《建筑结构选型》（第二版）课件第十二章

1、第十二章 薄膜结构第一节 薄膜作用第二节 主曲率和薄膜主应力第三节 薄膜结构薄膜结构第一节 薄膜作用*.薄膜有什么特点?1）所形成的曲面是在一给定边界的所有曲面中面积最小的曲面。2)是与一给定边界的所有点相连的最平滑的曲面。*.薄膜结构与薄壳结构的区别是什么?薄膜结构主要承受拉力和剪力；薄壳结构主要承受压力和剪力。*.薄膜与悬索结构的区别是什么？1）悬索结构(交叉梁)只具有悬索（曲率）作用，而薄膜结构(平板)具有双向悬索（曲率）作用和由于扭转作用引起的剪切（扭转率）作用，这使得薄膜内有一个向上的力，平衡一部分垂直荷载。2)由于薄膜能以多种不同的方式在双向受拉和剪切作用之间分配荷载，所以薄膜比悬

2、索更稳定。*.什么是薄膜曲面的“几何扭转率”?相隔单位宽度的两相对边之间的斜度差，即在垂直于倾斜方向的方向内每单位间距的斜度改率，称为薄膜的几何扭转率。从一块弯曲薄膜上切割下来的单元。*.薄膜的承载能力由哪几部分组成?1）相正交的两个方向的曲率造成的两种悬索作用。2)由扭转引起的剪切作用。夹住一张垂直纸片的一条侧边而沿着另一相对侧边垂直地往下拉，即可证明薄片材料会产生这种剪切。*.薄膜剪力为什么能抵抗竖向荷载?任何薄膜单元周边上的两对剪力具有相反的方向，以保证薄膜单元不会发生转动。但在扭转的薄膜中，两对剪力之间的斜度差引起了一个额外的向上的力，这就是额外平衡了一部分垂直荷载。*.薄膜中的剪力在

3、什么情况下才能产生额外的承载力?因为剪力与压力（或拉力）是等效的，只有当剪力的等效压力小于由悬索作用所产生的拉力时，薄膜才能产生额外的承载能力。否则，这种额外的压力会使薄膜屈曲，发果出现了这种屈曲，薄膜就改变形状，直到只由拉力来承受荷载为止。*.薄膜结构中的三个作用是什么?互相正交的两个方向的曲率造成的两种悬索作用及由扭转引起的剪切作用。这三种作用中的任意一种将随其相应的曲率或扭转的不存在而不存在。第二节 主曲率和薄膜主应力*.薄膜作用两个主要特征是什么?1.薄膜应力，包括拉应力和剪应力，总是产生在薄膜面内而绝不会是在垂直于薄膜的方向内。2.薄膜作用实质上决定于薄膜形状的几何特征，即决定于曲率

4、与扭转。圆柱面有些方向有扭转，有些方向无扭转主曲率方向不存在扭转，即不存在斜度变化的特点*.什么是薄膜曲面的主曲率方向，其特点是什么？1）曲率分别为最大和最小的两个互相垂直的方向，都称为薄膜曲面的主曲率方向。2)主曲率方向的圆柱面单元，显然是无扭转的*.什么是薄膜曲面的主应力方向，其特点是什么？1）当拉应力的方向绕一点而转动时，拉应力分别为最大和最小的两个互相垂直的方向为主应力方向。2)主应力方向的剪应力为0。平行于主应力方向的薄膜单元不会产生剪应力。在两个互相垂直的主应力方向内，薄膜的作用相当于两组正交的悬索，剪应力产生在两组悬索之间的任何其它方向上。*.球及圆柱面薄膜荷载如何传递?1)对于

5、球面,一个方向的悬索作用和与之正交的另一方向的悬索作用各承受一半荷载.2)对于圆柱，直线方向曲率为零，不承受荷载；全部荷载与圆柱轴线正交的曲线方向的应力来传递。预应力的作用在承受荷载之前进行预张拉，使薄膜的结构作用大为改善，消防员用一张张拉于外圆环的圆形帆布接住从高处往下跳的人。这是一种典型的预应力构件。*.如何提高薄膜结构的稳定性?要么是采用一内部骨架，要么是利用外力或内力引起的预应力来获得。薄膜压应力直到抵消薄膜中的预拉应力为止。预应力能增大薄膜的空气动力稳定性，具有通过剪切作用来增大承载能力的优点。一块连接于受压圆环上的薄膜是由于受压撑杆的作用而受到张拉的。受到预张拉的薄膜比未经预张拉的

6、薄膜要刚劲和稳定得多，受到预张拉的薄膜在变化的荷载下没有那么容易振颤或变形。第三节 薄膜结构*.试举例生活中常见的薄膜结构。帐篷、帆布、伞、汽球、肥皂泡等伞的骨架使伞布受到张拉并形成一个适合于抵抗荷载的弯曲形状。锚固于地面的绳索的拉力使悬挂于两根立柱上的帐篷保持稳定。齐柏林飞船齐柏林飞船的膜壳的稳定性是以两种互不相关的方法获得，一个内骨架支撑着薄壳； 薄膜为氢气压力所张拉。这种结合所获得的刚度，使膜壳能够受空气涡流这样的空气动力所造成的猛烈的动力荷载。具有一跨度50m的弯曲屋顶，此屋顶用充气塑料弯管做成。塑料弯管中的压力可以改变，以便在风速增大时增大结构的稳定性。跨度约45m，用泵充气到500

7、N/m2的超压力。在气球的顶部有一圆形孔，不断地泵入新鲜空气以降低过度的热量，并减少气球由于空气压力变化而必然产生的形状改变。屋顶可提升到它的支承圆环的顶部，并在不到20分种的时间内被充气。用小的压力吹起而形成稳定的穹窿，只要0.7-1.4kN/m2的超压力就足以支撑起这类结构。薄膜内的气体的漏损还可以在一个压力阀的控制下得到周期性的补偿。用充气气球支撑一片钢筋网，在其上用混凝土枪喷射一层2.5cm的压力喷射混凝土，等到混凝土凝固即将气球的气放掉，并从门洞中将气球拉出来。当充气屋顶的跨度增大时，薄膜内的拉力可能超过其强度，就必须加强，可采用钢丝加强，薄膜的跨度仅只是钢丝间的距离。跨度300米，钢丝是按边长约3m的三角网格配置。钢丝按边长为6m的斜交网格布置，并锚固于一个140m*140m的带圆角的混凝土矩形薄板受压环上。其内部超压力仅为210N/m2。薄膜结构不仅曾用布和塑料来建造，而且还曾用钢、铝和钢筋混凝土来建造。