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張拉膜結構的概念設計

日期:2013-09-12 10:16:34 / 人气:8

 

“只有正確表達結構邏輯的建築才有強大的說服力與表現力”這句話揭示了張拉膜結構的精髓。對于張拉膜結構,任何附加的支撐和修飾都是多余的,其結構本身就是造型;換句話說,不符合結構的造型是不可能的,因爲那樣的薄膜不是飄動的就是缺乏穩定性的。張拉膜結構的美就在于其“力”與“形”的完美結合。 

張拉膜結構的基本組成單元通常有:膜材、索與支承結構(桅杆、拱或其他剛性構件)。 

膜材一種新興的建築材料,已被公認爲是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之後的“第六種建築材料”。膜材本身不能受壓也不能抗彎,所以要使膜結構正常工作就必須引入適當的預張力。此外,要保證膜結構正常工作的另一個重要條件就是要形成互反曲面。傳統結構爲了減小結構的變形就必須增加結構的抗力;而膜結構是通過改變形狀來分散荷載,從而獲得最小內力增長的。當膜結構在平衡位置附近出现变形时,可产生两种回复力:一个是由几何变形引起的;另一个是由材料应变引起的。通常几何刚度要比弹性刚度大得多,所以要使每一个膜片具有良好的刚度,就应尽量形成负高斯曲面,即沿对角方向分别形成“高点”和“低点”。“高点”通常是由桅杆来提供的,也许是由于这个原因,有些文献上也把張拉膜結構叫做懸挂膜結構(suspension membrane)。 

索作爲膜材的彈性邊界,將膜材劃分爲一系列膜片,從而減小了膜材的自由支承長度,使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出,膜材的自由支承長度不宜超過15米,且單片膜的覆蓋面積不宜大于500平米。此外,索的另一個重要作用就是對桅杆等支承結構提供附加支撐,從而保證不會因膜材的破損而造成支承結構的倒塌。 

膜結構設計主要包括以下內容: 
1,初始態分析:確保生成形狀穩定、應力分布均勻的三維平衡曲面,並能夠抵抗各種可能的荷載工況;這是一個反複修正的過程。 
2,荷载态分析:張拉膜結構自身重量很輕,僅爲鋼結構的1/5,混凝土結構的1/40;因此膜結構對地震力有良好的適應性,而對風的作用較爲敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測資料尚少,故對膜結構的設計通常采用安全系數法。 
3,主要結構構件尺寸的確定,及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時,應注意不同設計方法間的系數轉換。 
4,連接設計:包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。 
5,剪裁設計:這一過程應具備必要的試驗數據,包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值(應通過雙軸拉伸試驗確定)。 

膜結構在方案階段需要考慮的問題有: 
1,预张力的大小及張拉方式; 
2,根據控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式; 
3,考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水(雪); 
4,關鍵節點的設計,以避免應力集中; 
5,考慮膜材的運輸和吊裝; 
6,耐久性與防火考慮。 

膜結構設計階段所要考慮的要點有: 
1,保證膜面有足夠的曲率,以獲得較大的剛度和美學效果; 
2,細化支承結構,以充分表達透明的空間和輕巧的形狀; 
3,簡化膜與支承結構間的連接節點,降低現場施工量。 

膜結構研究的主要問題有: 
1,找形(Form-finding)或更進一步叫“形態理論”; 
2,考慮膜材松弛和各向異性下的結構響應; 
3,結構在風荷載作用下的動力穩定性; 
4,裁剪優化; 
5,膜與索及支承結構間的相互作用。 

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