薄膜結構下張

《大跨空間結構》之5.薄膜結構

(下)MembraneStructures主講人：錢宏亮哈爾濱工業(yè)大學1/76§5.4膜結構分析與設計5.4.1初始形態(tài)分析5.4.2荷載態(tài)分析5.4.3裁剪分析5.4.4膜結構設計要點5.4.5節(jié)點設計2/76

找形（form-finding)就是確定膜結構在給定邊界和預張力條件下的初始平衡曲面?！?.4.1初始形態(tài)分析找形需要考慮的因素包括：1）邊界條件；2）合理預張力取值；3）建筑造型；4）使用功能。找形方法主要有：1）物理模型法；2）數(shù)值分析法。3/76一、物理模型法FreiOtto

模型4/76力密度法（ForceDensityMethod）

二、數(shù)值方法將膜離散為由結點和線單元組成的索網(wǎng)結構，假定每個線單元中的力為s，結點i上作用荷載P。根據(jù)靜力平衡條件可得到節(jié)點i在x方向的平衡方程為：n—表示與i節(jié)點鄰接的各節(jié)點；力密度5/76由桿件力密度組成的對稱矩陣結點坐標列向量結點荷載列向量則所有節(jié)點平衡方程的矩陣形式為：力密度法避免了初始坐標輸入和非線性收斂問題，算法簡單、計算速度快，在歐洲較為普及。6/76動力松弛法（DynamicRelaxationMethod）基本原理：將結構體系離散為節(jié)點和節(jié)點之間的連接單元，對各節(jié)點施加激振力使之圍繞其平衡點產生振動，然后逐步跟蹤各節(jié)點的振動過程，直至各節(jié)點由于阻尼的影響最終達到靜止平衡態(tài)。KineticEnergyTimeABC優(yōu)點是計算穩(wěn)定性好，收斂速度快，而且在迭代過程中不需要形成結構的總剛矩陣，因此特別適用于大型結構的計算。7/76非線性有限元法

NonlinearDisplacementAnalysisMethod

將膜結構進行有限元離散，采用大位移小應變的幾何非線性有限元方法對膜結構進行分析，得到結構的位移和內力。[KL]——線性剛度矩陣[KNL]——非線性剛度矩陣{P}——荷載向量{F}——等效節(jié)點力向量8/76非線性有限元法可以考慮材料的正交異性影響，且隨著網(wǎng)格加密和迭代次數(shù)增加，計算結果總是不斷向準確解收斂，所以非線性有限元法是一種精確計算方法。單元類型常應變三角形平面單元六結點三角形曲面單元示意圖9/76★初始形態(tài)分析算例(懸鏈曲面)10/76三、找形的基本流程根據(jù)建筑平、立面條件，確定支承方式和支承點的位置；根據(jù)支承點位置，確定邊索和加強索的布置方式；根據(jù)經驗，確定索和膜中的初始預張力；建立零狀態(tài)下的結構有限元模型；進行找形分析，確定結構的初始平衡態(tài)。PVC膜材：1～4kN/mPTFE膜材：3～8kN/m11/76★找形流程示意a)確定計算邊界b)劃分計算網(wǎng)格c)提升支座節(jié)點d)完成曲面找形e)安裝支承構件f)放松支承節(jié)點12/76★找形結果的評判標準滿足建筑造型的要求保證結構在設計荷載作用下不出現(xiàn)過大的變形和應力避免膜和索因受壓退出工作，即保證結構的穩(wěn)定當找形結果不滿足上述要求時，可采取的調整方案：

調整支承點的位置改變預張力的大小改變索構件的布置方式膜結構的找形是一個反復試算過程。13/76目的是檢查在各種荷載組合作用下，結構的剛度是否足夠，應力是否在許可范圍內。保證膜（或索）不會因變形過大導致應力松弛或因應力過大導致破壞保證結構在風（或雪）的作用下不會因變形或振動過大而影響使用保證結構的整體穩(wěn)定盡量減少膜面褶皺的出現(xiàn)§5.4.2荷載態(tài)分析14/76膜結構設計應采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，用分項系數(shù)的設計表達式進行計算。安全系數(shù)容許應力設計法ASD

極限狀態(tài)設計法LRFD荷載分項系數(shù)材料分項系數(shù)=×材料荷載組合安全系數(shù)材料分項系數(shù)膜材長期組合7.05.0短期組合3.52.5索——2.51.815/76膜結構設計應考慮的荷載包括：恒荷載G、預張力P、活荷載Q、風荷載W、雪荷載Q等?；詈奢d標準值取0.3kN/m2。長期荷載組合G+P+Q短期荷載組合G+P+WG+P+Q+W其它荷載組合16/76★荷載態(tài)分析方法膜結構的荷載響應具有大位移、小應變的特點，應采用幾何非線性有限元法求解?！夂奢d向量；—節(jié)點等效力向量；—線性應變增量剛度矩陣；—非線性應變增量剛度矩陣。非線性方程組的求解，可采用增量形式的Newton-Raphson法17/76張拉式和索系支承式膜結構長期荷載1/250L（1/125L）短期荷載1/200L（1/100L）桅桿頂點側向位移1/250H骨架支承式膜結構相應規(guī)范規(guī)定各膜單元的膜面法向位移1/15D★對計算結果的校核位移控制條件應力控制條件

各種荷載作用下膜面各點的最大主應力應滿足下列要求：18/76荷載態(tài)分析中需特別關注的兩個問題：1）抗風設計風荷載是膜結構設計中的主要荷載，因風導致的膜結構破壞在國內外均屢見不鮮。19/76ParkDomeKumamoto,DestroyedbyTyphoonBART(1999)Time：Sep23Typhoon:BartMax.WindSpeed:49.3m/sRevolutiondoorsdestroyed,

double-layermembraneroofwastorn.20/76井岡紐奉山機咽場膜蜘結構21/76The鬧De團ad耳Sea辱Sw需im足Cen敲terJi幸uz按ha腰ig壞ou盯,桿Si脅ch到ua動n，200并522/76浙江蒼痰南某收蓬費站膜屠結構受緩損23/7銳6浙江枕臨海呈化學削藥業(yè)奪基地圓膜結撤構24/76某膜葵結構敘風毀療全過遵程25/76風荷撿載的學確定體型系召數(shù)應通過欄風洞試己驗或專乓門研究優(yōu)來確定墳；有條跪件時也參可通過忌分析研胖究來確厲定。風振系脾數(shù)骨架啟支承疫式膜饞結構幟：1.寶2~逮1.句5張拉式古傘形和焰鞍形膜每結構：1.概5~篩2.唯026/7施62）膜戀材的福褶皺汽問題褶皺是膜盆材在焦單向先拉應屬力狀洋態(tài)下愧出現(xiàn)羞的平悉面外防變形銜。矩形紹膜片喊在面艘內剪況切荷異載作味用下掌的褶顛皺單向籠褶皺雙向褶趴皺27/7粒6褶皺娃對膜箏結構望的影忘響影響美立觀；導致結循構內力石重分布用（微風氧振動、每應力集皺中）導致結宵構局部目積水、慰積雪，曉危及結濃構的安慰全。28/7鑼6對褶屯皺單僑元的聞判定σ1>0護,σ2>0單元肆正常扇工作;σ1<0稱,σ2<0單元退沸出工作;σ1>0,σ2<0單元出府現(xiàn)褶皺釣。1>02>029/76對褶皺污單元的特處理：通過院修改拼褶皺跑單元稀的剛良度矩扛陣來鉤減小暴或忽泉略其共對整頓體剛蔬度矩稀陣的多貢獻溪。如果侄在荷掘載作森用下賢產生忘較多菜褶皺雪，則檔說明剃結構粒的剛主度不親足，描找形合得到宮的曲斥面存免在“宿病態(tài)冬”。30/7浪6裁剪帖分析叫的目斗的是偷用無隊應力始、平協(xié)面狀僅態(tài)并稼有幅評寬限唐制的艇膜材鄭去制災作膜莖面,使膜要面在別張拉頂后符柿合找昌形所隊得的劇形狀洞和應蜻力分喉布,且膜面袍接縫布求置美觀,膜材用摩料節(jié)省伸?！?.批4.且3裁剪分繩析31/7透6裁剪分溝析包括舉以下四米方面內增容：確定惰裁剪奧線分洪布；俱☆將空間乒膜片進幣行平面嶺展開；膜內預售拉力的添釋放；膜片熔接縫枕處及鍵邊角挑處放鉛量,得到平麥面裁剪平片。目前膏常用員的裁石剪方飼法有測地線攪法和平面冤相交圾法等。32/76★測地線(短程攜線)法對于浩可展呆曲面奔，展押開平侍面上陣的測仆地線辰為直竹線；炒對于川不可弱展曲趙面，辜展開陜平面竊上的進測地學線接莫近直貧線。測地袖線法咳的接苦縫較旱短、灰用料霞較省盟；但蛛裁剪憐線的撐分布撇不易枝把握憑；主寄要適脾用于華曲率睬較小培的膜蠶結構辯。短程線魄的確定把：（1）在選條定的兩俯端點間炕連一條基索，并決分成若創(chuàng)干段，畢使位于森曲面上貿。（2）用包動力仇松弛辯法求每解索譯的平信衡位降置，旺該位根置就北是曲僵面上桿兩點割間最所短路邪徑，垃即短磚程線33/7富6鞍形曲螺面剪裁悄分析34/76★平面今相交片法平面斑相交銷裁剪苦法是調用一薪組平域面（菠通常洲用豎趣向平明面）然去截禁找形擺得到榜的曲寒面，虹以平娘面與秧空間紹曲面鴿的交汪線作筋為裁益剪線牢。平面摘相交箏裁剪亞法常繩用于寶對稱選膜面奴的裁雕剪，森所得憑到的梨裁剪占線比算較整宵齊、退美觀編。35/7時6裁剪想線確親定應蘋考慮穴的因東素：裁剪挑線布資置的車美觀忘性；根據(jù)泥膜材叫幅寬姥，盡周量有梯效利暮用膜醋材；根據(jù)害膜材擱的正消交異場性特野點，浮使膜決材纖黨維方趣向與弓計算狀的主瓦要受封力方飼向一染致。膜材排努版36/7宏6傘形鞍形37/7毛6§5.4故.4膜結構拉設計要書點排水采光聲學問暴題隔熱斥與保曬溫防火其他38/7幸61.排水Dr旨ai禁na齊ge膜表淚面應瓣具有黑足夠正的坡甜度以栽解決螺排水銳和積拜雪問及題。四通常寄膜面姜的坡迎度應場不低煌于20倍%多數(shù)鴿膜結歲構采狠用無晃組織攝排水臭方式圖，但彩應盡禍量避曠免雨蠻水沿視建筑遍物的溉主要詞朝向催一側優(yōu)流下面，同肥時還喊應注瘡意對置地面可和墻角面的確污染愉。在某些摧情況下娛，可利游用建筑程物自身黑的某些鴿形狀特鳳點解決鬧排水問箭題……39/7致6201傭0年12月美弱國Met史ro穹頂屋悄頂被積撫雪壓塌40/7鬧6幾種常砌見的膜歇面排水叛方式123441/762.采光Lig掌hti頃ng膜材煉的透歇光率粗在7%～15%左右鎮(zhèn)；白失天無惡需要蠻照明懼，節(jié)臣約能柴源；照明裕燈具孤與膜制面的短距離謀不應艙小于1.聚0m。當采用內部照明時應注意燈具與膜面距離42/763.聲學問獎題Aco莊ust懂ic建筑覽物內距部的兄聲音扁反射膜材怠對聲暴波具陷有很妖強的秧反射荷性，悶會使陪音樂價演出倘的聲巨音變鉤得模油糊；滿對于催某些思具有猜內凹陽面的員建筑初，如婚充氣怠膜結漂構或猴拱支疑式膜逗結構砍，頂料棚會抓使聲闖波反藥射匯碑集。建筑州物對書外部害噪聲植的屏朱蔽通常單續(xù)層膜的屈隔音性秘能僅在10擺dB左右亭，故意僅能往用于下對隔蓬音要酷求不阿高的盞建筑淘物。43/764.隔熱撈與保席溫The道rma暖lI炊nsu珍lat把ion單層向膜材的保溫隊性能大場致相當探于夾層兇玻璃，配故僅適皂用于敞悼開式建鍋筑或氣翠候較溫春暖的地通區(qū)。當對豆建筑剩物的元保溫景性能督要求愈較高慶時，面可采糟用雙層泡或多腰層膜構造赤來解露決，豆一般嫩雙層個之間姓應有東適當仿的空娛氣隔駛層（25～30豬cm左右）典。當在吃游泳廣池、晴動物浮園和偉植物線園等隙建筑親中采調用雙腹層膜擠構造纖時，開應注椅意膜秧內部神的結露問卡題。一般顫可通過謹安裝空草氣循環(huán)復系統(tǒng)等互措施來另解決。44/76加拿大納林賽體催育中心Lin曬dsa務yP素ark旬Sp湯ort險sC疫ent蜜re,轟Ca班nad辰a,1恢984索網(wǎng)漆下設貓有纖濱維棉辰保暖敏層，刑不但儀能防早寒,還能透我過4％的光爹線，這如就足以育在白天屠不用人狹工采光芽。此外摩在保暖旅層下面周還有一蜻層很薄啟的蒸氣圍絕緣層,能起吸浪音作用伙。45/7慚6日本委秋田—天空穹虹頂Sk牧y細Do蘇me派,魔Ak榮it栽a,構J奔ap輩an偷,宏19渣90Sp泡an:禾1謙30m棒×10河0m;Hei助ght:握30紐奉mRoo療f:臂P厘TFE（單牢層）屋蓋的倡格構式扎空間拱俘系沿長拌向為空袍腹拱、取沿短向剛為鋼管興拱。利用陣緊貼摩膜面枝的鋼泳管拱車作為街通道月，向留其中曾送暖奮風，昂對屋課蓋起圓融雪膊作用浪。46/7連65.防火Fir馳epr提oof盒ing一般終認為棉，PT畏FE膜材廢是不海可燃痕材料更，PV脂C膜材任是阻什燃材櫻料。悠對于年永久至性建嘩筑，麗宜優(yōu)墻先選永用不昂可燃凱類膜幻玉材。當采用飯阻燃類里膜材時咸，應根排據(jù)消防距部門的功要求采茂取適當涼措施。例如，窯應保證救建筑物趟的頂棚莖與地板刷之間的香距離在8米以上旬，并且合避免膜哭材及其讓連接件諒與可能批存在的課火源接威觸。47/76膜面應候具有足滴夠的曲穗率，以扁保證結左構的剛復度。6.其他Oth漁ers優(yōu)先機選擇柔性平邊緣坑構件和可移值動支鉤承方旋式（如立桅桿咱）以蜻使膜悄內應南力盡腳可能質均勻今，避捏免應隨力集亦中和阻褶皺閱。結構應原具有多道設換防措施，以愚避免啊因膜獻材的倆破損頌造成嘆整體宰結構死的倒爺塌。單片膜的腹跨度不宜刪超過15米，覆罵蓋面積途不宜超例過400平米；掛否則，君應適當洽增設加帝強索。膜材與訊其它物朝體之間碗的距離心不應小庭于膜面釘在最不百利工況膝下變形奪值的兩帶倍，且不應跡小于1m。48/76應考渴慮膜預面預痕張力撞的施掃加方灶法。a)直接張示緊膜面b)通過邊杯索張拉c)張拉穩(wěn)吵定索d)柱頂頂生升49/76§5.慌4.請5節(jié)點設筍計50/761.膜-膜連豈接（1）縫畫合連杯接縫合連籍接是一種船傳統(tǒng)的補織物連尺接方式期，主要撒在工廠商內制作至完成；漸特點是峰比較經美濟，且漢質量容鑒易控制悼?？p合連須接的強殊度較低蒼，一般廁用于不譯能采用娃其他連凈接方式遍，或膜櫻內應力咽較小及魂非受力弄構造連梯接處。在結杰構排級水區(qū)臘應慎握用縫粘合連盒接。51/7悄6（2）粘合山或熱合氣連接粘合連培接是通過韻粘合劑架將膜片娛粘合在不一起。戴其耐久恢性較差趨，一般熱用于強毯度要求獄不高或突現(xiàn)場臨寧時修補看的地方讓。熱合放連接是將膜日材迭合釣部分的著涂層加假熱融合滲，并對糟其施加魔一定時絞間的壓血力，使蹤蝶兩片膜戀材牢固煉地連接施在一起納。熱合連接嬌的搭接磨寬度通避常為40~詠60m程m，強度咸可達到妙母材強嚴度的80%以上曠。52/7苗6（3）束載帶連給接束帶連佩接的優(yōu)夠點是安徹裝時便岡于調整醒形狀、察根據(jù)情住況分步腿增減拉島應力；五缺點是際消耗大剝量的人葵工。為保泥護束喊帶節(jié)薯點免眾受氣絨候影燦響，立通常企在其樓上面號增加姨一層遮覆蓋等膜。53/7威6（4）螺栓祥連接螺栓連融接是一習種現(xiàn)場永連接方行式，適甲用于結括構規(guī)模燭較大，侵需將膜服材分成懶幾個部貼分在現(xiàn)華場拼接劑的情況桌。螺栓冰連接齊的缺貢點是嘆，膜義材與厲金屬揉連接呢件的鉆變形將不協(xié)些調，疫易導迎致相螞連膜濕片處純出現(xiàn)晚應力餡集中階。此外，倒在螺栓江連接中豆對金屬毫件的防傅水、防蔑腐處理頃也是需泡要注意鋒的問題贈。54/762.膜-索連接索套社連接螺栓連繡接由于索蛙與膜之悠間的材薦料差異摟，應使雨兩者之導間留有絹一定的嘩空隙，愉以適應形在荷載室作用下陸膜與索倦之間可戀能產生耀的相對獨滑動。55/76束帶連峰接膜與深谷索已連接繩邊（ropeedge）構造56/76當膜面事超過15米以僚上無康中間軌支承陪時，稻為減蛾小膜兩面應顛力，喝可以嫩利用贊索或竹合成判纖維崖帶對半膜面冬進行惑局部成構造虎加強宇。57/7猶63.膜-鋼支承亮結構連荷接（1）夾孟板連界接利用剛版性夾板岔直接固秤定膜邊狐繩。做轉法較為桃簡單，然要求夾戚具與膜旱材之間弊設置襯姥墊；剛掃性邊緣過構件應缺先倒角商，使膜湖材光滑栽過渡。58/7株6（2）繩塌軌(r拼op赤e薪tr臺ac渾k)連接將膜邊絮繩穿入沾鋁合金島制成的霜繩軌內倒，再通冬過拉力癥螺栓將普繩軌與放剛性邊氏界相連君。59/7震6（3）束帶掛連接60/76（1）桅桿差頂部連粗接構造浮動節(jié)僻點固定次節(jié)點4.膜端言部連披接構殊造61/7齒6（2）膜課角部蛛連接暴構造62/7屋6（3）避免貫節(jié)點連瓦接部位傍的膜材甩出現(xiàn)應扇力集中連接庭處的沃鋼構墳件不愈得有洋毛刺柳、尖塵角；在接照觸面蔥處設扎置膜棄襯墊儀；必要煤時還匆應對僚節(jié)點去附近云的膜借材進另行局維部加紛強。（1）結構釣強度要災求不先于笨主體材棕料和構眼件破壞閣?！锕?jié)點乒設計換的一蘋般原弊則（2）對結懸構大變強形的適摧應能力釋放統(tǒng)由于哥大變償形所潛引發(fā)井的附孝加應碧力作協(xié)用。63/7葛6（5）施臭工張業(yè)拉要聞求應保緩證預堆張力夕施加桐點處黃的節(jié)竟點具徒有較塑高的漸強度懷、剛影度且卸便于墻機具旅操作裳。還應它考慮毅結構邊安裝帝偏差葛與二垂次張秩拉的北可能狂性，憐使某膚些節(jié)核點部麻位具私有一肌定的道可調左節(jié)性攏。（4）對節(jié)塌點的防嚇水防腐宿處理節(jié)點連近接件宜完選用不政銹鋼或廚鋁材，雄對鋼構有件必須酸做鍍鋅和或涂裝巖處理。膜節(jié)握點自聾身也鳥應具蹄有良泊好的酬防水腦性能顫，一農般可不通過