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。7/7壤6非线惜性有兴限元畅法No忍nl沸in旗ea袖r充Di梨sp狠la钞ce箩me裹nt父A休na停ly尸si减s臂Me向th殊od将膜础结构踏进行剪有限盟元离樱散，川采用丈大位遵移小羊应变疏的几烤何非低线性暗有限财元方糖法对思膜结塞构进觉行分问析，疏得到稼结构齐的位旁移和诞内力猜。[KL]掀——线性扮刚度愿矩阵[KNL]渡——非线研性刚疯度矩睡阵{P}拐——荷载什向量{F}着——等效敌节点冤力向卫量8/7浓6非线阁性有泛限元鹿法可臂以考惧虑材期料的正交仙异性修影响，且邪随着鞭网格排加密扯和迭探代次居数增蚀加，诵计算统结果歪总是赴不断虏向准漠确解胃收敛泊，所烦以非阵线性吧有限乔元法旬是一笋种精确天计算五方法。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9/7粗6★咸初始称形态甚分析挤算例(悬链考曲面)10/7朽6三、响找形棋的基穗本流泉程根据脏建筑举平、伟立面侄条件鼻，确帮定支警承方舅式和雀支承幸点的歇位置然；根据猜支承薯点位衰置，纷确定村边索院和加轮强索蹲的布秩置方视式；根据甩经验拍，确始定索均和膜帅中的绿初始黎预张秤力；建立载零状斜态下难的结迟构有慌限元者模型爸；进行质找形由分析怎，确驼定结享构的框初始迎平衡科态。PV骆C膜材冻：1～4k衬N/原mPT疗FE膜材甩：3～8k挤N/被m11/7量6★找形竹流程泰示意a)确定滤计算镰边界b)划分陶计算闲网格c)提升券支座车节点d)完成泡曲面罪找形e)安装寇支承均构件f)放松海支承译节点12/7债6★龄找形演结果倘的评荡判标填准满足披建筑转造型泛的要热求保证崖结构踢在设坑计荷狮载作网用下贩不出信现过洲大的梁变形叹和应酿力避免页膜和攻索因灿受压描退出凳工作就，即廊保证壮结构壁的稳惠定当找倾形结毙果不姻满足叨上述药要求棕时，目可采弱取的械调整疏方案竞：调整论支承钞点的咬位置改变屑预张鹊力的殃大小改变黑索构窑件的岁布置奇方式膜结慎构的累找形晃是一值个反版复试角算过稠程。13/7抚6目的哈是检查构在各想种荷谜载组葛合作旧用下射，结子构的哄刚度辟是否谎足够居，应闭力是翠否在饶许可嘴范围属内。保证留膜（遥或索蛋）不啦会因效变形毯过大酿导致胞应力话松弛叹或因升应力距过大粪导致搭破坏保证慢结构排在风弯（或齿雪）颗的作炉用下梁不会眯因变食形或拨振动咳过大悟而影条响使色用保证下结构容的整吵体稳招定尽量收减少挺膜面功褶皱放的出录现§5.塞4.虑2荷载疯态分元析14/7惧6膜结肤构设茫计应挺采用国以概仇率理摇论为互基础闲的极限胡状态糟设计收方法，用分项稼系数的设摔计表止达式删进行缓计算转。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——2.51.815/7族6膜结和构设吉计应府考虑遭的荷嗽载包马括：沃恒荷捡载G、预滤张力P、活床荷载Q、风毁荷载W、雪膀荷载Q等。活荷毙载标挽准值酷取0.晴3k甘N/捏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16/7穗6★抓荷载尺态分搞析方艇法膜结获构的适荷载刚响应骗具有大位筝移、枣小应请变的特作点，馆应采更用几竭何非振线性灾有限宾元法枣求解没。—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。非线挖性方屿程组执的求船解，设可采听用增卡量形套式的Ne原wt准on弱-R扣ap拢hs浓on法17/7惜6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★暂对计萍算结腔果的炕校核位移贞控制截条件应力顽控制询条件各种庸荷载景作用践下膜喊面各物点的幅最大肯主应庸力应浪满足须下列嘱要求倍：18/7泊6荷载笨态分松析中换需特巨别关淹注的绒两个矛问题旁：1）抗琴风设朝计风荷悼载是豆膜结清构设塌计中翅的主河要荷闲载，休因风奶导致朝的膜猴结构铜破坏算在国片内外猫均屡探见不恢鲜。19/7芳6Pa露rk锋D肠om雅e藏Ku援ma如mo煎to男,竿De托st仗ro池ye开d个by扣T冠yp寸ho饱on抵B炊AR忌T揉(1棍99揭9)Ti梯me：Se躬p析23Ty闻ph呼oo拣n:Ba刚rtMa核x.销W弹in允d圾Sp士ee摇d:49敲.3扶m/乏sRe姓vo坐lu够ti眠on袋d凝oo弟rs辉d酿es挤tr稼oy变ed标,do捉ub殿le班-l弄ay夺erme皇mb庆ra侮ne棵r灵oo显fwa温s貌to或rn.20/7氏6井冈炸山机站场膜畜结构21/7牢6Th唉e教De咐ad足S帐ea腾S兆wi令m岸Ce闻nt攀erJi允uz挤ha跑ig片ou哨,双Si徒ch均ua故n，20肚0522/7鞭6浙江凭苍南捉某收纯费站驶膜结吃构受风损23/7箱6浙江敲临海柄化学守药业粮基地衫膜结勿构24/7揪6某膜算结构叶风毁寻全过订程25/7祥6风荷肤载的婆确定体型肤系数应通恰过风兔洞试宗验或妖专门蔬研究扁来确旺定；贿有条弹件时缸也可叙通过裙分析蔬研究育来确快定。风振饭系数骨架炎支承庄式膜梁结构兄：1.吼2~残1.钟5张拉浸式伞酒形和平鞍形脆膜结清构：1.惰5~固2.处026/7易62）膜乏材的桃褶皱钳问题褶皱是膜丙材在殿单向族拉应拖力状喝态下歼出现示的平窜面外抛变形峡。矩形锁膜片贝在面大内剪拖切荷刚载作室用下此的褶强皱单向量褶皱双向示褶皱27/7炕6褶皱婚对膜剂结构茫的影敢响影响腥美观顿；导致驰结构纯内力佛重分奶布（天微风串振动冠、应建力集获中）导致码结构炒局部快积水奶、积奋雪，类危及旱结构肾的安周全。28/7截6对褶仗皱单逗元的必判定σ1>0晕,σ2>0单元叨正常渠工作;σ1<0杀,σ2<0单元燃退出娱工作;σ1>0乔,σ2<0单元朴出现付褶皱盲。

1>0

2>029/7言6对褶轮皱单伍元的怖处理访：通过交修改愤褶皱皆单元弃的刚按度矩库阵来展减小况或忽眠略其筐对整肺体刚盛度矩甘阵的礼贡献匹。如果劳在荷闷载作尺用下疾产生悔较多敢褶皱突，则望说明墨结构距的刚东度不锯足，兵找形如得到蔑的曲屑面存献在“划病态林”。30/7秤6裁剪专分析籍的目纺的是蹦用无拴应力租、平起面状吉态并汗有幅处宽限踢制的秘膜材哀去制臣作膜霜面,使膜颤面在避张拉圾后符央合找流形所倍得的袄形状照和应艇力分枯布,且膜患面接季缝布猪置美陶观,膜材饲用料球节省无。§5.请4.忌3裁剪赔分析31/7兔6裁剪光分析着包括兼以下桂四方再面内俱容：确定橡裁剪城线分锻布；哗☆将空殃间膜悔片进亦行平到面展拦开；膜内停预拉半力的桌释放贤；膜片棚接缝案处及颂边角爆处放兔量,得到鸡平面名裁剪朱片。目前映常用绝的裁妖剪方直法有测地摇线法和平面夜相交什法等。32/7爪6★测地熊线(短程垒线)法对于免可展复曲面挎，展漠开平匙面上播的测丸地线缎为直罢线；驶对于获不可总展曲糠面，浅展开男平面诊上的雷测地骂线接臭近直厉线。测地龙线法区的接练缝较庆短、尘用料低较省柔；但铁裁剪悼线的鸦分布蕉不易挥把握上；主菊要适骄用于箱曲率否较小置的膜炸结构幼。短程诸线的赖确定伶：（1）在肥选定艘的两领端点陪间连坏一条刘索，猴并分拒成若室干段较，使售位于日曲面卫上。（2）用至动力青松弛晨法求洒解索威的平门衡位嫩置，滩该位绝置就坐是曲碌面上界两点响间最避短路命径，榴即短藏程线33/7点6鞍形阀曲面君剪裁税分析34/7爽6★平面鞠相交范法平面谢相交咳裁剪众法是裤用一脑组平柴面（纽奉通常怖用竖刚向平执面）绕去截也找形素得到障的曲庙面，睛以平颗面与维空间宴曲面渗的交龙线作可为裁堂剪线吉。平面风相交臂裁剪堂法常萌用于则对称赚膜面仔的裁芦剪，啄所得编到的思裁剪榜线比烈较整响齐、脾美观最。35/7予6裁剪钻线确剧定应竞考虑躺的因铜素：裁剪浓线布澡置的粗美观乌性；根据抄膜材酒幅宽互，尽赖量有午效利扫用膜冤材；根据许膜材臂的正刻交异念性特润点，区使膜渴材纤睡维方铃向与暖计算研的主展要受佛力方树向一粉致。膜材步排版36/7锈6伞形鞍形37/7止6§5.仁4.庸4膜结歇构设凯计要斤点排水采光声学摄问题隔热尖与保搭温防火其他38/7黄61.排水Dr壳ai岩na昆ge膜表泳面应捆具有夕足够姻的坡阳度以搁解决厨排水京和积火雪问健题。自通常宾膜面铅的坡辫度应犬不低盏于20者%多数盯膜结蜓构采锐用无乓组织镇排水烂方式立，但凶应尽淹量避惜免雨现水沿撤建筑岛物的幕主要改朝向怎一侧黄流下魂，同榴时还税应注悦意对丽地面纷和墙钞面的木污染胃。在某肺些情壁况下墙，可躬利用过建筑恢物自寄身的名某些勺形状章特点聚解决皇排水辆问题……39/7棒620凑10年12月美软国Me透tr品o穹顶餐屋顶捕被积寇雪压写塌40/7架6几种宏常见湖的膜叙面排尾水方筐式123441/7胜62.采光Li歌gh迷ti谋ng膜材翅的透帖光率粗在7%～15虑%左右弱；白浊天无遵需要惕照明督，节谱约能宗源；照明持灯具猎与膜闷面的幼距离蹦不应控小于1.铃0m。当采用内部照明时应注意灯具与膜面距离42/7誉63.声学帐问题Ac搬ou铃st达ic建筑声物内俊部的唯声音指反射膜材捕对声辫波具怒有很祥强的缓反射韵性，副会使题音乐现演出凤的声惠音变筋得模所糊；针对于趴某些庄具有固内凹急面的较建筑怀，如私充气给膜结总构或贩拱支桶式膜融结构狐，顶坏棚会券使声剩波反咏射汇壶集。建筑陪物对该外部勤噪声张的屏愿蔽通常窝单层敢膜的慕隔音航性能彼仅在10举dB左右咸，故负仅能回用于臣对隔兽音要横求不嫁高的尺建筑握物。43/7见64.隔热染与保隆温Th馒er纷ma燥l丸In庙su谋la葬ti候on单层磨膜材的保菠温性躺能大扁致相滴当于阀夹层笋玻璃赌，故龄仅适饿用于崇敞开挑式建危筑或斤气候慕较温条暖的茄地区贷。当对叔建筑农物的畏保温衰性能蒙要求野较高扰时，哄可采掌用双层酱或多年层膜构造熔来解软决，和一般讨双层字之间绢应有侄适当唱的空亏气隔述层（25～30池cm左右悦）。当在吩游泳喘池、号动物帖园和学植物推园等铁建筑导中采睡用双雕层膜坚构造博时，废应注际意膜芬内部相的结露脾问题。一详般可符通过昨安装缺空气疾循环牲系统狭等措淘施来拘解决呼。44/7葬6加拿允大林伪赛体森育中僵心Li笔nd怖sa辅y泉Pa止rk怀S氧po衣rt肤s捆Ce写nt归re盘,删Ca等na称da,吸19比84索网尚下设降有纤柱维棉屠保暖工层，描不但非能防梦寒,还能作透过4％的括光线圆，这拔就足烧以在菜白天框不用暑人工耕采光龄。此廊外在惊保暖报层下袜面还权有一区层很途薄的晴蒸气终绝缘些层,能起距吸音绩作用声。45/7牢6日本位秋田—天空狐穹顶Sk屠y双Do膛me风,栋Ak立it响a,保J先ap泛an怀,井19殊90Sp午an:勿1碧30半m×坦10坚0m主;He好ig友ht:镇30充mRo武of:逐P烛TF反E（单景层）屋盖醉的格摄构式队空间班拱系惰沿长移向为港空腹肉拱、福沿短答向为织钢管匆拱。利用债紧贴争膜面昆的钢饼管拱数作为梅通道许，向坛其中额送暖久风，会对屋留盖起妥融雪轿作用调。46/7秒65.防火Fi历re宏pr态oo序fi允ng一般喇认为倡，PT韵FE膜材管是不脱可燃救材料轿，PV响C膜材朽是阻乓燃材携料。漂对于堡永久世性建印筑，惨宜优毕先选扶用不趣可燃骨类膜姥材。当采搜用阻睛燃类隆膜材欺时，撒应根锣据消免防部些门的程要求鼻采取凤适当活措施迈。例如腿，应叙保证帖建筑邪物的熔顶棚拨与地劝板之忌间的教距离宿在8米以禾上，区并且柱避免晓膜材钉及其刺连接说件与积可能嚷存在颈的火流源接粒触。47/7根6膜面潮应具脏有足热够的辰曲率虽，以顾保证蛇结构哗的刚若度。6.其他Ot召he盆rs优先俯选择柔性歌边缘匠构件和可移构动支霸承方占式（如河桅杆讨）以绒使膜庙内应持力尽么可能染均匀润，避阔免应仁力集雕中和泳褶皱滤。结构偿应具给有多道忠设防唇措施，以私避免组因膜呈材的苗破损系造成鲜整体暑结构帝的倒皂塌。单片膜的怕跨度不宜晌超过15米，烟覆盖饮面积股不宜倘超过40旦0平米降；否熊则，芳应适键当增盗设加释强索结。膜材窃与其科它物冰体之迈间的蹦距离似不应书小于见膜面货在最叶不利纽奉工况切下变悬形值月的两律倍，锣且不应授小于1m。48/7副6应考拘虑膜形面预朋张力抢的施埋加方城法。a)直接梨张紧遮膜面b)通过裁边索粱张拉c)张拉沃稳定薄索d)柱顶眯顶升49/7隔6§5.起4.熔5节点雄设计50/7点61.膜-膜连漏接（1）缝挽合连犬接缝合木连接是一编种传鸣统的傲织物拍连接掏方式黎，主犯要在摇工厂板内制族作完凭成；妥特点透是比变较经图济，候且质腥量容居易控圣制。缝合绸连接害的强秋度较茅低，惰一般蓄用于板不能推采用睬其他拢连接能方式猜，或喝膜内捏应力社较小匹及非乔受力森构造拥连接插处。在结送构排朽水区翻应慎肃用缝姑合连渗接。51/7草6（2）粘窝合或午热合缎连接粘合伴连接是通钻过粘欺合剂尾将膜委片粘宾合在散一起闻。其括耐久庸性较资差，防一般装用于铃强度尺要求刻不高候或现问场临牧时修容补的雄地方鼻。热合遍连接是将投膜材役迭合醒部分竹的涂净层加矩热融腊合，感并对共其施法加一翁定时幸间的案压力辜，使哀两片拾膜材链牢固觉地连袜接在身一起顿。热合连柔接的虹搭接烦宽度漫通常服为40赠~6既0m右m，强兼度可满达到膜母材抱强度所的80网%以上词。52/7绢6（3）束伯带连饺接束带骡连接订的优秘点是泛安装贷时便碰于调犁整形扬状、利根据煮情况瓦分步特增减代拉应背力；名缺点昨是消恳耗大飘量的慰人工咏。为保负护束毁带节摆点免技受气久候影漠响，逆通常全在其附上面交增加钥一层诱覆盖居膜。53/7售6（4）螺孕栓连叉接螺栓侮连接驶是一因种现战场连馒接方氏式，物适用大于结昌构规轿模较牺大，陕需将苏膜材伶分成鸣几个朗部分蚀在现右场拼岗接的治情况博。螺栓周连接扣的缺浙点是梅，膜腰材与仰金属欺连接植件的播变形彩不协津调，初易导脾致相追连膜膜片处骆出现偿应力杰集中米。此外颗，在兰螺栓寒连接林中对肝金属摧件的夺防水漂、防仇腐处掌理也苏是需饺要注爪意的拔问题封。54/7懒62.膜-索连办接索套盼连接螺栓创连接由于胡索与犯膜之码间的航材料谊差异溪，应粮使两赢者之再间留扬有一禽定的拳空隙角，以货适应体在荷宽载作减用下慢膜与急索之富间可致能产械生的司相对听滑动申。55/7品6束带惑连接膜与款谷索政连接绳边（ropeedge）构造56/7事6当膜弦面超贤过15米以间上无艺中间顽支承精时，荒为减套小膜忽面应谎力，自可以厉利用奸索或侨合成塞纤维鉴带对恼膜面郑进行趴局部羊构造研加强约。57/7雁63.膜-钢支鸟承结尤构连樱接（1）夹脸板连尽接利用万刚性案夹板脾直接练固定唐膜边搭绳。唐做法鞋较为屿简单羡，要脱求夹颜具与湖膜材幅之间眉设置租衬垫语；刚财性边望缘构卸件应逗先倒皱角，菌使膜竞材光耻滑过脾渡。58/7府6（2）绳球轨(r廊op塌e佳tr饮ac孕k)连接将膜脊边绳甚穿入膊铝合笛金制吵成的恒绳轨循内，雪再通垂过拉涌力螺响栓将智绳轨价与刚董性边走界相捡连。59/7惭6（3）束暮带连尘接60/7鹿6（1）桅议杆顶真部连扶接构坛造浮动值节点固定烤节点4.膜端融部连知接构稼造61/7餐6（2）膜起角部毛连接响构造62/7音6（3）避其免节邪点连拢接部钞位的载膜材后出现遵应力医集中连接趟处的嫩钢构谜件不店得有视毛刺价、尖慕角；在接毙触面捞处设埋置膜捡衬垫伐；必要递时还瞎应对米节点掀附近择的膜屑材进晌行局超部加它强。（1）结锯构强呀度要滨求不先挪于主话体材雷料和四构件近破坏飞。★节点汇设计唉的一徒般原周则（2）对布结构妥大变替形的均适应膏能力释放专由于味大变殊形所夜引发勇的附奥加应催力作远用。63/7索6（5）施识工张洪拉要喇求应保言证预草张力粪施加蔽点处炉的节离点具问有较渠高的需强度艘、刚会度且傻便于边机具细操作寇。还应挠考虑垫结构压安装告偏差病与二浮次张笑拉的蜡可能袜性，泥使某际些节纵点部销位具革有一昂定的经可调劈燕节性妄。（4）对馋节点表的防总水防衔腐处袭理