《建筑結(jié)構(gòu)選型》（第二版）課件第十二章

1、第十二章 薄膜結(jié)構(gòu)第一節(jié) 薄膜作用第二節(jié) 主曲率和薄膜主應(yīng)力第三節(jié) 薄膜結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)第一節(jié) 薄膜作用*.薄膜有什么特點(diǎn)?1）所形成的曲面是在一給定邊界的所有曲面中面積最小的曲面。2)是與一給定邊界的所有點(diǎn)相連的最平滑的曲面。*.薄膜結(jié)構(gòu)與薄殼結(jié)構(gòu)的區(qū)別是什么?薄膜結(jié)構(gòu)主要承受拉力和剪力；薄殼結(jié)構(gòu)主要承受壓力和剪力。*.薄膜與懸索結(jié)構(gòu)的區(qū)別是什么？1）懸索結(jié)構(gòu)(交叉梁)只具有懸索（曲率）作用，而薄膜結(jié)構(gòu)(平板)具有雙向懸索（曲率）作用和由于扭轉(zhuǎn)作用引起的剪切（扭轉(zhuǎn)率）作用，這使得薄膜內(nèi)有一個(gè)向上的力，平衡一部分垂直荷載。2)由于薄膜能以多種不同的方式在雙向受拉和剪切作用之間分配荷載，所以薄膜比懸

2、索更穩(wěn)定。*.什么是薄膜曲面的“幾何扭轉(zhuǎn)率”?相隔單位寬度的兩相對(duì)邊之間的斜度差，即在垂直于傾斜方向的方向內(nèi)每單位間距的斜度改率，稱為薄膜的幾何扭轉(zhuǎn)率。從一塊彎曲薄膜上切割下來的單元。*.薄膜的承載能力由哪幾部分組成?1）相正交的兩個(gè)方向的曲率造成的兩種懸索作用。2)由扭轉(zhuǎn)引起的剪切作用。夾住一張垂直紙片的一條側(cè)邊而沿著另一相對(duì)側(cè)邊垂直地往下拉，即可證明薄片材料會(huì)產(chǎn)生這種剪切。*.薄膜剪力為什么能抵抗豎向荷載?任何薄膜單元周邊上的兩對(duì)剪力具有相反的方向，以保證薄膜單元不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。但在扭轉(zhuǎn)的薄膜中，兩對(duì)剪力之間的斜度差引起了一個(gè)額外的向上的力，這就是額外平衡了一部分垂直荷載。*.薄膜中的剪力在

3、什么情況下才能產(chǎn)生額外的承載力?因?yàn)榧袅εc壓力（或拉力）是等效的，只有當(dāng)剪力的等效壓力小于由懸索作用所產(chǎn)生的拉力時(shí)，薄膜才能產(chǎn)生額外的承載能力。否則，這種額外的壓力會(huì)使薄膜屈曲，發(fā)果出現(xiàn)了這種屈曲，薄膜就改變形狀，直到只由拉力來承受荷載為止。*.薄膜結(jié)構(gòu)中的三個(gè)作用是什么?互相正交的兩個(gè)方向的曲率造成的兩種懸索作用及由扭轉(zhuǎn)引起的剪切作用。這三種作用中的任意一種將隨其相應(yīng)的曲率或扭轉(zhuǎn)的不存在而不存在。第二節(jié) 主曲率和薄膜主應(yīng)力*.薄膜作用兩個(gè)主要特征是什么?1.薄膜應(yīng)力，包括拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，總是產(chǎn)生在薄膜面內(nèi)而絕不會(huì)是在垂直于薄膜的方向內(nèi)。2.薄膜作用實(shí)質(zhì)上決定于薄膜形狀的幾何特征，即決定于曲率

4、與扭轉(zhuǎn)。圓柱面有些方向有扭轉(zhuǎn)，有些方向無扭轉(zhuǎn)主曲率方向不存在扭轉(zhuǎn)，即不存在斜度變化的特點(diǎn)*.什么是薄膜曲面的主曲率方向，其特點(diǎn)是什么？1）曲率分別為最大和最小的兩個(gè)互相垂直的方向，都稱為薄膜曲面的主曲率方向。2)主曲率方向的圓柱面單元，顯然是無扭轉(zhuǎn)的*.什么是薄膜曲面的主應(yīng)力方向，其特點(diǎn)是什么？1）當(dāng)拉應(yīng)力的方向繞一點(diǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉應(yīng)力分別為最大和最小的兩個(gè)互相垂直的方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向。2)主應(yīng)力方向的剪應(yīng)力為0。平行于主應(yīng)力方向的薄膜單元不會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力。在兩個(gè)互相垂直的主應(yīng)力方向內(nèi)，薄膜的作用相當(dāng)于兩組正交的懸索，剪應(yīng)力產(chǎn)生在兩組懸索之間的任何其它方向上。*.球及圓柱面薄膜荷載如何傳遞?1)對(duì)于

5、球面,一個(gè)方向的懸索作用和與之正交的另一方向的懸索作用各承受一半荷載.2)對(duì)于圓柱，直線方向曲率為零，不承受荷載；全部荷載與圓柱軸線正交的曲線方向的應(yīng)力來傳遞。預(yù)應(yīng)力的作用在承受荷載之前進(jìn)行預(yù)張拉，使薄膜的結(jié)構(gòu)作用大為改善，消防員用一張張拉于外圓環(huán)的圓形帆布接住從高處往下跳的人。這是一種典型的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件。*.如何提高薄膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?要么是采用一內(nèi)部骨架，要么是利用外力或內(nèi)力引起的預(yù)應(yīng)力來獲得。薄膜壓應(yīng)力直到抵消薄膜中的預(yù)拉應(yīng)力為止。預(yù)應(yīng)力能增大薄膜的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性，具有通過剪切作用來增大承載能力的優(yōu)點(diǎn)。一塊連接于受壓圓環(huán)上的薄膜是由于受壓撐桿的作用而受到張拉的。受到預(yù)張拉的薄膜比未經(jīng)預(yù)張拉的

6、薄膜要?jiǎng)倓藕头€(wěn)定得多，受到預(yù)張拉的薄膜在變化的荷載下沒有那么容易振顫或變形。第三節(jié) 薄膜結(jié)構(gòu)*.試舉例生活中常見的薄膜結(jié)構(gòu)。帳篷、帆布、傘、汽球、肥皂泡等傘的骨架使傘布受到張拉并形成一個(gè)適合于抵抗荷載的彎曲形狀。錨固于地面的繩索的拉力使懸掛于兩根立柱上的帳篷保持穩(wěn)定。齊柏林飛船齊柏林飛船的膜殼的穩(wěn)定性是以兩種互不相關(guān)的方法獲得，一個(gè)內(nèi)骨架支撐著薄殼； 薄膜為氫氣壓力所張拉。這種結(jié)合所獲得的剛度，使膜殼能夠受空氣渦流這樣的空氣動(dòng)力所造成的猛烈的動(dòng)力荷載。具有一跨度50m的彎曲屋頂，此屋頂用充氣塑料彎管做成。塑料彎管中的壓力可以改變，以便在風(fēng)速增大時(shí)增大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。跨度約45m，用泵充氣到500

7、N/m2的超壓力。在氣球的頂部有一圓形孔，不斷地泵入新鮮空氣以降低過度的熱量，并減少氣球由于空氣壓力變化而必然產(chǎn)生的形狀改變。屋頂可提升到它的支承圓環(huán)的頂部，并在不到20分種的時(shí)間內(nèi)被充氣。用小的壓力吹起而形成穩(wěn)定的穹窿，只要0.7-1.4kN/m2的超壓力就足以支撐起這類結(jié)構(gòu)。薄膜內(nèi)的氣體的漏損還可以在一個(gè)壓力閥的控制下得到周期性的補(bǔ)償。用充氣氣球支撐一片鋼筋網(wǎng)，在其上用混凝土槍噴射一層2.5cm的壓力噴射混凝土，等到混凝土凝固即將氣球的氣放掉，并從門洞中將氣球拉出來。當(dāng)充氣屋頂?shù)目缍仍龃髸r(shí)，薄膜內(nèi)的拉力可能超過其強(qiáng)度，就必須加強(qiáng)，可采用鋼絲加強(qiáng)，薄膜的跨度僅只是鋼絲間的距離?？缍?00米，鋼絲是按邊長約3m的三角網(wǎng)格配置。鋼絲按邊長為6m的斜交網(wǎng)格布置，并錨固于一個(gè)140m*140m的帶圓角的混凝土矩形薄板受壓環(huán)上。其內(nèi)部超壓力僅為210N/m2。薄膜結(jié)構(gòu)不僅曾用布和塑料來建造，而且還曾用鋼、鋁和鋼筋混凝土來建造。