膜结构详解.ppt
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1、第十三章 膜结构,膜结构,膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式,它以性能优良的织物为材料,或是向膜内充气,由空气压力支撑膜面,或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧,从而形成具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。自从1970年代以来,膜结构在国外已逐渐应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨度建筑中。膜结构已成为结构设计选型中的一个主要方案。成为化纤纺织品应用的一个重要领域。近年来在中国建筑 结构中也有长足的进展。,膜结构,膜结构的概念膜结构的分类膜结构的结构与构造膜结构的计算膜结构的优缺点膜结构的特点膜结构的应用与工程案例,膜结构的概念,膜结构(Membrane)是20世
2、纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式,是由多种高强薄膜材料(PVC或Teflon)及加强构件(钢架、钢柱或钢索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。,膜结构的分类,索系支承式膜结构骨架支承式膜结构张拉膜结构充气膜结构,充气膜结构,充气膜结构是靠室内不断充气,使室内外产生一定压力差(一般在10-30水柱之),室内外的压力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力,从而实现较大的跨度.张拉膜结构则通过柱及钢架支承或钢索张拉成型,其造型非常优美灵活。充气膜结构是指在以高分子材料制成的薄膜制品中充入空气后而形成房屋的结构。充气式结构
3、又可分为气承式膜结构(Air-supported Membrane Structure)和气胀式膜结构(或叫气肋式膜结构)(Inflated Membrane Structure)。气承式膜结构(索膜结构)是通过压力控制系统向建筑物内充气,使室内外保持一定的压力差,使覆盖膜体受到上浮力,并产生一定的预张应力,以保证体系的刚度。室内设置空压自动调节系统,来及时地调整室内外气压,以适应外部荷载的变化。由于跨中不需要任何支撑,因此适用于超大跨度的建筑,一般用于大型体育馆。气胀式膜结构是向单个膜构件内充气,使其保持足够的内压,多个膜构件进行组合可形成一定形状的一个整体受力体系,这种结构对膜材自身的气密
4、性要求很高,或需不断地向膜构件内充气。,充气膜结构展示,东京棒球场,广岛巨浪馆,张拉膜结构,张拉膜结构,英文(Tesioned Membrane Structure),是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索 共同构成机构体系。在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的著光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶,如体育与娱乐性场馆,需有广告效应的商场、餐厅等。,威海体育馆,骨架支承式膜结构,上海八万人体育场,骨架支承式膜结构,由钢构件或其它刚性构件(如拱
5、、刚架)作为承重骨架,在骨架上布置按设计要求张紧的膜材,后者主要起围护作用。,索系支承式膜结构,索系支承式膜结构由空间索系作为主要承重结构,在索系上布置按设计要求张紧的膜材。这种膜结构主要由索、杆和膜构成,三者共同起承重作用。在通常所称的张拉整体(tensegrity)结构中,如采用膜材,即属于索系支承膜结构。另外,比较流行的索穹顶结构也属于此类。,生比特斯堡“雷声穹顶”,亚特兰大体育馆,膜结构的结构与构造,结构示意图,膜结构的计算,(一)非线性有限元基本方程有限单元法是对工程结构进行数值分析的最有效方法,特别是在计算机应用越来越普及的今天。膜结构实际设计中,索及桁架等加强、边缘构件的应用是必
6、不可少的,因此本文程序中包含了膜单元,索单元,杆单元,梁单元。其中空间膜单元定义为三结点的三角形等参元,考虑节点的三个方向的位移,但只计及面内的正应力x、y和剪应力Zxy。应用法列式,可以得结构有限元基本迭代方程为:其中R为外荷载向量;F为时刻单元应力节点等效力向量;kL为线性应变增量刚度矩阵;KNL为非线性应变增量刚度矩阵,非线性方程组的求解,采用增量形式的 Full Newton-Raphson 法。,膜结构的计算,(二)初始形态设计本文这里使用了“形态”这个词汇,所谓的“形”就是几何意义上的形状,所谓的“态”就是结构的内力分布状态。一种“形”对应一种“态”;反之亦然,一种“态”必然有一种
7、“形”与它对应。膜结构这类柔性结构有一个显著的特点,即结构材料本身不具有刚度,由这些材料组成的构造体系还只是机构,只有当对其施加了预张力,它才具有了抵抗外荷载的结构刚度。这里应强调的是,不同的张力分布对应着不同的平衡形状。这就是本文所说的“形”和“态”。当然,这是一个动态跟踪过程,对这个过程的研究就是初始形态设计。这是膜结构与传统刚性结构计算的一个显著区别,也膜结构设计计算中的一个关键问题。膜结构的设计中,在找到初始形态之前,并不能准确确定膜结构的初始形状和与之对应的预张力分布状态,也就是说这时有两个未知数:一个是初始形状,一个是预张力分布状态。这时我们会给定其中的一个而求解另一个,从而产生两
8、种思路。第一种思路产生比较自然,是将初始形状作为已知数,把初始预张力作为外荷载施加到结构上,求解达到平衡时的状态。此法求解比较直接方便,普通的静力计算程序就可以适用,并可以得到与设计者给定的曲面形状相近的结果。但是它最大的缺点是最终得到的预张力分布不再是设计给定的,当膜结构曲面比较复杂不规则时,预张力的分布将会非常不均匀,造成施工安装的困难和对受力性能的不利。,膜结构的计算,(三)静力性能分析在推导得到含空间膜单元的非线性有限元基本方程后,膜结构的静力性能分析就变得简单了,直接应用式(1)即可,但需要指出的是,由于膜材为非抗压性材料,为此本文引入了由单元主应力判断褶皱的方法。设单元主应力为1、
9、2,且12,则:10,2 0,单元正常工作。10,2 0,单元为单向受拉,以转换的应力和刚度代入方程重新迭代。,膜结构的计算,(四)风振响应分析膜结构质量很轻且刚度较弱,因此非线性风振响应分析将是其设计计算中的又一个关键问题、难点问题。本文应用随机模拟法的思路,发展建立了一种可以适用于大型膜结构非线性风振响应分析的方法。该方法的思路是,首先将膜结构离散化,根据风的概率统计特性,将风速模拟成时间的函数,即人工仿真生成风速时程。然后利用风的空间相关特性,将在结构各个结点处生成的不相关的风速转换成空间相关的风速场。应用Morison公式将风速转变为风压,合理地确定风荷载,并作用于相应的单元结点上,利
10、用有限元法在时间域内直接求解运动微分方程并求得结构的响应。在推导有限元基本方程的迭代公式时,在每一时间步长中考虑了结构的非线性特性、风与结构相互耦合作用的影响、风压分布系数(体型系数)等等因素。由响应值中求得所要的统计信息,如结构振动的位移、速度、加速度的均值和均方差,以及相应的功率谱,并从中获得膜结构的风振响应特性。,膜结构的计算,对工程结构设计计算来说,风作用的大小一般以风压来表示,本文采用Morison公式来计算风荷载,它可更合理地反映物体的表面压力。当不考虑风与结构耦合作用时的风荷载公式为:(3)式中第一项与第二项之和是加速流中静止的弹性结构所受到的总惯性力,总称为惯性项。式中 是空气
11、质量密度,A为面积,H为膜厚度,为风压分布系数,为风速,包含了平均风速和脉动风速。可以看出,Morison公式比一般公式增加了开头的两项,如果忽略前两项,则即为我们通常所说的风荷载公式。如果考虑风与结构的耦合作用,则上式变为:(4)分别为结构振动的位移、速度和加速度,而结构的运动方程为:(5),膜结构的计算,文中质量矩阵M采用集中质量矩阵,阻尼矩阵C采用Rayleigh阻尼,非线性的刚度矩阵K如前文所述,而荷载项P采用式(4)。显然,这是一个复杂的非线性动力方程组,不仅刚度矩阵是随位移变化而变化的,而且荷载项里还包含了结构的加速度和速度项。为此本文利用Newmark法和Newton-Raphs
12、on迭代法的思想,推导了膜结构在风荷载作用下,考虑风与结构耦合作用的非线性动力增量平衡方程,最终整理得:(6),膜结构的计算,(五)裁剪设计计算 膜结构的曲面经初始形态设计得到,一般为复杂不规则、不可展的空间曲面形式,而且是由有限元的离散节点构成。因此,这里存在一个如何将平面的膜材料拼接成空间曲面的裁剪设计问题。裁剪设计是膜结构设计中的一个关键问题。裁剪下料图的准确与否直接关系到施工安装后的平整度,也就是膜结构的静、动力计算的前提初始形态设计得到的初始状态与实际施工安装后是否吻合,进而影响静动力的计算结果。本文发展建立了一种应用广义泛函变分取极值,得到膜结构曲面上的测地线,然后依据测地线计算裁
13、剪线从而生成裁剪图的方法。具体方法详见文献1,其过程一般如下:1、由初始形态设计程序求得膜结构的空间曲面离散点坐标。2、根据建筑和结构上的要求确定测地线控制点的位置,计算出测地线轨迹坐标。这里建筑上的要求指的一是测地线的布置要美观;二是相邻两条测地线间距离要控制在膜材幅宽的范围内。而结构上的要求是要尽量避免结构在受荷时拉力大的方向与测地线方向垂直。3、依据测地线求出裁剪线。4、生成裁剪图。当然,最终的施工下料图还要考虑绳边索套,焊缝宽度及初始预张力、温度应力、徐变等因素的影响。,膜结构的优缺点,膜结构优点:索膜结构是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面,能承受一定外荷载的
14、空间结构形式。其造型自由、轻巧、柔美,充满力量感,节能、使用安全等优点,因而使它在世界各地受到广泛应用,膜结构建筑作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现,至今已有四十多年的历史,特别是到了七十年代以后膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。膜结构一改传统建筑材料而使用膜材,其重量只是传统建筑的三十分之一。,膜结构的优缺点,膜结构优点:而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现时所遇到的困难,可创造巨大的无遮挡的可视空间。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点,因而使它在世界各地受到广泛应用
15、。另外值得一提的是,在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。,膜结构的优缺点,膜结构优点:张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure),是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索 共同构成机构体系。在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境-广西北海度假村680方开阔和谐。夜晚,建筑
16、物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶,如体育与娱乐性场馆,需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑,使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。,膜结构的优缺点,膜结构优点:因而近来年,这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的使用寿命为 25 年以上。在使用期间,在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于 1973 年的美国加州 La Verne大学的学生活动中心是已有 23 年历史的张拉膜结构建筑跟踪测试与材料的加载与加速 气候变化的试验,证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了
17、 20 至 30,但仍可正常使用。膜的表层光滑,具有弹性,大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透,经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。,膜结构的优缺点,膜结构优点:张拉式膜结构 张拉整体结构(Tensegrity)是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的状杆系结构,其中“不连续的压杆”的含义是压杆的端部互不接触,即一个节点上只连接一个压杆。Tensegrity 是美国建师 R.B.Fuller 首先提出的一种结构思想,他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的,即万有引力是一个平衡的张网,各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结构体系中的索网就相
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