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張拉形式膜結構的先行者

日期:2013-09-24 11:55:00 / 人气:12

  世界上第一座充氣膜結構建成于1946年,設計者爲美國的沃爾特·勃德(W.Bird),這是一座直徑爲15的充氣穹頂。1967年在德國斯圖加特召開的第一屆國際充氣結構會議,無疑給充氣膜結構的發展注入了興奮劑。隨後各式各樣的充氣膜結構建築出現在1970年大阪世界博覽會上。其中具有代表性的有蓋格爾設計的美國館(137m×7m8卵形),以及川口衛設計的香腸形充氣構件膜結構。後來人們認爲70年大阪博覽會是把膜結構系統地、商業性地向外界介紹的開始。大阪博覽會展示了人們可以用膜結構建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司(Geiger-Berger Associates)开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆(Teflon)膜材料为膜結構廣泛應用于永久、半永久性建築奠定了物質基礎。之後,用特氟隆材料做成的室內充氣式膜結構相繼出現在大中型體育館中,如1975年建成的密歇根州龐蒂亞克“銀色穹頂”(橢圓形220×159m),1988年建成的日本東京體育館(室內淨面積4,6767㎡)。 
   张拉形式膜結構的先行者是德國的奧托(F.Otto),他在1955年設計的張拉膜結構跨度在25m左右,用于聯合公園多功能展廳。由于張拉膜結構是通過邊界條件給膜材施加一定的預張應力,以抵抗外部荷載的作用,因此在一定初始條件(邊界條件和應力條件)下,其初始形狀的確定、在外荷載作用下膜中應力分布與變形以及怎樣用二維的摸材料來模擬三維的空間曲面等一系列複雜的問題,都需要有計算來確定,所以張拉膜結構的發展離不開計算機技術的進步和新算法的提出。目前國外一些先進的摸結構設計制作軟件已非常完善,人們可以通過圖形顯示看到各種初始條件和外荷載作用下的形狀與變形,並能計算任一點的應力狀態,使找形(初始形狀分析)、裁剪和受力分析集成一體化,使得膜結構的設計大爲簡便,它不但能分析整個施工過程中各個不同結構的穩定性和膜中應力,而且能精確計算由于調節索或柱而産生的次生應力,完全可以避免各種不利荷載式況産生的不測後果。因此計算機技術的迅猛發展爲張拉膜結構的應用開辟了廣闊的前景。而特氟隆摸材料的研制成功也極大地推動了張拉膜結構的應用。比較著名的有沙特阿拉伯吉達國際航空港、沙特阿拉伯利雅得體育館、加拿大林德塞公園水族館、英國溫布爾登室內網球館、美國新丹佛國際機場等. 
  膜結構的設計主要包括體形設計、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問題。通過體形設計確定建築平面形狀尺寸、三維造型、淨空體量,確定各控制點的坐標、結構形式,選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度,抗剪強主芤很差,因此其剛度和穩定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預應力來提高,對膜結構而言,任何時候不存在無應力狀態,因此膜曲面形狀最終必須滿足在一定邊界條件、一定預應力條件下的力學平衡,並以此爲基准進行荷載分析和裁剪分析。目前膜結構找形分析的方法主要有動力松馳法、力密度法以及有限單元法等。膜結構考慮的荷載一般是風載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大,且隨著形狀的改變,荷載分布也在改變,因此要精確計算結構的變形和應力要用幾何非線性的方法進行。荷載分析的另一個目的是一確定索、膜中初始預張力。在外荷載作用下膜中一個方向應力增加而另一個方向應力減少,這就要求施加初始張應力的程度要滿足在最不利荷載作用下應力不致減少到零,即不出現皺褶。因爲膜材料比較輕柔,自振頻率很低,在風荷載作用下極易産生風振,導致膜材料破壞,如果初始預應力施加過高,膜材塗變加大,易老化且強度儲備少,對受力構件強度要求也高,增加施工安裝難度。因此初始預應力的確定要通過荷載計算來確定。經過找形分析而形成的摸結構通常爲三維不可展空間曲面,如何通過二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個膜結構工程中最關鍵的一個問題,這正是裁剪分析的主要內容。 
  膜結構在我國也不乏工程實例,其中規模最大、最具影響力的膜結構要數1997年竣工的上海八萬人體育場看台罩棚張拉膜結構工程。但該膜結構爲美國Weidlinger公司設計制作,由此也可以看出我國在該領域與國外先進國家的差距很大。目前影響我國膜結構廣泛應用的主要因素有:國産膜材料性能差,而進口膜材料價格高;尚無商業性的膜結構計算南輔助設計系統;人們對膜結構缺乏足夠的認識等。A

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