课件：第章-膜结构.ppt

建筑结构选型,吉林建筑大学,2,第九章 膜结构,第一节 概述,第二节 充气膜结构,第三节 支承膜结构,教学要求,了解膜结构的受力特点及其型式，掌握膜结构选型与布置,第四节 工程实例,3,第九章 膜结构,膜结构:,房屋建筑中的膜结构雏形,4,第九章 膜结构,膜结构:,膜结构(Membrane)是张拉结构发展来的一种建筑结构形式，由性能优良的柔软织物为材料，可以向膜内充气，由空气压力支撑膜面，也可以利用柔性的拉索结构或刚性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起，形成具有一定刚度，能够覆盖大跨度空间的结构体系。 薄膜结构被称为及砖石结构、钢筋混凝土结构、钢结构之后的第四代建筑结构形式。,5,第九章 膜结构,充气膜结构:,充气结构是向膜内充气，用空气压力支撑膜面，包括气压式，气承式，混合式，气枕式。（如图：1970日本世博富士馆）,6,第九章 膜结构,支承膜结构:,用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式，有柔性支承膜，刚性支承膜。（如图：威海体育馆）,7,第九章 膜结构,9.1 概述 9.1.1膜结构的特点,是建筑与结构完美结合的一种结构体系。膜材通过支承体系使膜承受张力，形成一定刚度的稳定曲面，力的平衡状态直接表现在结构的形状上。 膜材料具有良好的力学性能。膜材厚度小、一般厚度0.50.8mm，重量轻、自重约为0.020.15kN/m，抗拉强度高，可达1400N/m。 膜结构制作方便、施工速度快、造价低廉。工厂制作、工业化生产，工期可缩短1/21/4，造价可降1520%。 透光自洁、减少能耗、降低维修费用。透光率4%16%。,采用高强薄膜材料、加强构件（钢架、柱或索），内部产生一定的预应力，形成某种空间形状作为覆盖结构，并能承受一定的外荷载作用的结构形式。,8,第九章 膜结构,9.1 概述 9.1.1膜结构的特点,使用范围广、可拆卸、易运输。适用于广阔的地域，拆卸安装时间短。 总之：膜结构建筑外观飘逸，空间开阔灵秀、结构轻盈、透光阻燃、经久自洁、安装快捷、节能降耗、造价适中、维修简便。由于膜材造型运用很灵活，尤其使大跨距的建筑，特别能突显设计者的创意及设计要求。在奥运会、世博会等大型建设工程中，已经大显身手。,膜结构的主要缺点： 耐久性较差。最近几年，由于高强、防火、透光、耐久性好、 性能稳定的膜材的出现和应用，膜结构的设计寿命可达到20年以上。 膜结构张力具有连续性，局部破坏就会造成整个膜结构垮掉。 膜材隔热、隔声效果差。,9,第九章 膜结构,9.2 概述 9.1.2薄膜材料的组成和分类,膜材为基层与涂层的复合材料 基层为纤维编织物：受力结构 附着于基层上的涂层：密实、保护基层作用外，还有防火、防潮、透光 常用膜材类别： 第1类，聚酯纤性织物加聚氯乙烯（PVC）涂层 第2类，无机材料织物加聚四氯乙烯（PTFE）涂层 第3类，改进PVC膜材 第4类，ETFE膜材，号称软玻璃、塑料王,10,第九章 膜结构,9.1 概述 9.1.2薄膜材料的组成和分类,疏交错织法 附着性强、 抗撕裂强度高,密交错织法 高抗拉强度,平织法 薄， 抗撕裂强度极高,图9-1-1 薄膜材料,11,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构,充气膜对制作成一定形状的膜囊充气，施加张力，形成充气膜结构。 充气膜结构分类：气压式、气承式、混合式、气枕式,12,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.1 气压式膜结构 也称为气囊式或气胀式膜结构,结构受力特点：,型式分类：气肋式、气被式,保持气囊作用于高于大气压的气压，并使膜的每处都承受一定张拉力。,气肋式：由一个个充气囊（充气管）组成框架连成整体。,气被式：由两层薄膜之间充入空气，两层薄膜用线或隔膜连接。,是在若干充气肋或充气被的密闭空间内保持高于大气压的空气压力，以保证其支承能力的结构,13,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.1 气压式膜结构,图9-2 -1 气压式膜结构,图9-2-2 气压式空气薄膜结构的型式,结构形式：,结构构造：,气囊式膜结构,落地,搁置于墙上,14,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.1 气压式膜结构,波士顿艺术中心剧场,图9-2-4 富士组展览馆外形,15,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.1 气压式膜结构,图9-2-5 富士组展览馆平面图,图9-2-6 富士组展览馆纵剖面图,16,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.1 气压式膜结构,气压式膜结构的承载力依赖于气囊的构架型式、膜材特性及作用于气囊内的气压。 优点：建筑使用空间自由开放、造型灵活多样、隔热性好 缺点：气囊内工作压力高，对材料强度、气密性等质量要求高，造价高。 气肋式适用于小跨度 气被式的跨度要比气肋式大得多,17,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,气承式膜结构是通过鼓风系统向建筑物内充气，使室内外保持一定的压力差，并产生一定的预张应力，以保证体系的刚度，使覆盖膜撑起 。 膜与地面采用沙包或锚固索固定。,图9-2-7气承式膜结构,18,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,特点：建造速度快、结构简单、使用安全可靠、造价低、但建筑物入口需作一定处理（防止泄气过快），室内外压差对少部分敏感人有影响，跨度大时，要求膜强度高，易垮塌。,图9-2-8 拉索的布置,结构形式：拉索的布置 单向平行、双向交叉,承载力依赖于支承膜的气压、与地面锚固的手段及进出建筑的方式。需要长时间不间断的向室内送风。,19,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,日本第1届世界园艺博览会兰花馆太阳馆（圆形建筑）半径为75米，月亮馆（弧形建筑）最大跨度为40米。,20,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,图9-2-10 第一穹顶平面及立面图 图9-2-11 第二穹顶平面图,21,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,图9-2-13 东京充气棒球馆剖面图,22,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,图9-2-12 东京充气棒球馆鸟瞰图,23,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,图9-2-14 东京充气棒球馆看台剖面图,24,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,图9-2-15 气承式充气膜结构实例,25,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,气承式充气膜结构破坏实例,26,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.2 气承式膜结构,美国明尼阿波利斯的“大城市穹顶”在1981年11月膜结构充气后的三周，因为一次暴风雪在屋面上形成雪窝而下瘪，其后在1982年与1983年又两次发生过类似的事件，由此还引起了冗长的法律诉讼。 这些大大小小事故的产生，主要是由于空气膜所特有的 “袋状效应“，即膜表面上一旦积累了一些冰雪引起下凹,而下凹又招致了更多的冰雪，这样就造成恶性循环而导致膜材的破裂。在上述过程中，有时是由于热空气融雪系统不足,有时是由于空气加压控制失灵，甚至是管理人员操作上的失误，终于酿成事故。,27,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.3 混合式充气膜结构,形式： 气压式与气承式混合， 可克服气压式跨度小、 气承式易垮塌的缺点； 充气结构与其它传统 结构相结合，可变化 无穷。,图9-2-16 美国原子能 委员会流动展览厅,例：结构长90m，最宽处38m， 最高处18m，由双层涂乙烯基的尼龙薄膜建成，层间由1.2m的空气层，分8个气仓。马鞍形混合充气结构。,28,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.3 混合式充气膜结构,图9-2-17熊本县民综合 公园室内运动广场,29,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.3 混合式充气膜结构,图9-2-18 熊本县民综合公园室 内运动广场结构剖面图,30,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.3 混合式充气膜结构,熊本县民综合公冈室内运动广场双层空气膜系统图,31,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.3 混合式充气膜结构,32,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.4 气枕式充气膜结构,气枕膜结构由上下两膜片形成气囊，充气后形成一定形状的膜块状结构。 气枕膜一般尺寸较小，能形成密闭的、永久的充气膜结构，一般与网架一起形成结构。 充气提供气枕刚度承受外部荷载作用。,图9 -2-22气枕结构作为网架屋盖,33,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.4 气枕式充气膜结构,图9-2-20 矢跨比与主应力关系,1）气枕结构的受力性能,2）结构构造,主要荷载：风荷载、雪荷载、徐变内压变化：风、雪作用下，气枕体积减小、内压升高；温度变化，内压亦变化；徐变使体积增大，内压降低，影响结构承载力和刚度。,设计的核心问题：薄膜应力水平控制、内压水平控制。 与应力水平相关因素：膜材厚度、矢跨比、内压，应力随矢跨比的增大而减小。 设置内压监控系统、充放气系统,34,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.4 气枕式充气膜结构,3）工程实例 中国国家游泳中心：水立方，内表面覆盖面积12万m,采用ETFE膜材，寿命30年。气枕内压设计值250MPa，屋面积雪时内压可达500MPa,外凸矢高为气枕内切圆直径的1215%。,35,第九章 膜结构,9.2 充气膜结构 9.2.4 气枕式充气膜结构,3）工程实例：水立方,36,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构,支承体系对膜产生张力支承膜结构 结构形式： 柔性支承膜结构 刚性支承膜结构,37,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构,结构示意图,38,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构,结构示意图,39,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.1 柔性支承膜结构,图9-3-1 悬挂膜结构示意图,又称张拉式膜结构或悬挂式膜结构。 结构构造： 采用桅杆、拱、拉索等支承构件将薄膜张挂，利用柔性索向膜施加张力将膜绷紧，形成稳定的薄膜屋盖。造型新颖、适用于中小跨度建筑物。 一般采用负高斯曲率的曲面，使两个方向的曲率的薄膜纤维相互约束，自相平衡。,40,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.1 柔性支承膜结构,图9-3-2 桅杆支承点处的节点构造,图9-3-3 沙特阿拉伯法赫德国际体育场,支承方式： 由索或拱索产生的波状曲线支承；内部由莉桅杆或拉索所形成的点支承。,41,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.1 柔性支承膜结构,上海世博世博轴,42,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.1 柔性支承膜结构,43,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.1 柔性支承膜结构,44,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.1 柔性支承膜结构,图9-3-4 威海固铂成山体育馆,45,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,刚性支承膜结构又称骨架支撑膜结构，结构组成：利用拱、刚架、空间网格结构、张拉整体结构等刚性骨架支撑薄膜，实际是屋盖结构的覆盖层。 特点：大大减轻屋盖结构自重； 构造简单、宜于维修保养； 抗震性能好； 对膜材强度要求低。,46,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,结构构造,图9-3-5 骨架支撑膜结构,47,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,图9-3-6 上海八万人体育场,48,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,图9-3-6 上海八万人体育场,49,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,图9 -3 -7 上海八万人体育场屋盖结构和置示意图,上海八万人体育场：盖结构采用大悬挑钢管空间结构，由64榀悬挑主桁架和24道环向次桁架组成一个马鞍形屋盖，以薄膜作为覆盖层。屋盖投影面积长轴288.4短轴274.4m，中间有敞开的椭圆形孔215x150m。最大悬挑长度为73.5m，最短大悬挑长度为21.6m。膜覆盖面积达3600m。,50,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,利用交叉拉索和顶杆对薄膜施加预应力,交叉拉索,顶杆,51,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,52,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,利用交叉拉索和顶杆对薄膜施加预应力,交叉拉索,顶杆,53,第九章 膜结构,9.3 支撑膜结构 9.3.2 刚性支承膜结构,失效实例,54,第九章 膜结构,9.3 支撑