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膜结构发展综述 --理论、设计、施工

结构发展综述 --理论、设计、施工
  1. 引 言
  结构有重量轻,强度高,热膨胀系数小,耐太阳辐射等优点,是空间(航天)结构的首选形式,以碳纤维为基的聚酯薄膜如CFRP在太阳帆板,可展天线等方面得到广泛的应用。但该种材料价格昂贵,如1Kg CFRP在8000元左右,且材料都须进口,故在建筑工程中应用较少,只在一些发达国家或地区用来给重要建筑物或桥梁支柱进行补强。但以玻璃纤维为基的聚酯薄膜就便宜得多了,性能略差,但造价会大幅度下降。随着膜材料的开发,作为大规模、恒久的建筑物的机会也越来越多,凝聚着匠心的形状设计要求有特殊的技术。膜本身是柔软的,不具承载能力,要使其成为建筑不外两种方式,其一是充气,其二是支撑起来。支撑的方式有二,一为张力膜结构,二为索、杆支撑。以东京dome为首的大型空气膜结构已成为较成熟的技术,无论设计、施工等方面均有定式化的原则,二重空气膜结构在开启式丰田dome上也有成功应用。张力膜结构以89年韩国奥运体育馆为代表,现今已有几十座体育馆、游泳馆建成,尤其是2002年世界杯足球赛场韩国就有六个大型膜结构体育馆,日本十个赛场中也有几个是该种结构。张力膜的特点是膜要有初应力,使其张紧,才有承载能力,提供张紧力的机构无非是索、杆、梁等。
  2. 膜结构设计理论

  膜结构本身不具承载力,只有受到张拉时,且没有褶皱的条件下才能抵抗风、雪、雨等荷载。膜结构的初始设计是形状解析,即在某一个边界条件下,什么样的形状才是具有承载力的形状,理论上称为找形。经过近三十年的研究,形状确定问题主要有以下几种方法:基于最小曲面概念的有限元法,动力松弛法,力密度法。
     最小曲面法
  膜结构曲面是不能实现初期张力与自重平衡的曲面。初期张力与自重相比不是一个数量级,故可忽略自重而寻求平衡状态。该形态作为建筑物,必须是高稳定的曲面,在外载作用下不发生很大变形和应力集中,并使雨水、雪不滞留在其表面上。膜材是易松弛的材料,即使松弛在等张力状态下,形态也变化不小。等张力曲面中,边界内所围曲面面积极小,也叫极小曲面。
膜曲面在曲率增大时,风、雪等荷载将引起大变形。支撑膜的情况下,大曲率时风荷载引起曲率反转也时有发生,实际上最大风荷载时不允许某种程度的反转的设计还是相当困难的,故能耐该程度的反转的设计是必要的。

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