第5 章大跨空间结构新体系

第 5章大跨空间结构新体系

屋架、刚架、网架——成熟技术网壳、悬索——研究应用多，新技术膜、张拉——研究和应用热点，未知技术

第 5 章大跨空间结构新体系

五、膜结构五、膜结构

膜结构是指用柔性建筑织物膜作为屋面和围护材料的结构，柔性或刚性支承结构，新兴建筑结构，无公认分析计算理论。

第 5 章大跨空间结构新体系11、、形式和特点形式和特点

•重量轻 (约 1kg/m2)•使用年限约 15~30•自洁、透光和便于更换等•施工快，建筑造型多样，建筑结构一体化

需解决积水，积雪，保温，隔声问题。

第 5 章大跨空间结构新体系(1)特点

各种公共建筑如上海体育场，博螯会议中心，青岛颐中体育场

第 5 章大跨空间结构新体系(2)应用

青岛颐中体育场

博螯会议中心，

•充气 ——膜单层、双层、气肋，封闭结构，围护和支承一体化，最早发展， 70 年大阪博览会

东京穹顶跨度 204m


(3) 类型

充气：内压力（ 1/300~1/400 大气压 =1/3~1/4kPa ，平衡基本风压和雪压），平坦屋顶（保持风吸力），保持气压（封闭建筑），内部加热（融雪），漏气或降温塌瘪。现已改成张力膜。


• ——张力膜通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度并承担外荷载的结构形式。 80 年代开始发展


骨架支承膜结构是把一定形状的刚性骨架 (如空间网格结构 )作为膜材的支撑体系，从而使得结构形成整体，承受外荷载。膜材主要起围护作用。在这种结构体系的计算分析中通常不考虑膜材对支承结构的影响 ,因此骨架支承膜结构与常规结构比较接近。

•骨架支撑膜结构

• 连接：缝合，焊接，粘接，螺栓，拉链，束带，夹板

• 边界：钢索，钢管，扣件，锚栓，束带


索膜材料只可受拉 , 不能受压 ,受压或拉力为零将导致膜材出现皱褶

第 5 章大跨空间结构新体系22、膜、膜全过程全过程分析分析

找形分析，受力分析，裁剪分析

膜结构设计分析

初始形态分析

受荷分析

裁剪分析

建筑师、业主建筑效果

初始平衡形态

结构几何非线性分析结构响应特性

分析

工程师进行优化分析

建筑师业主索膜曲率和预张力的调整

膜结构设计分析框图

结构初始几何形体的确定和结构初始形状判定分析

1 ）结构的初始几何的确定是指在满足一定几何边界条件和曲面成形法则的条件下 , 采用数学的曲面拟合理论构造结构曲面

2 ）结构的初始形状判定分析是指在结构初始几何确定的基础上 , 求得一个满足力学平衡的结构初始形状和特定的预应力分布

第 5 章大跨空间结构新体系(1) 找形分析（初始形态）

复杂空间曲面，难以用解析函数表示

由建筑师根据建筑外形设计的构想和建筑内部功能要求给出一组离散的控制点和控制曲线，然后按照膜结构几何形状特点 , 选择适当的数学模型，利用特定的方法构造出满足结构几何边界条件和一定光滑连续要求的结构初始曲面


力密度法、动力松驰法、杆长修正法、支座位移法、控制点逼近法、遗传算法、最小膜面积法、形函数确定初始形状法


规则曲面有柱、锥、球、椭球、环、双曲面、抛物面、螺旋面等

不规则曲面有 Coons 曲面、 Bezier 曲面、 B 样条曲面

膜结构的外形都可以看作这些简单曲面一种或多种的组合常用一组离散数据来表示膜结构外形


比拟成形方法：移动不同的点或线 ( 边界或内部 )就能得到综合锥面和抛物面的不同形式的曲面形状

运用附加荷载来调整曲面形状，在膜面上施加均布荷载来调整膜面的曲率，在边界上施加集中力或线性均布荷载调整边界的形状


小应变，大位移非线性 ( 几何非线性 ) ，正交异性材料（材料非线性）有限元分析的方法计算特定膜结构的初始形状，采用三角形薄膜等参元，建立增量方程


设定控制点坐标和预张力分布状态，计算满足平衡条件的曲面，外荷载为零，取小弹性模量值，仅考虑几何非线性


平面状态有限元划分，给定平衡预张力和边界条件控制点加位移增量，解方程，至控制点。调整预张力和材料模量 (小模量 ) ，得到满足平衡条件和边界条件的曲面形状。判断折皱 : <0 ， E=0


大位移小应变的正交异性膜单元膜材高度的非线性 , 采用稠密网格划分的低精度单元比采用稀疏网格划分的高精度单元进行有限元计算具有更高的精度非线性方程组迭代收敛的条件和判断准则及褶皱区的判断和处理

第 5 章大跨空间结构新体系(2)受力分析（内力—变形）

二维平面材料，拼接张拉成三维曲面，零预应力状态剪裁缝合——空间曲面（可展，如柱面和锥面，或不可展，如球面，双曲面）展开成一个或多个平面力学几何裁剪过程：预应力空间曲面—— > 无应力状态空间曲面——> 展开成多个平面几何成形过程：多个平面缝合—— > 无应力状态空间曲面—— >张力学拉边界固定—— > 预应力空间曲面

第 5 章大跨空间结构新体系(3)裁剪分析（膜材下料）

几何过程：空间曲面由三角形网格描述，三角网格划分方法：测地线法—曲面上两点之间最短距离曲线平面相交法—平面与曲面的交线作为裁剪线


网格划分原则：曲面网格线与展开面网格线长度差最小，三角曲面与三角平面面积差最小，展开片最少

根据网格划分，试划分展开片

曲面节点坐标： K（ Xi， Yi， Zi ） , N 个节点三角曲面边长 Sk, M 条曲边展开面节点 (N 个节点 )坐标： k（ xi ， yi ），三角展开面边长 sk (M 条直边 ) 2

ij2

ijk -- yyxxs

长度差最小

0,0ii

2kk

yx

sSk

2N 个方程


应力释放：将空间曲面边界薄膜应力反加到展开面的边界上用三角膜单元计算展开面变形最终形状为裁剪面

精确裁剪分析

小块三角裁剪面精度高，展开面多条状裁剪面少，人工智能，优化剪面最少


目前常用的有聚酯和玻璃纤维织物，表面涂敷防护性能好的涂料，如聚氯乙烯 (PVC)、聚四氟乙烯 (Teflon)或有机树脂等。承重和围护作用。厚度 0.6~0.8mm，透光率 25%，阻燃或难燃非线性，正交异性抗拉强度： 0.6~1.2kN/cm宽≈ 100 ~ 200N/mm2

抗撕裂强度： 0.14~0.22kN/cm宽≈ 20 ~ 30N/mm2

第 5 章大跨空间结构新体系33 、膜结构的材料和节点构造、膜结构的材料和节点构造

典型的机械式节点连接

典型的膜周边连接

第5 章 大跨空间 结构 新体系

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