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【停车棚厂家】膜结构建筑设计的讨论

发表时间:[2013-7-18 9:37:55] 来源:www.upalela.com
1 膜结构的发展情况。
1.1膜结构是在上世纪中叶发展超来的一种新型材料、大跨度空间的结构形式。
   膜结构的设计基本完善于20世纪80年代和90年代的后期。膜结构的代表作有1988年日本建成的东京后乐园穹顶,它采用了充气膜结构,平台长180m的圆角正方形,最大对角线201,覆盖面积46755m2,采用了双层聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜材。1990年建成的美国圣地亚哥会议中心,其展厅膜结构由5个单体组成,每个单体由两根“飞柱”顶起,形成伞状,整个平面为91.5mX91.5m方正形。在我国上海1997年兴建的万人体育场,屋盖平面轮廓尺寸274mX288m,最大悬挑73.5m,覆盖面积26000m2,开创我国大跨膜结构的历史先河。经过近几年的快速发展我国的膜结构有了长足的发展,大约以每年20%的速度增长,膜结构的应用领域和使用年限逐渐地由临时性膜结构、半永久性膜结构到永久性膜结构过渡和发展。
1.1 膜结构的材料。
膜结构的材料决定膜结构的可靠程度与否,对结构使用的合理选择,以及新材料的应用,结构的耐久性和使用年限,均有着密切的关系,膜材的属性以及强度也是不可忽视的一个重要组成部分。
1.1.2膜材的种类。
  膜材种类主要分为三种,一是PTEF膜材,由聚四氟乙稀(PTEF)涂层和玻璃纤维基层复合而成;二是PVC膜材:由聚氯乙稀(PVC)涂层和聚酯纤维基层复合而成。三是加面层的PVC膜材在PVC膜材表面涂覆聚偏氯乙稀(PVDE)或聚氟乙稀(PVF)。三种性能优点为:PTFE膜材的材质好、价格也较高;PVC膜材应用广泛、价格适中。
1.2 膜材的物理性
1.2.1 膜结构的膜材是一种具有强度、柔韧性好的涂层织物材料。
1.2.2 具有力学性、光学性、声学性、防火性、保温性、自洁性。
1.2.3 膜材的力学性、膜材的材料应力是平均分布在所有面积上,不是集中在一点上。力学特性是:抗拉强度高,抗压刚度和抗变为零,属于非线性和各项异向性的材料,同时也容易发生徐变和应力松弛现象。
2 膜结构的荷载。
2.1 膜结构的荷作用。
2.1.1 膜结构的荷载中主要考虑钢结构部分荷载,效应组合问题应按《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)进行设计。
2.1.2 作用于膜结构的荷载应考虑永久荷载、活荷载、风荷载、雪荷载及初始预张力等等。
3 膜结构的设计。
3.1 膜结构的一般设计原则。
3.1.1膜结构的设计计算与传统结构有明显区别,一方面膜结构属于柔性张拉结构,必须通过施加初始张力才能获得结构刚度。另一方面,膜结构的表面形状为空间曲面,形状比较复杂,属于可展曲面,因而存在将平面膜材经过裁剪构成空间曲面问题。
3.2.1 膜结构设计计算包括初始形态分析、荷载效应分析与裁剪分析三大部分。
3.2.2 初始形态分析为:确定的初始曲面形状及该曲面相应的初始预应力分布。
3.2.3 荷载效应分析指对结构在荷载作用下的内力,位移进行计算。
3.2.4 裁剪分析是将薄膜面划分为裁剪膜片并展开为平面裁剪下料图的过程。
4 膜结构的计算。
4.1 膜结构的计算方法。
4.1.1 主要有三种计算方法:力密度法、动力松弛法、非线性有限元法。
4.1.2 力密度法是将薄膜结构离散为由节点和杆件组成的索网结构,在给定的几何拓扑、支座位置及力密度值(索力与索长比)下,求解节点坐标的线性方程组后求得结构的变形。
4.1.3 动力松弛法是将薄膜结构离散为节点之间的连接单元,对各节点施加激动力产生振动,然后跟踪各节点的振动过程直至最终求得结构平衡状态。
4.1.4 非线性有限元法是将薄膜结构进行有限元离散分析,以过求解大位移小应变几何非线性有限元方程,求得膜结构的内力和变形。
5 膜结构A应力和结构安全。
5.1 膜结构的允许应力和安全系数。
5.1.1 膜结构是一种新型的建筑结构形式,它在荷载作用下,内力变形比较复杂,设计计算当中应尽量避免膜材出现较大应力导致过大的变形。
5.1.2 根据国内外的经验和国际标准,膜结构的设计一般采用允许应力法对膜材的应力来控制,即荷载作用下的膜材应力不大于材料的允许应力,允许应力则由膜材的抗拉强度除以安全系数求得。
Σ
式中:σ——膜材中的应力
fu——膜材的抗拉强度
K——安全系数
5.1.3 因为膜材的生产条件、质量等原因,膜结构对材料的要求比较高,不能有缺陷,因此根据国内外经验,长期荷载作用下取K=8,短期荷载作用下取K=4。
6 膜结构几何与材料的非线性问题。
6.1 膜结构中的索和膜材料均属柔性材料,只能承受拉力而不能承受压力、弯矩等作用。所以膜结构是主要通过变形(曲率变化)来平衡外荷载,即必须考虑结构的几何非线性效应,近似的可以按弹性材料考虑。这样大大简化膜结构的设计。
7 膜结构的边界问题。
7.1 膜结构的边界条件。
7.1.1 膜结构计算模型的边界支承条件取决于膜材与边缘构件,分柔性索和刚性构件。假定固定支承或弹性支承。
7.1.2 假定骨架支承的结构刚度很大,可以将膜材支骨架处的连接认为是固定支承边界,在一般情况下,可以将膜材与承骨架的连接处认为是弹性支承。
7.1.3 膜结构支承骨架影响计算中主要考虑刚度问题,对支座反力和支承骨架进行计算。防止过大变形产生较大位移的发生。
8 膜材使用。
8.1 膜材的松弛的褶皱。
8.1.1 膜结构中膜材松弛,会导致结构刚度降低,尤其是在风荷载作用下容易出现剧烈振动,使用结构受力大幅度增加,导致膜撕裂,结构破坏。
8.1.2 膜材的松弛所引起的褶皱,会影响膜结构美观和排水性能。
8.1.3?摇在正常使用状态下,膜材不应出现松弛与褶皱现象。
8.1.4 如果出现膜结构松弛和褶皱,说明不能满足正常使用,需重新进行初始化形态分析。
结束语:膜结构是一种全新的建筑结构形式,它集建筑学、结构力学、化工材料力学、计算机使用技术为一体。它具有很高的科技含量,它的优美曲面形态,体现了建筑美感,同时映证和体现了以人为本,自然与人,动静结合,天人合一的生态和谐思想,也可以成为最有吸引力、标志性建筑。
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