膜結構設計
膜結構的設計主要包括體形設計、找形分析、荷載分析、裁剪分析等
四大問題。
1)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。
2)找形分析又稱為初始形態分析,主要內容是尋找并確定一個滿足膜
內力平衡條件同時又接近設計者預想造型的曲面。由于膜材料本身沒有抗
壓和抗彎剛度,抗剪強度也很差,因此其剛度和穩定性需要靠膜曲面的曲
率變化和其中預張應力來提高,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弛法、力密度法、以及有限單元法等。
3)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。
4)剪裁分析就是在預應力狀態下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置
及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開為二維平面。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,膜材徐變加大,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
的膜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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