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2016年9月28日

膜結構設計

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筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量,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,并以此為基準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。因為膜材料比較輕柔,自振頻率很低,在風荷載作用下極易產生風振,導致膜材料破壞,如果初始預應力施加過高,膜材涂變加大,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為三維不可展空間 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。

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