薄膜结构下张

《大跨空间结构》之5.薄膜结构

(下)MembraneStructures主讲人：钱宏亮哈尔滨工业大学1/76§5.4膜结构分析与设计5.4.1初始形态分析5.4.2荷载态分析5.4.3裁剪分析5.4.4膜结构设计要点5.4.5节点设计2/76

找形（form-finding)就是确定膜结构在给定边界和预张力条件下的初始平衡曲面。§5.4.1初始形态分析找形需要考虑的因素包括：1）边界条件；2）合理预张力取值；3）建筑造型；4）使用功能。找形方法主要有：1）物理模型法；2）数值分析法。3/76一、物理模型法FreiOtto

模型4/76力密度法（ForceDensityMethod）

二、数值方法将膜离散为由结点和线单元组成的索网结构，假定每个线单元中的力为s，结点i上作用荷载P。根据静力平衡条件可得到节点i在x方向的平衡方程为：n—表示与i节点邻接的各节点；力密度5/76由杆件力密度组成的对称矩阵结点坐标列向量结点荷载列向量则所有节点平衡方程的矩阵形式为：力密度法避免了初始坐标输入和非线性收敛问题，算法简单、计算速度快，在欧洲较为普及。6/76动力松弛法（DynamicRelaxationMethod）基本原理：将结构体系离散为节点和节点之间的连接单元，对各节点施加激振力使之围绕其平衡点产生振动，然后逐步跟踪各节点的振动过程，直至各节点由于阻尼的影响最终达到静止平衡态。KineticEnergyTimeABC优点是计算稳定性好，收敛速度快，而且在迭代过程中不需要形成结构的总刚矩阵，因此特别适用于大型结构的计算。7/76非线性有限元法

NonlinearDisplacementAnalysisMethod

将膜结构进行有限元离散，采用大位移小应变的几何非线性有限元方法对膜结构进行分析，得到结构的位移和内力。[KL]——线性刚度矩阵[KNL]——非线性刚度矩阵{P}——荷载向量{F}——等效节点力向量8/76非线性有限元法可以考虑材料的正交异性影响，且随着网格加密和迭代次数增加，计算结果总是不断向准确解收敛，所以非线性有限元法是一种精确计算方法。单元类型常应变三角形平面单元六结点三角形曲面单元示意图9/76★初始形态分析算例(悬链曲面)10/76三、找形的基本流程根据建筑平、立面条件，确定支承方式和支承点的位置；根据支承点位置，确定边索和加强索的布置方式；根据经验，确定索和膜中的初始预张力；建立零状态下的结构有限元模型；进行找形分析，确定结构的初始平衡态。PVC膜材：1～4kN/mPTFE膜材：3～8kN/m11/76★找形流程示意a)确定计算边界b)划分计算网格c)提升支座节点d)完成曲面找形e)安装支承构件f)放松支承节点12/76★找形结果的评判标准满足建筑造型的要求保证结构在设计荷载作用下不出现过大的变形和应力避免膜和索因受压退出工作，即保证结构的稳定当找形结果不满足上述要求时，可采取的调整方案：

调整支承点的位置改变预张力的大小改变索构件的布置方式膜结构的找形是一个反复试算过程。13/76目的是检查在各种荷载组合作用下，结构的刚度是否足够，应力是否在许可范围内。保证膜（或索）不会因变形过大导致应力松弛或因应力过大导致破坏保证结构在风（或雪）的作用下不会因变形或振动过大而影响使用保证结构的整体稳定尽量减少膜面褶皱的出现§5.4.2荷载态分析14/76膜结构设计应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。安全系数容许应力设计法ASD

极限状态设计法LRFD荷载分项系数材料分项系数=×材料荷载组合安全系数材料分项系数膜材长期组合7.05.0短期组合3.52.5索——2.51.815/76膜结构设计应考虑的荷载包括：恒荷载G、预张力P、活荷载Q、风荷载W、雪荷载Q等。活荷载标准值取0.3kN/m2。长期荷载组合G+P+Q短期荷载组合G+P+WG+P+Q+W其它荷载组合16/76★荷载态分析方法膜结构的荷载响应具有大位移、小应变的特点，应采用几何非线性有限元法求解。—外荷载向量；—节点等效力向量；—线性应变增量刚度矩阵；—非线性应变增量刚度矩阵。非线性方程组的求解，可采用增量形式的Newton-Raphson法17/76张拉式和索系支承式膜结构长期荷载1/250L（1/125L）短期荷载1/200L（1/100L）桅杆顶点侧向位移1/250H骨架支承式膜结构相应规范规定各膜单元的膜面法向位移1/15D★对计算结果的校核位移控制条件应力控制条件

各种荷载作用下膜面各点的最大主应力应满足下列要求：18/76荷载态分析中需特别关注的两个问题：1）抗风设计风荷载是膜结构设计中的主要荷载，因风导致的膜结构破坏在国内外均屡见不鲜。19/76ParkDomeKumamoto,DestroyedbyTyphoonBART(1999)Time：Sep23Typhoon:BartMax.WindSpeed:49.3m/sRevolutiondoorsdestroyed,

double-layermembraneroofwastorn.20/76井冈纽奉山机咽场膜蜘结构21/76The闹De团ad耳Sea辱Sw需im足Cen敲terJi幸uz按ha腰ig坏ou盯,杆Si胁ch到ua动n，200并522/76浙江苍痰南某收蓬费站膜屠结构受缓损23/7锐6浙江枕临海呈化学削药业夺基地圆膜结撤构24/76某膜葵结构叙风毁疗全过遵程25/76风荷捡载的学确定体型系召数应通过栏风洞试己验或专乓门研究优来确定坟；有条跪件时也参可通过忌分析研胖究来确厉定。风振系脾数骨架启支承疫式膜馋结构帜：1.宝2~逮1.句5张拉式古伞形和焰鞍形膜每结构：1.概5~筛2.唯026/7施62）膜恋材的福褶皱汽问题褶皱是膜盆材在焦单向先拉应属力状洋态下愧出现羞的平悉面外防变形衔。矩形绍膜片喊在面艘内剪况切荷异载作味用下掌的褶颠皱单向笼褶皱双向褶趴皱27/7粒6褶皱娃对膜筝结构望的影忘响影响美立观；导致结循构内力石重分布用（微风氧振动、每应力集皱中）导致结宵构局部目积水、慰积雪，晓危及结浓构的安慰全。28/7锣6对褶屯皱单侨元的闻判定σ1>0护,σ2>0单元肆正常扇工作;σ1<0称,σ2<0单元退沸出工作;σ1>0,σ2<0单元出府现褶皱钓。1>02>029/76对褶皱污单元的特处理：通过院修改拼褶皱跑单元稀的刚良度矩扛阵来钩减小暴或忽泉略其共对整顿体刚蔬度矩稀阵的多贡献溪。如果侄在荷掘载作森用下贤产生忘较多菜褶皱雪，则档说明剃结构粒的刚主度不亲足，描找形合得到宫的曲斥面存免在“宿病态冬”。30/7浪6裁剪帖分析叫的目斗的是偷用无队应力始、平协面状仅态并稼有幅评宽限唐制的艇膜材郑去制灾作膜茎面,使膜要面在别张拉顶后符柿合找昌形所队得的剧形状洞和应蜻力分喉布,且膜面袍接缝布求置美观,膜材用摩料节省伸。§5.批4.且3裁剪分绳析31/7透6裁剪分沟析包括举以下四米方面内增容：确定惰裁剪奥线分洪布；俱☆将空间乒膜片进币行平面岭展开；膜内预售拉力的添释放；膜片熔接缝枕处及键边角挑处放铅量,得到平麦面裁剪平片。目前膏常用员的裁石剪方饲法有测地线搅法和平面冤相交圾法等。32/76★测地线(短程携线)法对于浩可展呆曲面奔，展押开平侍面上阵的测仆地线辰为直竹线；炒对于川不可弱展曲赵面，辜展开陕平面窃上的进测地学线接莫近直贫线。测地袖线法咳的接苦缝较旱短、灰用料霞较省盟；但蛛裁剪怜线的撑分布撇不易枝把握凭；主寄要适脾用于华曲率睬较小培的膜蚕结构辩。短程线魄的确定把：（1）在选条定的两俯端点间炕连一条基索，并决分成若创干段，毕使位于森曲面上贸。（2）用包动力仇松弛辩法求每解索译的平信衡位降置，旺该位根置就北是曲僵面上杆两点割间最所短路邪径，垃即短砖程线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销裁剪苦法是调用一薪组平域面（菠通常洲用竖趣向平明面）然去截禁找形摆得到榜的曲寒面，虹以平娘面与秧空间绍曲面鸽的交汪线作筋为裁益剪线牢。平面摘相交筝裁剪亚法常绳用于宝对称选膜面奴的裁雕剪，森所得凭到的梨裁剪占线比算较整宵齐、退美观编。35/7时6裁剪想线确亲定应苹考虑穴的因东素：裁剪挑线布资置的车美观忘性；根据泥膜材叫幅宽姥，尽周量有梯效利暮用膜醋材；根据害膜材搁的正消交异场性特野点，浮使膜决材纤党维方趣向与弓计算状的主瓦要受封力方饲向一染致。膜材排努版36/7宏6伞形鞍形37/7毛6§5.4故.4膜结构拉设计要书点排水采光声学问暴题隔热斥与保晒温防火其他38/7幸61.排水Dr旨ai禁na齐ge膜表泪面应瓣具有黑足够正的坡甜度以栽解决螺排水锐和积拜雪问及题。四通常寄膜面姜的坡迎度应场不低煌于20倍%多数鸽膜结岁构采狠用无晃组织摄排水臭方式图，但彩应尽祸量避旷免雨蛮水沿视建筑遍物的溉主要词朝向催一侧优流下面，同肥时还喊应注疮意对置地面可和墙角面的确污染愉。在某些摧情况下娱，可利游用建筑程物自身黑的某些鸽形状特凤点解决闹排水问箭题……39/7致6201佣0年12月美弱国Met史ro穹顶屋悄顶被积抚雪压塌40/7闹6几种常砌见的膜歇面排水叛方式123441/762.采光Lig掌hti顷ng膜材炼的透歇光率粗在7%～15%左右镇；白失天无恶需要蛮照明惧，节臣约能柴源；照明裕灯具孤与膜制面的短距离谋不应舱小于1.聚0m。当采用内部照明时应注意灯具与膜面距离42/763.声学问奖题Aco庄ust懂ic建筑览物内距部的兄声音扁反射膜材怠对声暴波具陷有很妖强的秧反射荷性，闷会使陪音乐价演出倘的声巨音变钩得模油糊；满对于催某些思具有猜内凹阳面的员建筑初，如婚充气怠膜结漂构或猴拱支疑式膜逗结构砍，顶料棚会抓使声闯波反药射汇碑集。建筑州物对书外部害噪声植的屏朱蔽通常单续层膜的屈隔音性秘能仅在10摆dB左右亭，故意仅能往用于下对隔蓬音要酷求不阿高的盏建筑淘物。43/764.隔热捞与保席温The道rma暖lI炊nsu珍lat把ion单层向膜材的保温队性能大场致相当探于夹层凶玻璃，配故仅适皂用于敞悼开式建锅筑或气翠候较温春暖的地通区。当对豆建筑剩物的元保温景性能督要求愈较高庆时，面可采糟用双层泡或多腰层膜构造赤来解露决，豆一般嫩双层个之间姓应有东适当仿的空娱气隔驶层（25～30猪cm左右）典。当在吃游泳广池、晴动物浮园和伟植物线园等隙建筑亲中采调用双腹层膜挤构造纤时，开应注椅意膜秧内部神的结露问卡题。一般颤可通过谨安装空草气循环复系统等互措施来另解决。44/76加拿大纳林赛体催育中心Lin晒dsa务yP素ark旬Sp汤ort险sC疫ent蜜re,轰Ca班nad辰a,1恢984索网漆下设猫有纤滨维棉辰保暖敏层，刑不但仪能防早寒,还能透我过4％的光爹线，这如就足以育在白天屠不用人狭工采光芽。此外摩在保暖旅层下面周还有一蜻层很薄启的蒸气围绝缘层,能起吸浪音作用伙。45/7惭6日本委秋田—天空穹虹顶Sk牧y细Do苏me派,魔Ak荣it栽a,构J奔ap辈an偷,宏19渣90Sp泡an:禾1谦30m棒×10河0m;Hei助ght:握30纽奉mRoo疗f:臂P厘TFE（单牢层）屋盖的倡格构式扎空间拱俘系沿长拌向为空袍腹拱、取沿短向刚为钢管兴拱。利用阵紧贴摩膜面枝的钢泳管拱车作为街通道月，向留其中曾送暖奋风，昂对屋课盖起圆融雪膊作用浪。46/7连65.防火Fir驰epr提oof盒ing一般终认为棉，PT畏FE膜材废是不海可燃痕材料更，PV脂C膜材任是阻什燃材樱料。悠对于年永久至性建哗筑，丽宜优墙先选永用不昂可燃凯类膜幻玉材。当采用饭阻燃类里膜材时咸，应根排据消防距部门的功要求采茂取适当凉措施。例如，窑应保证救建筑物趟的顶棚茎与地板刷之间的香距离在8米以上旬，并且合避免膜哭材及其让连接件谅与可能批存在的课火源接威触。47/76膜面应候具有足滴够的曲穗率，以扁保证结左构的刚复度。6.其他Oth渔ers优先机选择柔性平边缘坑构件和可移值动支钩承方旋式（如立桅杆咱）以蜻使膜悄内应南力尽脚可能质均匀今，避捏免应随力集亦中和阻褶皱阅。结构应原具有多道设换防措施，以愚避免啊因膜献材的俩破损颂造成叹整体宰结构死的倒爷塌。单片膜的腹跨度不宜删超过15米，覆骂盖面积途不宜超例过400平米；挂否则，君应适当洽增设加帝强索。膜材与讯其它物朝体之间碗的距离心不应小庭于膜面钉在最不百利工况膝下变形夺值的两带倍，且不应迹小于1m。48/76应考渴虑膜预面预痕张力撞的施扫加方灶法。a)直接张示紧膜面b)通过边杯索张拉c)张拉稳吵定索d)柱顶顶生升49/76§5.慌4.请5节点设笋计50/761.膜-膜连岂接（1）缝画合连杯接缝合连籍接是一种船传统的补织物连尺接方式期，主要撒在工厂商内制作至完成；渐特点是峰比较经美济，且汉质量容鉴易控制悼。缝合连须接的强殊度较低苍，一般厕用于不译能采用娃其他连净接方式遍，或膜樱内应力咽较小及魂非受力弄构造连梯接处。在结杰构排级水区腊应慎握用缝粘合连盒接。51/7悄6（2）粘合山或热合气连接粘合连培接是通过韵粘合剂架将膜片娱粘合在不一起。戴其耐久恢性较差趋，一般热用于强毯度要求狱不高或突现场临宁时修补看的地方让。热合放连接是将膜日材迭合钓部分的著涂层加假热融合渗，并对糟其施加魔一定时绞间的压血力，使踪蝶两片膜恋材牢固炼地连接施在一起纳。热合连接娇的搭接磨宽度通避常为40~咏60m程m，强度咸可达到妙母材强严度的80%以上旷。52/7苗6（3）束载带连给接束带连佩接的优够点是安彻装时便冈于调整醒形状、察根据情住况分步腿增减拉岛应力；五缺点是际消耗大剥量的人葵工。为保泥护束喊带节薯点免众受气绒候影灿响，立通常企在其楼上面号增加姨一层遮覆盖等膜。53/7威6（4）螺栓祥连接螺栓连融接是一习种现场永连接方行式，适甲用于结括构规模烛较大，侵需将膜服材分成懒几个部贴分在现华场拼接剂的情况桌。螺栓冰连接齐的缺贡点是叹，膜义材与厉金属揉连接呢件的钻变形将不协些调，疫易导迎致相蚂连膜湿片处纯出现晚应力馅集中阶。此外，倒在螺栓江连接中豆对金属毫件的防傅水、防蔑腐处理顷也是需泡要注意锋的问题赠。54/762.膜-索连接索套社连接螺栓连绣接由于索蛙与膜之悠间的材荐料差异搂，应使雨两者之导间留有绢一定的哗空隙，愉以适应形在荷载室作用下陆膜与索倦之间可恋能产生耀的相对独滑动。55/76束带连峰接膜与深谷索已连接绳边（ropeedge）构造56/76当膜面事超过15米以僚上无康中间轨支承陪时，稻为减蛾小膜两面应颠力，喝可以嫩利用赞索或竹合成判纤维崖带对半膜面冬进行惑局部成构造虎加强宇。57/7犹63.膜-钢支承亮结构连荷接（1）夹孟板连界接利用刚版性夹板岔直接固秤定膜边狐绳。做转法较为桃简单，然要求夹戚具与膜旱材之间弊设置衬姥垫；刚扫性边缘过构件应缺先倒角商，使膜湖材光滑栽过渡。58/7株6（2）绳塌轨(r拼op赤e薪tr台ac浑k)连接将膜边絮绳穿入沾铝合金岛制成的霜绳轨内倒，再通冬过拉力症螺栓将普绳轨与放刚性边氏界相连君。59/7震6（3）束带挂连接60/76（1）桅杆差顶部连粗接构造浮动节僻点固定次节点4.膜端言部连披接构殊造61/7齿6（2）膜课角部蛛连接暴构造62/7屋6（3）避免贯节点连瓦接部位傍的膜材甩出现应扇力集中连接庭处的沃钢构坟件不愈得有洋毛刺柳、尖尘角；在接照触面葱处设扎置膜弃衬垫仪；必要煤时还匆应对僚节点去附近云的膜借材进另行局维部加纷强。（1）结构钓强度要灾求不先于笨主体材棕料和构眼件破坏阁。★节点乒设计换的一苹般原弊则（2）对结悬构大变强形的适摧应能力释放统由于哥大变偿形所潜引发井的附孝加应碧力作协用。63/7葛6（5）施臭工张业拉要闻求应保缓证预堆张力夕施加桐点处黄的节竟点具徒有较塑高的渐强度怀、刚影度且卸便于墙机具旅操作裳。还应它考虑毅结构边安装帝偏差葛与二垂次张秩拉的北可能狂性，怜使某肤些节核点部麻位具私有一肌定的道可调左节性拢。（4）对节塌点的防吓水防腐宿处理节点连近接件宜完选用不政锈钢或厨铝材，雄对钢构有件必须酸做镀锌和或涂装岩处理。膜节握点自聋身也鸟应具蹄有良泊好的酬防水脑性能颤，一农般可不通过