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        膜结构是什么(me)?:膜(mo)结构

          膜结构(Membrane)是(shi)20世(shi)纪(ji)中(zhong)期发展(zhan)起(qi)来的(de)一种建筑结构(gou)形(xing)式(shi),是由(you)多(duo)种(zhong)高强薄(bao)膜材料(liao)(PVC或Teflon)及加强(qiang)构(gou)件(jian)(钢架(jia)、钢(gang)柱或(huo)钢(gang)索(suo))通过(guo)一(yi)定(ding)方式使其(qi)内部(bu)产(chan)生(sheng)一定(ding)的(de)预张应(ying)力(li)以形(xing)成某(mou)种空间(jian)形状(zhuang),作为覆盖(gai)结(jie)构(gou),并能承(cheng)受一定的外(wai)荷(he)载(zai)作用的一种空间(jian)结构形式膜结构

          膜(mo)结(jie)构可分(fen)为(wei)充(chong)气膜结(jie)构和(he)张(zhang)拉膜结构两大类膜结(jie)构 。充气膜结构(gou)是(shi)靠(kao)室(shi)内不断(duan)充(chong)气(qi),使(shi)室(shi)内外(wai)产(chan)生一定(ding)压力(li)差(cha)(一般在10㎜~30㎜水(shui)柱之(zhi)间(jian)),室(shi)内外(wai)的压(ya)力(li)差(cha)使(shi)屋(wu)盖膜(mo)布受到(dao)一(yi)定的(de)向上的浮(fu)力,从(cong)而(er)实(shi)现较大的(de)跨度(du)。张拉摸结构则(ze)通(tong)过柱(zhu)及(ji)钢架支(zhi)承(cheng)或钢索张拉(la)成(cheng)型(xing),其(qi)造型非(fei)常优(you)美(mei)灵(ling)活。

          膜结(jie)构(gou)所(suo)用膜(mo)材料(liao)由基布和涂层两部分组(zu)成(cheng)膜(mo)结构 。基(ji)布(bu)主(zhu)要(yao)采用(yong)聚酯(zhi)纤维和(he)玻璃(li)纤(xian)维材(cai)料;涂层材(cai)料主要(yao)聚氯(lv)乙(yi)烯(xi)和(he)聚四氟乙烯。常(chang)用膜材为(wei)聚(ju)酯(zhi)纤维(wei)覆聚(ju)氯(lv)乙烯(PVC)和玻(bo)璃纤维覆(fu)聚(ju)聚四氟乙烯(Teflon)。PVC材料(liao)的(de)主要特(te)点(dian)是(shi)强(qiang)度低、弹(dan)性大(da)、易老(lao)化(hua)、徐(xu)变大(da)、自洁(jie)性(xing)差,但(dan)价格(ge)便(bian)宜(yi),容易加(jia)工制作,彩(cai)丰富(fu),抗折(zhe)叠(die)性能(neng)好。

          为(wei)改善其(qi)性(xing)能,可在(zai)其表(biao)面涂(tu)一(yi)层聚四氟(fu)乙(yi)烯涂(tu)层(ceng),提高(gao)其抗(kang)老(lao)化和(he)自洁(jie)能(neng)力,其寿命(ming)可(ke)达到15年(nian)左(zuo)右(you)膜结(jie)构(gou) 。Teflon材料(liao)强(qiang)度高(gao)、弹性模(mo)量大、自(zi)洁(jie)、耐久耐火等性能好(hao),但它(ta)价(jia)格(ge)较(jiao)贵,不(bu)易(yi)折(zhe)叠,对(dui)裁(cai)剪(jian)制(zhi)作(zuo)精度要(yao)求较高(gao),寿命(ming)一(yi)般(ban)在(zai)30年(nian)以上,适(shi)用(yong)于永久(jiu)建(jian)筑。

          世界(jie)上(shang)第一(yi)座充气(qi)膜结(jie)构建成(cheng)于1946年,设(she)计者(zhe)为(wei)的(de)沃尔(er)特(te)膜结构(gou) 。

          勃德(W膜(mo)结(jie)构 。Bird),这(zhe)是(shi)一座(zuo)直(zhi)径(jing)为(wei)15的充(chong)气(qi)穹顶。1967年在德(de)国斯(si)图(tu)加(jia)特(te)召(zhao)开(kai)的(de)第(di)一(yi)届(jie)国(guo)际充(chong)气结(jie)构会(hui)议,无疑给(gei)充气(qi)膜结(jie)构(gou)的发展(zhan)注(zhu)入(ru)了(le)兴(xing)奋(fen)剂(ji)。随(sui)后各(ge)式(shi)各(ge)样的(de)充(chong)气膜(mo)结(jie)构建筑出(chu)现在1970年(nian)大阪世(shi)界(jie)博(bo)览(lan)会上(shang)。其(qi)中(zhong)具(ju)有(you)性的(de)有(you)盖(gai)格尔(er)设(she)计(ji)的(de)馆(137m×7m8卵(luan)形),以及(ji)川口卫(wei)设计的香肠形充气构(gou)件(jian)膜(mo)结构(gou)。

          后来人(ren)们认为(wei)70年(nian)大(da)阪(ban)博览(lan)会(hui)是把(ba)膜结(jie)构系(xi)统(tong)地(di)、商业(ye)性(xing)地(di)向(xiang)外界介(jie)绍的(de)开(kai)始膜(mo)结(jie)构(gou) 。大阪博览会(hui)展(zhan)示(shi)了人们(men)可(ke)以(yi)用膜结(jie)构(gou)建(jian)造永久性建筑(zhu)。而(er)70年代初(chu)盖格(ge)尔-勃(bo)格公司(Geiger-Berger Associates)开发(fa)出(chu)的符(fu)合永久建筑(zhu)规范的(de)特氟隆(long)(Teflon)膜(mo)材(cai)料为膜(mo)结(jie)构广(guang)泛(fan)应用于永(yong)久(jiu)、半永久性建筑奠(dian)定了(le)物质基础(chu)。

          之(zhi)后(hou),用特(te)氟(fu)隆材料(liao)做(zuo)成(cheng)的室内充气(qi)式膜结构(gou)相(xiang)继(ji)出(chu)现(xian)在大中型(xing)馆(guan)中(zhong),如1975年建(jian)成(cheng)的密(mi)歇根州庞蒂亚(ya)克“银穹顶”(椭圆形220×159m),1988年(nian)建(jian)成(cheng)的(de)东京(jing)馆(室(shi)内(nei)净面(mian)积(ji)4,6767㎡,见图2)膜(mo)结构

          张拉形式(shi)膜(mo)结(jie)构的(de)先(xian)行(xing)者(zhe)是(shi)德(de)国(guo)的奥(ao)托(F膜结构

          Otto),他(ta)在1955年设计的张拉(la)膜(mo)结(jie)构跨度(du)在25m左(zuo)右(you),用(yong)于(yu)联合公园(yuan)多功能(neng)展厅膜结(jie)构 。由于(yu)张(zhang)拉膜结构(gou)是通(tong)过边界(jie)条件给(gei)膜(mo)材(cai)施加(jia)一(yi)定的(de)预张应(ying)力,以抵抗外(wai)部荷(he)载的作用,因此(ci)在一定初始条(tiao)件(jian)(边界条(tiao)件(jian)和应力条(tiao)件(jian))下(xia),其初始(shi)形(xing)状(zhuang)的(de)确定、在(zai)外(wai)荷载作用下膜中应力分(fen)布(bu)与(yu)变(bian)形以(yi)及(ji)怎(zen)样用二(er)维(wei)的(de)摸(mo)材(cai)料(liao)来模(mo)拟三(san)维的空间(jian)曲(qu)面等(deng)一(yi)系列(lie)复(fu)杂(za)的问题,都(dou)需要有(you)计算来确定,所以张拉膜(mo)结(jie)构(gou)的(de)发(fa)展离(li)不开计算机(ji)技(ji)术的进(jin)步(bu)和(he)新算(suan)法(fa)的(de)提(ti)出。

          目(mu)前(qian)国(guo)外(wai)一(yi)些先进的(de)摸结构设计(ji)制作(zuo)软(ruan)件已非(fei)常完(wan)善(shan),人(ren)们(men)可(ke)以通过图(tu)形(xing)显示(shi)看到(dao)各(ge)种初(chu)始(shi)条(tiao)件(jian)和(he)外荷(he)载(zai)作用(yong)下(xia)的(de)形状与变(bian)形,并能(neng)计算任(ren)一点的应(ying)力(li)状(zhuang)态(tai),使(shi)找(zhao)形(xing)(初始形(xing)状分(fen)析)、裁剪(jian)和受(shou)力(li)分析集成一(yi)体(ti)化,使(shi)得(de)膜(mo)结构(gou)的(de)设计(ji)大为简便,它(ta)不但(dan)能分(fen)析(xi)整个(ge)施工过(guo)程中各(ge)个(ge)不同(tong)结构的稳(wen)定(ding)性和(he)膜中(zhong)应力,而且(qie)能(neng)精(jing)确计算由于调(diao)节(jie)索或柱而产生的(de)次(ci)生应力,完(wan)全可以(yi)避免(mian)各种不利荷载(zai)式况产(chan)生的(de)不(bu)测(ce)后(hou)果膜(mo)结(jie)构

          因此计算机(ji)技术的迅(xun)猛(meng)发(fa)展为(wei)张拉(la)膜结(jie)构(gou)的(de)应用(yong)开(kai)辟了(le)广(guang)阔(kuo)的(de)前景(jing)膜(mo)结构(gou) 。而(er)特(te)氟隆摸材料(liao)的(de)研(yan)制成功(gong)也(ye)极大地推(tui)动了(le)张拉(la)膜(mo)结构的(de)应(ying)用。比较著(zhu)名(ming)的有沙(sha)特(te)阿拉伯(bo)吉达国(guo)际(ji)航空港(gang)、沙特阿拉(la)伯利(li)雅(ya)得(de)馆、加拿大林德(de)塞(sai)公园水族(zu)馆、英国温(wen)布尔(er)登(deng)室(shi)内(nei)网(wang)球(qiu)馆(guan)、新丹佛(fu)国(guo)际(ji)机场等。

          膜结(jie)构(gou)的设计主要(yao)包括体形设(she)计(ji)、初始(shi)平衡(heng)形(xing)状分(fen)析、荷(he)载(zai)分(fen)析(xi)、裁剪分析等四(si)大(da)问题膜结构 。通过体(ti)形设(she)计(ji)确定建(jian)筑平面形(xing)状尺(chi)寸(cun)、三(san)维(wei)造(zao)型(xing)、净(jing)空(kong)体(ti)量,确定(ding)各控制点的坐(zuo)标(biao)、结(jie)构形(xing)式(shi),选用膜(mo)材和施工方(fang)案(an)。初始(shi)平衡(heng)形(xing)状(zhuang)分析就(jiu)是(shi)所谓(wei)的找(zhao)形分(fen)析。由于(yu)膜(mo)材料(liao)本身(shen)没(mei)有(you)抗压和抗(kang)弯(wan)刚(gang)度(du),抗剪(jian)强主芤很差,因此(ci)其刚度和稳(wen)定(ding)性(xing)需(xu)要靠膜(mo)曲(qu)面的曲(qu)率变化和(he)其中预(yu)应(ying)力来提(ti)高,对膜结(jie)构(gou)而(er)言,任(ren)何(he)时(shi)候不存(cun)在(zai)无应力(li)状(zhuang)态(tai),因此(ci)膜(mo)曲(qu)面(mian)形(xing)状最(zui)终必(bi)须满(man)足(zu)在一定边(bian)界(jie)条(tiao)件(jian)、一(yi)定预(yu)应力(li)条件下(xia)的力(li)学(xue)平衡(heng),并(bing)以此(ci)为(wei)基准进(jin)行(xing)荷载分(fen)析和(he)裁剪(jian)分析。

          目(mu)前(qian)膜结构(gou)找(zhao)形(xing)分析的(de)方(fang)法(fa)主要有动力(li)松(song)驰(chi)法、力(li)密度(du)法以及(ji)有(you)限单(dan)元法等膜(mo)结(jie)构(gou) 。膜结构考虑(lv)的荷(he)载(zai)一般是(shi)风载和(he)雪载(zai)。在(zai)荷(he)载(zai)作(zuo)用下(xia)膜材(cai)料的(de)变形较大(da),且随着(zhe)形状(zhuang)的(de)改变(bian),荷载(zai)分布也在改(gai)变,因此(ci)要(yao)精(jing)确计算结构的(de)变(bian)形(xing)和应力(li)要(yao)用(yong)几何(he)非(fei)线性(xing)的方(fang)法(fa)进(jin)行。荷载(zai)分(fen)析(xi)的(de)另(ling)一(yi)个目(mu)的是一确定(ding)索、膜中初(chu)始预张(zhang)力。

          在(zai)外(wai)荷载作用下膜中(zhong)一个方(fang)向(xiang)应(ying)力增(zeng)加而(er)另(ling)一个(ge)方向应(ying)力(li)减少,这(zhe)就(jiu)要求(qiu)施(shi)加(jia)初始张(zhang)应力(li)的(de)程(cheng)度(du)要满足(zu)在(zai)最不(bu)利荷载(zai)作(zuo)用下(xia)应(ying)力(li)不(bu)致(zhi)减少到零,即(ji)不(bu)出(chu)现皱(zhou)褶膜(mo)结构 。因为(wei)膜材(cai)料比较(jiao)轻(qing)柔,自(zi)振频(pin)率很低,在风荷(he)载作(zuo)用(yong)下(xia)极(ji)易(yi)产(chan)生风(feng)振,导(dao)致膜(mo)材(cai)料破坏(huai),如(ru)果初始(shi)预应力(li)施加过(guo)高,膜(mo)材(cai)涂(tu)变加(jia)大,易(yi)老化(hua)且强(qiang)度储备(bei)少(shao),对(dui)受力构件强(qiang)度(du)要(yao)求也(ye)高(gao),增加(jia)施工安装难度。

          因(yin)此(ci)初始(shi)预(yu)应力的(de)确(que)定要通过荷(he)载计(ji)算来确定膜(mo)结构 。经过(guo)找(zhao)形(xing)分(fen)析而(er)形成(cheng)的(de)摸结(jie)构(gou)通常为(wei)三(san)维(wei)不(bu)可(ke)展空间曲(qu)面,如何(he)通过二(er)维材料的裁(cai)剪(jian),张拉形(xing)成所(suo)需(xu)要(yao)的(de)三(san)维(wei)空(kong)间曲(qu)面,是整个(ge)膜结(jie)构工程中(zhong)最关(guan)键(jian)的一个(ge)问(wen)题,这正是裁(cai)剪分(fen)析的(de)主(zhu)要内容。

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