新型组合结构的-气胀式膜结构的新应用

新型组合结构的探索——气胀式膜结构的新应用摘要：膜结构作为一种新型的空间结构有很多优点，然而它的应用并够广泛。通过对膜结构的特点深入研究发现，气胀式膜结构更适合用来传递荷载，而不是用来作为主要的承载结构。通过和其它大跨度空间结构的组合能提高结构的跨度，同时得到经济、美观的新型结构。关键词：大跨度空间结构；气胀式膜结构；新型组合结构Exploreneworganizationalstructure——thenewapplicationofflantulencemenbrancestructureAbstract:themembrancestructurehavesomanyadvantagesasatypeofnewspacestructurebutitsapplicationisnotwide-rangingenough.DepthstudyofthecharacteristicsofmembranestructureandfoundFlantulencemembranestructuremoreappropriateforloadtransmission,Itisnotmeantasthemainbearingstructure.Throughthecombinationwithotherlarge-spanstructurecanimprovethespan,economically,aestheticallypleasingnewstructure.Keywords:large-spanspacestructure;Flantulencemembranestructure;neworganizationalstructure1．概述近年来,随着人们在体育、展览、文娱等活动的急剧增长和新材料、新技术的不断涌现,多种空间结构形式都得到了广泛的应用和飞速的发展。与此同时,人们对空间结构的要求也越来越高。单一类型的结构形式在跨度增大时,其不足之处越来越明显,经济性也显著下降,甚至成为不可能。正因为如此,由不同类型的结构形式组合而成的组合结构成为目前大跨空间结构发展和创新的新方向。组合结构的最大优点是:综合利用了各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势,使得每一种单一类型的空间结构形式及其材料均能发挥最大的潜力,从而改善整个结构体系的受力性能,进一步增大空间结构所能达到的覆盖跨度,同时丰富大跨空间结构的形式。2．组合结构应用的现状按杂交结构组成,各部分的结构类型可分为:刚性结构之间的组合、刚性结构与柔性结构的组合和柔性结构之间的组合。2.1刚性结构之间的组合网壳和拱架的组合：北京石景山体育馆屋盖结构由三片四边形的双层鞍形网壳组成,各网壳支承于中央的三叉形刚架和外缘的钢筋混凝土边梁上。目前应用最广泛的是拱支网壳(架)结构体系。2.2刚性结构与柔性结构的组合目前应用较多的结构形式有弦支穹顶结构、张弦梁结构、张弦桁架结构、索桁结构、索拱结构和斜拉网格结构等。2.3柔性结构之间的组合常用的用拉索和桅杆组成的帐篷结构属于此类，还有索穹顶，索穹顶是由膜与张拉整体的组合结构。从已应用的组合结构中，我们可以发现虽然膜结构的使用越来越广泛，但在大跨度空间结构中却仅仅作为一个辅助结构，并没有真正起到共同承载的作用。膜结构作为一种独立的新型空间结构形式，很多结构优势没能得到充分的发挥。因此，本文希望对膜结构的特点深入了解能够探索出一些新型的组合结构。3.膜结构的优点及其分类3.1膜结构的优点目前,建筑科技面临的一大发展趋势就是材料革命。膜结构建筑的开发与应用,可以摆脱对钢材、木材、混凝土等传统材料的依赖,为建筑带来一场新的革命。不仅如此,膜结构建筑还具有很多优点,比如:3.11跨度较大1985年日本建造的国际体育博览会网球场，高15米，跨度45*2米。同年加拿大建造的卡尔加里体育馆,高36*5米，跨度112米，建筑面积11150平方米。1988年建造的东京穹顶,跨度201米高56*19米。美国亚特兰大建造的佐治亚体育馆，长轴为235米，短轴为186米，总高为79.24米。据有关资料推测,跨度越大的建筑,采用膜结构越能体现其经济性。3.12结构重量轻膜材本身质轻,支承膜材的钢杆、钢架与钢索比相应的钢筋混凝土也减轻不少重量。1970年日本大阪世界博览会中的美国馆，屋面重量每平方米仅1.22kg。3.13施工方便膜材可以在工厂预制成卷材成品,与钢材一样便于工业化生产,便于运输安装,施工时也不需搭建脚手架,工期较短。能容纳5万人的美国卡理阿体育馆,只用了10几个月,还是在1979年建造的,现在世界上一些大型的膜结构建筑,只需几个月就能完工。3.14造型美观膜结构建筑由于结构组合形式的多样性,其造型也极为丰富,它具有一般建筑无法比拟的表现力,加上膜材的颜色可以任意选择,更加强了艺术感染力。3.15费用低膜材本身就是装修材料,可减少建筑物二次装修费用;而且膜结构建筑屋面的膜材透光性好,能透过大量柔和的自然光,可降低白天的照明费用以及整个建筑的供热与空调费用。3.2膜结构的分类膜结构建筑大体可分为两大类,一类是充气建筑,另一类是帐篷建筑,又称篷布张力建筑。目前使用较多的是帐篷张力建筑。即通过施工过程中对膜的张拉来承受小范围的载荷并起到围护的作用。而充气膜结构的使用相对较少。有的把充气膜结构又分为气承式和气胀式。目前，国内外气承式膜结构建筑较多，如加拿大BC馆、东京穹顶、日本熊本穹顶、日本海浪馆、北京燕化培训中心充气游泳馆等。而气胀式膜结构建筑较少且跨度较小。这是由于气胀式充气结构的力学效能较差，无法实现大跨度。3.3对膜结构的思考通过对膜结构的特点及已有的工程实例分析，我们可以发现膜结构属于柔性结构，而且承载能力及其有限，只能作为建筑的屋顶结构，并且跨度不大（前所述的跨度大的特点其实是有其它结构承载）。既然本身承载力不够，我们就应该横向思维，寻找膜结构的其它特点加以应用。对于气胀式充气膜结构，它承载能力有限，但它在传递荷载时和其它结构相比却有极大的优越性，我们是否可以加以利用呢？4．气胀式膜结构功能的新发现——荷载传递结构气胀式膜结构通过内部气体压强大于外部气体压强而支撑结构，当受到外部较集中荷载时，通过局部的变形使膜结构内部气体压强增大，由于气体特殊的性质，在支撑膜结构的面上，均匀分布压强，从而将原本集中的荷载均匀的传递给承载结构（图1）。这种转化通常情况下是通过大刚度构件去传递，如钢板、混凝土板来实现，然而这又带来了其它不利的因素。如增加了结构的自重，造价也有提高。因此，和这些传递荷载的构件相比，气胀式膜结构自重轻、造价低的特点成为了极大的优势。5.气胀式膜结构的新应用利用气胀式膜结构传递荷载的特点，将它和其它一些大跨空间结构形式进行组合，优势互补，能形成经济、美观的新型结构形式。如气胀式膜结构可以与网壳（架）结构的组合结构（图2）。网壳结构单独作为承载结构形式时，主要的破坏形式是失稳破坏。而影响稳定性的主要因素是受到非对称的半跨均布荷载或集中荷载。如果在网壳的上方覆盖气胀式膜结构，通过气胀式膜结构的传递，能将原本非对称的半跨均布荷载或集中荷载转化为均布的全跨荷载，这将大大提高网壳结构的临界荷载值，承载能力有很大的提高。如某单层网壳结构,其俯视平面形状为圆形,球面直径为100m,底平面的直径为64*3m,矢高为11*7m,球面中心角为50°,周边铰支。(1)材料：钢管,E=,剪切模量。(2)截面几何尺寸:空心钢管,环杆与径杆内径m,外径m,斜杆内径m,外径m。(3)采用ANSYS有限元软件,对该结构在不同荷载条件下进行稳定分析。全跨均布荷载下网壳的稳定性分析在全跨均布荷载作用下,网壳的极限载荷为,最大位移为0.37m。半跨均布荷载下网壳的稳定性分析网壳在半跨均布荷载作用下得到的荷载-位移。从图中可以看出,当荷载达到,结构发生屈曲,此时最大位移为0.10m。显然，全跨均布荷载情况下的承载力是半跨均布荷载承载力的2.13倍。因此，使用气胀式膜结构对提高网壳结构的承载力效果会相当显著。同时，本身也有一定的承载能力，能分担部分的荷载。这将使网壳网架结构的跨度大幅度提升。6.气胀式膜结构应用前景由于荷载的随机性以及不均布性导致结构的临界荷载或稳定性降低，从而促使结构构件必须增大尺寸或提高材料的性能来满足承载要求。因此，即浪费了空间又提高了造价。如果能充分利用气胀式膜结构的传递荷载的特性，应用到大跨空间、桥梁、房屋等的结构当中，能提高很大的效益，该膜结构有很大的发展前景。结束语通过对目前国内外空间结构的发展现状的分析，拥有诸多优点的新型空间结构——膜结构的仅限于张拉式与气承式膜结构，而对于气胀式膜结的应用较少。这是由于对它的结构优势认识得不够，气胀式结构的优势在于它的传递荷载并改变荷载的类型，从而达到提高荷载能力的要求。因此，通过与其它结构形式的组合，使结构发挥更大的效益。当然，该结构要能够真正应用到工程实践