膜材的支撐體系，從而使得結(jié)構(gòu)形成整體，承受外荷載。膜材主要起圍護(hù)作用。在這種結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算分析中通常不考慮膜材對(duì)支承結(jié)構(gòu)的影響,

3、因此骨架支承膜結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)比較接近。骨架支撐膜結(jié)構(gòu) 連接：縫合，焊接，粘接，螺栓，拉鏈，束帶，夾板 邊界：鋼索，鋼管，扣件，錨栓，束帶第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系索膜材料只可受拉 ,不能受壓 ,受壓或拉力為零將導(dǎo)致膜材出現(xiàn)皺褶第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系找形分析，受力分析，裁剪分析膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析框圖結(jié)構(gòu)初始幾何形體的確定和結(jié)構(gòu)初始形狀判定分析1）結(jié)構(gòu)的初始幾何的確定是指在滿足一定幾何邊界條件和曲面成形法則的條件下,采用數(shù)學(xué)的曲面擬合理論構(gòu)造結(jié)構(gòu)曲面 2）結(jié)構(gòu)的初始形狀判定分析是指在結(jié)構(gòu)初始幾何確定的基礎(chǔ)上 ,求得一個(gè)滿足力學(xué)平衡的結(jié)構(gòu)初始形狀和特定的預(yù)應(yīng)力分布第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系(1) 找

4、形分析（初始形態(tài)）復(fù)雜空間曲面，難以用解析函數(shù)表示由建筑師根據(jù)建筑外形設(shè)計(jì)的構(gòu)想和建筑內(nèi)部功能要求給出一組離散的控制點(diǎn)和控制曲線 ，然后按照膜結(jié)構(gòu)幾何形狀特點(diǎn) , 選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型 ，利用特定的方法 構(gòu)造出滿足結(jié)構(gòu)幾何邊界條件和一定光滑連續(xù)要求的結(jié)構(gòu)初始曲面第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系力密度法、動(dòng)力松馳法、桿長修正法、支座位移法、控制點(diǎn)逼近法、遺傳算法、最小膜面積法、形函數(shù)確定初始形狀法第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系規(guī)則曲面有柱、錐、球、橢球、環(huán)、雙曲面、拋物面、螺旋面等不規(guī)則曲面有 Coons曲面、Bezier曲面、B樣條曲面膜結(jié)構(gòu)的外形都可以看作這些簡單曲面一種或多種的組合常用一組離散數(shù)據(jù)來表

5、示膜結(jié)構(gòu)外形第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系比擬成形方法：移動(dòng)不同的點(diǎn)或線 (邊界或內(nèi)部 )就能得到綜合錐面和拋物面的不同形式的曲面形狀運(yùn)用附加荷載來調(diào)整曲面形狀，在膜面上施加均布荷載來調(diào)整膜面的曲率 ，在邊界上施加集中力或線性均布荷載調(diào)整邊界的形狀第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系小應(yīng)變，大位移非線性 (幾何非線性 )，正交異性材料（材料非線性）有限元分析的方法計(jì)算特定膜結(jié)構(gòu)的初始形狀，采用三角形薄膜等參元，建立增量方程第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系設(shè)定控制點(diǎn)坐標(biāo)和預(yù)張力分布狀態(tài)，計(jì)算滿足平衡條件的曲面，外荷載為零，取小彈性模量值，僅考慮幾何非線性第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系平面狀態(tài)有限元?jiǎng)澐?，給定平衡預(yù)張力和

6、邊界條件控制點(diǎn)加位移增量，解方程，至控制點(diǎn)。調(diào)整預(yù)張力和材料模量(小模量)，得到滿足平衡條件和邊界條件的曲面形狀。判斷折皺: s無應(yīng)力狀態(tài)空間曲面展開成多個(gè)平面 幾何成形過程：多個(gè)平面縫合無應(yīng)力狀態(tài)空間曲面張 力學(xué)拉邊界固定預(yù)應(yīng)力空間曲面第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系(3)裁剪分析（膜材下料）幾何過程：空間曲面由三角形網(wǎng)格描述，三角網(wǎng)格劃分方法：測(cè)地線法曲面上兩點(diǎn)之間最短距離曲線平面相交法平面與曲面的交線作為裁剪線第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系網(wǎng)格劃分原則：曲面網(wǎng)格線與展開面網(wǎng)格線長度差最小，三角曲面與三角平面面積差最小，展開片最少根據(jù)網(wǎng)格劃分，試劃分展開片曲面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)：K（Xi，Yi，Zi）, N個(gè)節(jié)點(diǎn)三角曲面邊長Sk, M條曲邊展開面節(jié)點(diǎn)(N個(gè)節(jié)點(diǎn))坐標(biāo)：k（xi，yi），三角展開面邊長sk (M條直邊)2ij2ijk-yyxxs長度差最小0, 0ii2kkyxsSk2N個(gè)方程第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系應(yīng)力釋放：將空間曲面邊界薄膜應(yīng)力反加到展開面的邊界上用三角膜單元計(jì)算展開面變形最終形狀為裁剪面精確裁剪分析小塊三角裁剪面精度高，展開面多條狀裁剪面少，人工智能，優(yōu)化剪面最少第5章 大跨空間結(jié)構(gòu)新體系目前常用的有聚酯和玻璃纖維織物，表面涂敷防護(hù)性能好的涂料，如聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(Teflon)或有機(jī)樹脂等。承重和圍護(hù)作用。厚度0.60.8mm，透光