（土木工程专业论文）充气膜结构的找形分析和裁剪分析.pdf

摘要 摘要 膜结构是2 0 世纪中期出现的一种新型空间结构形式，它所能创造的丰富多 彩的外部建筑造型是其他建筑结构所不具备的，因此自从它发展成为一种结构 形式以后就被广大的建筑师、结构师广泛的应用于大型的体育场馆、展览场馆 等空间结构体系中。 充气膜结构是一种较早出现的膜结构形式，在上个世纪七八十年代，曾大 量的用于日本、美国等发达国家的体育场馆和展览场馆中。虽然它自身存在一 定缺点，使得它在近几年的发展和研究受到一定程度的影响，但是随着科学技 术的进步，尤其是气压控制系统等设备的改进，相信在不久的将来充气薄膜结 构会得到新的发展。 本文首先对充气膜结构的特点以及所使用的膜结构材料及其性能进行了介 绍，并概述了充气膜结构的整个分析过程一找形分析、荷载分析和裁剪分析。 文章着重讨论了充气膜结构设计过程中最为关键的两个环节一找形分析和裁剪 分析。其中对找形分析过程中几种常用方法的原理进行了阐述，并讨论了它们 各自的优缺点及其适用性、相关性。 本文还就目前通用的大型有限元软件a n s y s 对充气膜结构进行了非线性有 限元方法的找形分析。在a n s y s 找形分析过程中，膜内初应力通过温度变化来 调节，采用小杨氏弹性模量的方法加快找形分析的收敛速度。文中给出了几个 典型算例，通过算例分析和比较可以得出找形分析过程中充气气压、膜内初应 力以及绳索预拉力对充气薄膜找形分析的影响。 裁剪分析是充气膜结构设计过程另外一个关键的步骤。不准确的裁剪分析 可能会使得最终拼接成型的膜结构不能达到建筑师预期的建筑造型，在膜表面 出现褶皱，甚至是出现膜材的破裂、膜结构整个体系的坍塌等严重破坏性后果。 本文就裁剪分析过程中裁剪线的确定方法进行讨论，并对膜曲面的展开进行了 分析，提供了两种方法一几何展开法和等效有限杆单元方法，并编制了几何展 玎方法的v b 程序，进行了算例分析。 关键词：充气膜结构，找形分析，裁剪分析， 褶皱，几何展丌方法，等效 宵限卡下单元方法 a b s t r a c t a b s t r a c t m e m b r a n es t r u c t u r ei san e wk i n do fs p a c es t r u c t u r es t y l e sa p p e a r e di nt h e m i d d l ep e r i o do ft h e2 0 t hc e n t u r y i tc a nc r e a t el o t so fc o l o r f u lo u t e ra r c h i t e c t u r e s h a p e s w h i c ha r e q u i t e d i f f e r e n tf r o mo t h e rs t r u c t u r es t y 7 l e s t h e r e f o r e ，s i n c e m e m b r a n es t r u c t u r eh a sb e e na c q u a i n t e da n dd e v e l o p si n t oak i n do f s t r u c t u r es t y l e ，i t h a sb e e nw i d e l yu s e db yl o r so fa r c h i t e c t sa n dc i v i le n g i n e e r si nt h es p a c es t r u c t u r e b u i l d i n g ss u c ha sl a r g eg y m n a s i u m s ，s t a d i u m s ，e x h i b i t i o nh a l l sa n d e t c p n e u m a t i cm e m b r a n es t r u c t u r ei sa ne a r l i e rm e m b r a n es t r u c t u r es t y l e ，w h i c h h a sb e e nm a i n l yu s e di nt h es e v e n t i e sa n de i 【g h t i e sl a s tc e n t u r yi ne x h i b i t i o nh a l l sa n d s t a d i u m so ft h ed e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c ha sj a p a n ，u s a a n ds oo n t h o u g hi th a s s o m es h o r t c o m i n g si ni t s e l f , w h i c ht os o m ed e g r e eh a sm o r eo rl e s si n f l u e n c e di t s d e v e l o p m e n ta n df a r t h e rr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s ，w ew o u l db e l i e v et h a t ，w i t ht h e p r o g r e s so f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ys p e c i a l l yt h ei m p r o v e m e n to fe q u i p m e n ts u c ha s t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea t m o s p h e r i cp r e s s u r ea n de t c p n e u m a t i cm e m b r a n e s t r u c t u r ew i l ls t a r tan e wd e v e l o p m e n ti nt h en e a rf u t u r e t h ec h a r a c t e r i s t i co fp n e u m a t i cm e m b r a n es t r u c t u r ei sd e s c r i b e di nt h ep a p e r t o g e t h e rw i t hs o m ek i n d so fm e m b r a n em a t e r i a l sa n dt h e i rp e r f o r m a n c e t h ep a p e r a l s og e n e r a l i z e st h ew h o l ea n a l y s i sp r o c e s so fp n e u m a t i cm e m b r a n es t r u c t u r e i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so ff o r m - f i n d i n g ，t h ea n a l y s i so f f o r c el o a da n dt h ea n a l y s i so f t h ec u t t i n g p a t t e r n i nt h ep a p e r , i te m p h a s i z e st h ea n a l y s i so ff o r m - f i n d i n ga n d c u t t i n g p a t t e r n ，w h i c ha r et h et w ok e ys t e p si nm e m b r a n es t r u c t u r ed e s i g n s t h ep a p e r g i v e ss e v e r a lf o r m f i n d i n gm e t h o d sa n d t h e i rp r i n c i p l e s ，a n da l s od i s c u s s e st h e i ro w n p l u s e sa n dm i n u s e s ，s u i t a b i l i t ya n dr e l a t i v i t y ， b a s e do nt h en o n 1 i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ea n a l y s i so ft h ef o r m f i n d i n g o fp n e u m a t i cm e m b r a n es t r u c t u r ei sc a r r i e do nw i t ht h eh e l po ft h es o f t w a r ea n s y s d u r i n gt h ec o u r s eo ft h ea n a l y s i s ，t h ep r e s t r e s so ft h em e m b r a n ei sr e g u l a t e dt h r o u g h t h ec h a n g eo ft h et e m p e r a t u r e i no r d e rt oi n c r e a s et h ec o n v e r g e n c es p e e d ，y a n g e l a s t i cm o u l di sg i v e nm u c hs m a l l e rc o m p a r e dw i t ht h er e a lv a l u e t h ep a p e rp r o v i d e s s e v e r a lt y p i c a le x a m p l e so ft h ef o r m f i n d i n go ft h ep n e u m a t i cm e m b r a f l es t r u c t u r e a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ee x a m p l e s ，w ec a na l s ob ea c q u a i n t e d w i t ht h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，t h ep r e s t r e s so ft h em e m b r a n e ，a n dt h e a b s t r a c t t e l _ l s ef o r c eo f t h ec a b l ei nt h ea n a l y s i so f f o r m - f i n d i n 8 t h ea n a l y s i so ft h ec u r i n g - p a t t e r ni sa n o t h e rk e ys t e pi nt h ed e s i g n i n go ft h e p n e u m a t i cm e m b r a n es t r u c t u r e t h ei n a c c u r a t ec u t t i n g p a t t e mm a yi n c u rt h a tt h e s h a p eo f t h em e m b r a n ea r c h i t e c t u r ec a n tm e e tt h ea n t i c i p a t e dn e e d so f t h e a r c h i t e c t s w h a t sm o p e i tm a ya l s oc a u s et h a ti ta p p e a r sf o l di nt h em e m b r a n es u r f a c e i ti s m o r es e r i o u st h a tt h et h e r ei ss o m ec r a c ka n de v e nm o r ed e s t r u c t i v et h a tt h ew h o l e m e m b r a n es t r u c t u r e s y s t e mc o l l a p s e s i td i s c u s s e st h ed e f i n i t em e t h o d so f c u t t i n g p a t t e r nl i n e si nt h ep a p e ra n da l s os o l v e st h ep r o b l e m st oe x p a n s i o no ft h e m e m b r a n ec u r v e ds u r f a c e t h ep a d e ro f f e r st w ok i n d so fm e t h o d s ：t h eg e o m e t r i c m o d e l i n gm e t h o do fe x p a n s i o na n dt h ee q u i v a l e n tf i n i t eb a re l e m e n tm e t h o d ，a n da l s o w o r k so u tv bp r o g r a m m e st ot h eg e o m e t r i cm o d e l i n gm e t h o do fe x p a n s i o n ，w h i c h h a v e c a r d e do nt h ea 腿l y s i so f t h ee x a m p l e k e y w o r d s ：p n e u m a t i cm e m b r a n es t r u c t u r e ，t h ea n a l y s i so ff o r m f i n d i n g ，t h ea n a l y s i s o fc u t t i n g p a t t e r n ，f o l d ，t h eg e o m e t r i cm o d e l i n gm e t h o do fe x p a n s i o n ，t h ee q u i v a l e n t f i n i t eb a re l e m e n tm e t h o d 【“ 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：随髦，强二 h 乡年害月) - o 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名 论文作者签名：雨墼强二 of 年3 月2 p 日二脚岁年弓月知 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：两、囊、建 知5 年弓月为目 第1 章绪论 1 1 膜结构的发展历史 第1 章绪论 膜结构( m e m b r a n e ) 是2 0 世纪中期发展起来的一种新型建筑结构形式，它是 由多种高强薄膜材料( p v c 或t e f l o n 等) 及加强构件( 钢架、钢柱或钢索) 通过一 定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，作为覆盖结构，并且 能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。目前己被广泛应用于体育设施、 交通设旌、商业设施、娱乐设施等各类建筑中。 膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。充气膜结构是靠室内不断 充气，使室内外产生一定压力差( 一般在i o m m - - 3 0 m m 水柱之间) ，室内外的压 力差使屋盖膜布受到一定的向上的浮力，从而实现较大的跨度。张拉摸结构则 通过柱及钢架支承或钢索张拉成型，其造型非常优美灵活。其中充气膜结构按结 构组合形式可分为气承式充气膜结构和气肋式充气膜结构，前者为低压体系， 后者为高压体系；按薄膜构成也可以分为单层膜结构和双层膜结构；按有无索 支承的情况，可分为有索支承膜结构和无索支承膜结构等等。 充气膜结构最早是由英国工程师w i l l i 锄提出的，但由于技术条件等原因， 他所构思的充气膜结构并没有成为真正的使用产品。直到1 9 4 6 年美国工程师 w a l t e rb i r d 设计并建造了世界上第一个充气膜结构一一座直径为1 5 m 的充气穹 顶。它就是为美国军方所用的既可以保护雷达不受气候侵袭，又可让电波无阻 的通过的雷达罩棚。1 9 6 7 年第一届国际充气结构会议在德国的斯图加特召开 这给刚刚起步的充气结构的发展注射了兴奋剂。随后在1 9 7 0 年的日本大阪博览 会上出现了许多充气膜结构的优秀作品，如川口卫设计的富士馆( 图1 1 ) 、g e i g e r 和b i r d 设计的美国馆、广岛巨浪馆( 图1 2 ) 等。这些充气建筑反映了充气建 筑史上的阶段性成就，它们可与以前一些博览会中的先驱建筑物，诸如1 8 5 1 年 伦敦博览会的水晶宫、1 8 8 9 年巴黎博览会的埃菲尔铁塔、1 9 6 7 年的蒙特利尔的 德国展览馆等相提并论。此次大阪博览会系统地、商业性地向外界展示了充气 膜结构一不同于以往常规建筑使用的是劲性结构，而是采用新型的柔性结构， 这足建筑业的个转折，。次革命， j ：志着劲性结构向柔性结构转变的丌始， 第1 章绪论 之后，充气膜结构建筑相继出现在大中型体育场馆以及展览场馆中，得到世人 的瞩目以及束自社会更多的关注其中典型的有：1 9 7 3 年美国加利福尼弧州圣 兜拉勒人学活动中心( 图1 3 ) 、1 9 7 5 年美国密歇投州庞蒂亚克“银色穹项”、 】9 8 8 年建造的东京后乐园棒球馆( 图1 4 ) 等等。 圈1 1 富十馆 h1 2 j 、岛巨浪馆 图1 3 圣克拉勒大学活动中心 图1 4 东京后乐园棒球馆 然而，充气膜结构作为大跨度体育场馆屋顶，由于在恶劣天气时维护不当， 曾出现过多次事故。轻者屋面下瘪，重者膜材被撕裂，砸坏了下面的设旌，这 些事故虽然只造成了一些财产损失，并没有人员伤亡，但在公共建筑中屋面问 题，还是引起了公众的关注。同时，充气膜结构在使用过程中需要不断能源供 应，致使运行维护费用高；空压机与新风机的自动控制系统和融雪热气系统隐 禽事故率高：室内过大的超压环境下人体的排汗、耗氧与舒适性等问题没能很 好解决，这些甚至导致了人们对充气膜结构提出了疑问。因此，在上个世纪8 0 第1 章绪论 年代末至9 0 年代初之后，张拉膜结构体系更多地被大家关注，各式各样的张拉 膜结构建筑比如大型体育场馆和展览馆逐渐地展现在大众面前，膜结构的发展 经历了一个新的阶段一张拉膜结构，各种新的、优美的建筑造型得以实现。膜 结构作为一种奇特的空间结构，逐渐的被人们所熟悉，掌握并得以在全世界范 围的建筑中得以运用和发展。当然，充气膜结构由于能耗等问题，在之后的建 筑中不是经常采用，但由于它本身具有的各种有点，如本身的造价费用低，1 0 1 5 年左右建筑物的性价比高：多种多样的建筑设计造型也是其他结构所不能 媲美的。对膜结构能否用于永久性建筑上一向比较慎重的日本，也在t _ 9 8 8 年建 造的东京后乐园棒球馆( 图1 4 ) 设计中采用了气承式加索混和充气膜结构。其 主要特点是在屋顶上采用了先进的自动控制系统，同时屋面膜材为双层，其问 有循环的熟空气，以融化积雪，中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、 膜和索的变形及内力，并自动选择最佳方法控制内压和消除积雪，确保了膜结 构的安全使体育场馆f 常运行。混和充气索膜结构使轮式索结构和双层充气 膜结构结合在一起，形成安全度极高的穹项结构，是膜结构的最新发展形式。 1 9 9 7 年建成的熊本公园穹顶采用的就是混和充气膜结构形式。由于膜有索的附 加支承，即使膜漏气，也不会有结构物坠落的危险。混和充气膜结构的出现为 充气膜结构带来了新的发展机遇。 虽然我国在膜结构的科学研究和设计施工方面与其他工业发达的国家还有 很大的差距，但是也要高兴地看到一点自上个世纪末以来我国科研人员和工 程设计人员也开始加大了对膜结构方面的研究，弥补了国内在这方厩的空白， 自行设计并建造了一些气承式膜结构如游泳馆和一些临时性的展览馆等。北京 武警基地游泳馆为3 0 2 6 m 矩形平面，结合场地情况，一个角设计成半径l o m 的圆弧，建筑面积约1 0 7 5 m 2 ，定点高度1 2 m ，外观类似半椭圆形，因游泳馆位 于湖畔，选用自绿相间的膜材料与碧水绿茵既协调又削弱了它的体量。采用单 层充气结构，室内始终保持正压差。膜材选用国产高强度涤纶丝涂敷p v c ，预 计使用年限在1 0 年以上。该游泳馆是国内自行设计、自行施工建成并投入使用 的第一幢充气膜结构，为国内发展充气膜结构建筑开创了先河。自上个世纪9 0 年代至今，国内也兴建起了各式各样的张拉膜结构，比较早的如一i 二海八万人体 育场等等。进入2 l 世纪以后。特别是随着2 0 0 8 年北京奥运会以及上海2 0 1 0 年 的世界博览会的到来，各种膜结构工程也在中国大地上遍地开花。比如令人关 | i = 的“鸟巢”方案以及奥运会游泳中心的“水立方”工程等，也都采用r 膜结 第l 章绪论 构。相信中国膜结构的明天是非常光明的。 1 2 充气膜结构的特点 充气膜结构是以柔性膜材( p v c 、p f f e 、e t f e 等) 在菜种有压差的气体( 通 常为空气) 作用f ，形成具有稳定形状及一定刚度的结构形式。充气膜结构通 常分为气承式膜结构( a i r - s u p p o r t e ds t r u c t u r e s ) 和气肋( 气囊) 式膜结构( a i r - i n f l a t e d s t r u c t u r e s ) 。 气肋式膜结构通过向一特定形状的封闭式气囊内充气，使之形成具有一定 的刚度的结构或构件，因此气肋式膜结构使用空间不需要施加压力。但充气肋 内的工作压力为02 一o 7 m p a ，属高压体系。而气承式膜结构则是靠不断的向膜 内鼓风，靠气压差支承膜材，气压一般为2 0 0 p a - - 7 0 0 p a ，属低压体系。气肋式 膜结构形式应用跨度较小，传递横向力的结构功能较差，对膜材的质量及构件 的密封性要求较高，所以只适用于要求快速装拆，重量轻和运输体积小的帱况。 当然气肋有个重要的特点就是它的形状在一定程度内能适应外力的作用，因此 也适宜作索网和其他薄膜结构的支承构件，因为这种结构的形状和拉力常有较 大的变化，如果表面拉力增加了，那么支承接触面也就能扩大。 气承式膜结构具有建造速度快、结构简单、使用安全可靠等优点，因此近 年柬在不同领域内仍有较为广泛的应用。但是在气承式膜结构中，内压应看作 是抵抗外荷载作用的一个系统内压对结构承受荷载及使用是必须的，因此需 要不时对结构内充气以保持内外压差。内压的大小取决于薄膜的几何形状、荷 载和容许变形值，保证结构不在气流中飘动并要防止产生皱褶。因此在气承式 膜结构在使用过程中，要求配备有充分数量的供气设备( 包括风扇、驱动装置 和控制装置) ，以确保当某一个设备出现故障时，充气系统有足够的后备力最来 满足结构的使用要求。每一充气系统应具有一定的工作性能，以保证( t ) 能够 产生漫计范围内工作压力；( 2 ) 能够满足室内空气质量的要求和烟处理要求；( 3 ) 补充j r 常的气压损失；同时还应保证每个充气系统所产生的最大总压力不应趣 过设计最太妪力，以免造成膜利的强度破坏。另外考虑到气承式膜结构的密闭 性要求，在结构中应避免使用有孔洞的部件，而进m 口是造成结构内空气泄漏 的，1 ：要原因，因此在进出口处应采用特殊的形式，以使人员或物资在出入时尽 町能不漏气，减少压力损失， 般情况应使用旋转门或气密室束实现。 第1 章绪论 “袋状效应”是以往充气膜建筑结构发生事故的一个主要原因。“袋状效应” 即膜表面上一旦积累了些冰雪就可能引起膜面下凹，而下凹处又招致更多的 冰雪堆积，这样就造成了恶性循环丽导致膜材的破裂。由此可见，气承式膜结 构对局部雪荷非常敏感，因此对膜结构进行受荷分析时应考虑局部不利雪荷载 的影响。另外可以参考美国气承式膜结构规范，采用提高内压、采用融雪设备、 用绳索滑移或振动等方法处理堆雪。 充气膜结构相对其他一些建筑结构丽苦，除了要考虑雪荷载影响的“袋状 效应”之外，还要更多的考虑风荷载的影响。其中包括风压( 风吸力、风压力) 、 风振的影响以及风载体型系数。这方面的研究还比较少，有待进一步的完善和 发展，同时还需要进行更多的实验和试验作为支持和验证。特别在一些特殊地 理位置的大型膜结构工程，更需要利用模型试验的数据和数值分析。 相比张拉膜结构而言，充气膜结构造价要便宜的多，即使对于气承式充气 膜结构算上建成后维护和管理费用，造价也较低，特别对于跨度相对较大的膜 结构而言( 跨度 t 2 5 0 米) ，它的经济优越性更加明显。有人算过如果佐治亚穹 顶改用气承式膜结构，其造价可节约近一半。 充气膜结构虽然有很多缺点和不足，可是作为一类有特色膜结构形式是不 可替代的，它带来的各种优美建筑物体形，也是各种各样的建筑造型设计所需 要的。此外充气膜结构在建筑业、农业、航空航天等领域也有很广阔的发展前 景。然而由于我国现阶段研究张拉膜结构的人员比较多，而对充气膜结构研究 的相对少一些，所以有必要对充气膜结构的初始形态分析、受荷分析、裁剪分 析等各方面进行研究。 1 3 膜结构材料及性能 现代膜结构工程是集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机科 学为一体的高科技工程。膜材料是膜结构工程中最重要的组成部分，它的作用 是与钢筋和混凝土等同的，被称为“第五代建材”。 用于膜结构中的膜材是一种具有高强度、柔韧性好的薄膜材料；它是由织 物基材( 玻璃纤维、聚酯长丝) 和涂层( p t e e 、硅酮、p v c ) 复合而成的涂层 织物。其中，基材是主要受力部分，起到承受和传递荷载的作用；而涂层除了 起到密实和保护基材的作用外，还有提供防火、防潮、透光等诸多功能要求。 第1 章绪论 一般的膜结构材料要求具有轻质、柔韧、厚度小、重量轻、透光性好：对自然 光有反射、吸收和透射能力；并且要求材料不燃、难燃或阻燃：具有耐久、防 火、气密良好等特性；表面景氟素处理( 涂覆p v f 或p v d f ) 的膜材、自身不发 粘、有很好的自洁性能。 基材的编织包括交叉穿织、平织和跳织。玻璃纤维一般采用交叉穿织，而 聚酯纤维一般采用平织。基材的性质决定了膜材的力学性质，如材料的抗拉强 度和撕裂强度等目前常用的基材有：聚酰胺合成纤维( 尼纶n y l o n 、锦纶d e d e r o n ) 、 聚脂合成纤维( 涤纶d i o l e n ) 、聚丙烯腈合成纤维( 腈纶d o l e n ) 、聚乙烯合成纤 维和玻璃纤维等。 丽涂层在很大程度上决定膜材的物理特性，提供材料的耐火性、耐久性、 防火性和自洁性等。常用的涂层有：聚氯乙稀( p v c ) 、聚四氟乙烯( 特氟隆t e f l o n ) 、 有机硅树脂( s i l l i c o n ) 、氯磺化聚乙烯( 海普隆h y p a l o n ) 。 常用建筑膜材包括： ( 1 ) p v c 膜材：由聚氯乙烯( p v c ) 涂层和聚酯纤维基层复合而成，价格适中， 易于加工、颜色多样且抗折叠性能好等优点，应用广泛，但由于它的强度低、 弹性大、易老化、徐变大且自洁性差，所以改材料一般仅用于临时性结构和可 折叠式薄膜结构。 ( 2 ) 加面层的p v c 膜材：在p v c 膜材表面涂覆聚偏氟乙烯( p v d f ) 或聚氟乙烯 ( p v f ) ，以提高p v c 膜材抗老化程度和自洁性，并使聚脂织物的使用寿命延长至 1 5 9 以上，得以在永久性建筑中使用。性能当然优于纯p v c 膜材，但价格相应 略高于纯p v c 膜材。 ( 3 ) p t f e 膜材：由聚四氟乙烯( p t f e ) 涂层和玻璃纤维基层复合而成。f f e 膜 材具有强度高、徐变小、弹性模量大、自洁性好、抗老化且不易燃烧等优点，品 质卓越，价格也较高，但该膜材不能折叠且要求裁剪精度也较高。 ( 4 ) e t f e 膜材：是一种乙烯一四氟乙烯的共聚物。e t f e 膜材是一种新型的膜结构 材料，具有抗拉强度高、不易被撕裂、耐候性和耐化学腐蚀性强、防火性能好、 光照性能好等优点，因此虽然目前只有少数公司掌握该项技术，价格也非常高， 年| 信这种材料的应用会有一个很好的明天。 膜材力学性能： 膜材的抗拉强度比较高，一般的p t f e 膜材的抗拉强度可以达到钢材的强度： 没有抗压强度，因此膜材不能受压，在膜材的应力不大于0 的部位就会产生褶皱。 第1 章绪论 膜材的弹性模量较低，抗弯刚度可以忽略不计考虑膜结构的几何非线性( 小 应变大位移) ，可以形成复杂的曲面造型。但是由于膜材具有定的材料非线性， 且一般假定膜材为f 交异性材料，结构设计中不应便两个主轴方向上拉力有较 夫差异，否则产生的应力集中可能造成膜材的破损，甚至形成孔洞以及使膜材 撅裂。膜材在运输和施工过程中的损伤、膜内应力长久作用和温度应力等诸多 因素影响，降低了膜材的强度。而膜材本身的徐变和松弛导致膜材内应力的降 低，也会使膜结构的的抵抗外荷载作用的能力下降。 膜材光学性能： 膜材料可滤除大部分紫外线，防止内部物品褪色。其对自然光的透射率很 商，透射光在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色 性，夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的 光辉，令人陶醉。当然，对于不同膜材，透光效果和性能也不一样，p v c 膜材 的效果相对是差一点的，在加上它本身的自洁性差，导致在膜面肮脏样，光 学效果很差。而p t f e 膜材和e t f e 膜材要好的多。 膜材声学性能： 一般膜结构对于低于6 0 h z 的低频几乎是透明的，对于有特殊吸音要求的结 构，可以采用具有f a b r a s o r b 装置的膜结构，这种组合比玻璃具有更强的吸音效 果。 膜材阻燃防火性能： 如今广泛使用的膜材料能很好地满足对于防火的需求，具有卓越的阻燃和 耐高温性能，达到法国、德国、美国、日本等多国标准。 保温性能： 单层膜材料的保温性能与砖墙相同，优于玻璃。同其他材料的建筑一样，膜 建筑内部也可以采用其他方式调节其内部温度。例如：内部加挂保温层，运用空 调采暖设备等。 膜材自洁性能： 对于膜结构来说，自洁性能也至关重要。这能使膜结构建筑能长期保持如 新，光泽耀人的呈现在大众面前。l ，v c 膜材最大的缺点就是自洁性差，在肮脏和 污染的环境受侵蚀后将变得污浊难看，透光率降低，并容易破坏涂层而影响膜 材的使用，因而只能用于一些临时性或半永久性建筑。而p t f e 膜材和经过特殊 表面处理的p v c 膜材具有相对很好的自沽性能，雨水会在其表面聚成水珠流下， 第1 章绪论 使膜材表面得到自然清洗。e t f e 膜材也具有非常强的自清洁功能，使灰尘不易 附在其表面，清洁周期大约为5 年。 膜材抗老化( 耐久) 性能： p v c 膜材的抗老化性能不高，所以一般寿命在5 一l o 年左右，常作为临时性 或半永久性建筑；而p t f e 和e t f e 膜材的抗老化性能较高，一般使用年限能达到 3 0 年以上，作为永久性建筑和大型场馆建设的材料。 1 4 充气膜结构分析过程 膜结构是一种新型的建筑空间结构，它不同于以往的一般刚性的建筑结构， 是以柔性结构体系来承受屋面风荷载和雪荷载等各种外荷载的作用。正由于膜 结构这种特点以及膜材的特殊性，充气膜结构设计分析过程也不同于以往的钢 筋混凝土和钢结构等的设计分析。 充气膜结构的分析过程包括：初始形态分析( 找形分析) 、荷载分析和裁剪 分析三部分内容。其中，找形分析和裁剪分析是膜结构分析过程的特殊所在， 也是关键所在。不准确的找形分析可能导致膜结构失去了作为结构体系的受荷 支承的效用；同样，不准确的裁剪分析也可能会使得最终拼接成型的膜结构不 能达到建筑师预期的建筑体形，在膜表面出现褶皱，甚至是出现膜材的破裂、 膜结构体系的坍塌等严重破坏性后果。在膜结构的设计分析中，三阶段相互影 响，联系十分紧密，国外有些学者提出了集成设计的思想，即同时考虑找形、 制作与受力。有一些理由和迹象表明：这样做可能更符合膜结构的特性，从而提 高设计的质量。虽然由于许多理论的问题尚待解决，集成系统还未达到实用的 阶段，但仍可不时看到关于这方面的研究，特别是将找形与裁剪结合起来。 充气膜结构分析的第一步是找形分析。充气膜找形分析是指对充气膜形态 的分析。所谓“形”就是几何意义上结构的形状，所谓“态”就是结构的内力 分靠状态。一种“形”对应于一种“态”，同样一种“念”也对应于一种“形”， i 目此，膜曲面形状与膜面上的预应力值的大小和分布是一一对应的。充气膜的 找形分析是结构设计人员按照建筑师所给定的建筑造型和使用功能等方面的要 求，采用调节膜内压、膜面初应力等方法构造出满足几何边界条件并且对应 f 一平衡内力状态的曲面。该曲面必须满足受力要求、建筑要求、平衡要求以 及充气张拉要求。当然，假如充气膜结构的跨度比较大，可以采用加强索，这 第l 章绪论 样就能使得受力更加合理，建筑造型更加新颖美观。对于有索加强的膜结构的 找形分析又多了一个影响因素就是加强索的拉力，这样就可以通过调节内压、 膜初应力、索拉力等获得满意的初始形态分析结果。 充气膜结构分析的第二步是荷载分析。荷载分析主要是考察结构在各种可 能的荷载作用下的工作性能以及结构是否能满足正常使用等要求。膜结构的控 制荷载为风荷载和雪荷载，由于膜材重量比较轻，因此地震荷载对膜结构的影 响不大。充气膜结构对风荷载比较敏感，特剐是大跨度的膜结构，受风荷的影 响就更加明显，风吸力、风压力以及风振的作用会使得膜内应力产生变化，因 此在风荷载作用下的合理体形是相当重要的。雪荷载的分析既要进行均布雪荷 载分析，也要进行局部雪荷载分析，其中特别是局部雪荷载的分析，因为局部 雪荷载可能会对充气膜结构产生非常不利的影响，就比如“袋状效应”将会导 致膜结构晟后的坍塌破坏。所以应当特别加强对充气膜内压的控制，这可以通 过智能监测系统的反应人为的调节，另外还得设置融雪热气系统以防雪荷载和 雨水荷载造成的“袋状效应”。 充气膜结构分析的第三步也是非常关键的一步就是裁剪分析。裁剪分析的 主要任务是把设计好的膜面分成细条，用以施工下料。必须在考虑预应力的施 加分布区、薄膜材料的性能、幅宽及单元的剖分策略的前提下，寻找合适的裁 剪线位置及其分布，计算二维膜材的剪裁下料图，还要考虑应力的释放以及膜 材的徐变等因素。裁剪分析的准确与否直接关系到找形分析和荷载分析的真实 性。如果剪裁分析做得不当，则按其放样的结果将极大地改变膜结构中原来的 应力分布，甚至膜材出现褶皱，从而改变结构的初始形状和受力性能。因此如 何用二维膜材近似拼接空间曲面是膜结构设计过程中的一个关键问题。 找形分析、荷载分析和裁剪分析是相互联系，相互影响，不可分割的。它 们之间联系的关键之处在于膜材的各向异性。膜材的各向异性使得在膜结构的 找形分析和荷载分析时就需要膜面的剖分信息，膜面裁剪线的改变将导致曲面 几何外形、单元划分的相应改变，直接影响到初始形态的确定和荷载的分析； 丽另外一方面，裁剪分析又需要找形分析的结果，不能视裁剪分析为孤立的施 工下料过程，有时，获得裁剪图后，有必要以拼凑后获得的几何为基础，重复 初始形态分析和荷载分析，以评估总体误差的影响。如果裁剪结果校核不通过 时，需要重新设定参数，循环找形分析、荷载分析、裁剪分析、判断的流程。 一钮无疑问，集成化设计将是未来的一个发展方向。 第1 章绪论 1 5 充气膜结构在我国的发展现状 与世界先进水平相比，中国膜结构的发展还存在着较大的差距。一种新结 构的产生与壮大，必须首先会设计并建立一定的理论基础。膜结构的设计计算 有一定的难度要考虑非线性分析、形状确定以及裁剪筹问题，除了理论与试 验研究外，还要有实用的计算机程序。目前在中国还没有专门的膜结构设计队 伍，而一般设计部门对膜结构也知之甚少。从七八十年代开始，已经有一些研 究单位和高等学校对膜结构进行研究，曾进行了膜材的力学特性试验、膜结构 的初始形状确定、非线性静力分析、剪裁分析及试验研究等。应该说，中国在 膜结构的开发上已建立了一定的技术储备，但问题是科研部门与生产实殴部门 还缺少紧密的联系，研究成果也很少被直接应用在生产实践上，并缺乏实用性。 致使些搞膜结构理论研究的硕士、博士在毕业后改行，放弃膜结构的研究工 作，非常可惜。 另外在膜材料的研究方面，目前虽然国内有好多厂家都能生产有p v c 涂层聚 脂织物，但其性能尚未能完全达到建筑织物的要求，作为建筑用的永久性材料 与国外厂家还存在一定的差距。 当前中国已出现了专门从事于膜结构制作与安装的企业，主要的有北京纽 曼蒂莱蒙膜建筑技术有限公司、北京市光翌空间膜技术工程有限公司等，它们 已经在国内建造了些膜结构工程。此外北京艾尔豪斯膜式工程研究所、天津 市康达膜材建筑工程有限公司、上海豪普空间膜结构技术工程有限公司也正在 向膜结构进军。这些专业化工厂的建立，对于推广膜结构非常有利。值得注意 的是，国外的建筑织物和膜结构的制造商也纷纷在中国设立办事处或代理商。 在膜材方面有法国的法拉力公司在膜结构方面有美国的鹏腾( b i r d a i r ) 公司、 澳大利亚的太平洋( s h a d es t r u c t u r e sp a c i f i c ) 公司、马来西亚的阿隆姆( a l o m ) 公司、德国的柯沃泰( c o v e r t e x ) 公司等。这充分说明国外的企业也十分重视中 国这片广阔的潜在市场。 在工程建设方面，自从六十年代在上海展览馆采用过一个临时性的气承式 宅e 膜结构之后，就没有什么进展，仅足在北京及上海曾进口过两个跨度不大 的气承式充气膜，分别用来覆盖网球馆和游泳馆。其他的充气结构就只停留在 充气玩具商。相比较张拉膜结构这几年迅猛的发展势头，充气膜结构则相对少 的多。1 ：过我国的t 程设计和旌工人员还是下了番苦功夫的，山我国自行设 第1 章绪论 计与安装的充气膜结构工程，虽然刚开始规模不大，随后向大面积、大跨度的 建筑发展，为我国的充气膜结构应用和发展开辟了光明的前途。1 9 9 5 年在北京 顺义和鞍山相继建造了两个气承式空气膜游泳馆，平面为3 0 m x3 6 m 。建筑面积 为1 0 7 5 m 2 ，顶点高1 2 m ，膜材选用国产高强度涤纶织物涂敷p v c 。与此类似的还 有一个2 4 m x3 6 m 的气承式膜结构用于生产车间、天津市规划展览馆的单层充气 膜结构等。 由于上个世纪9 0 年代以来科学研究和工程设计等各方面的人员投入张拉 膜结构大量的精力和财力，而缺少对充气膜结构的研究和实践，使得我国在充 气膜结构方面的理论成果和实践工程都显得很少。所以有必要对充气膜结构的 分析过程进行更多的了解和研究。 1 6 本文的工作内容 1 本文介绍了充气膜结构的整个发展历史以及充气膜结构的基本受力特点，并 对常用的一些膜材及其特性进行了介绍，并对膜结构设计全过程进行了简单 的阐述，在此基础上指出目前我国充气膜结构的发展现状。 2 本文就充气膜结构的几种找形分析方法进行较为系统的阐述它们的原理，论 述它们各自的优缺点，并对它们进行比较分析，指如它们各自的适用性，以 及它们之间的相关性。 ：；就目前逶用的大型有限元软件a n s y s 对充气膜结构进行从平面状态开始的求 解初始平衡形态的找形分析，并且给出了几个典型算例，并通过算例得出找 形分析过程中充气气压、膜内初应力以及绳索预拉力对找形分析的影响。 就充气膜结构裁剪分析过程中裁剪线的确定方法进行讨论，并对膜曲面的展 开进行了分析，给出了算例分析。 5 对本文工作的总结，指出目前研究的不足以及将来发展的方向。 第2 章充气膜结构找形分折的方法 第2 章充气膜结构找形分析的方法 2 1 应力密度法 2 1 1 线力密度法 力密度法是由l i n k w i t z 及s c h e k 等提出的一种用于索网结构的找形方法，若 将膜面离散为等效的索网，该方法也可用于膜结构的找形。力密度法的基本思 想是将膜结构表面离散成由节点和杆元构成的索网状结构模型，建立每一节点 的静力平衡方程，通过预先给定索网中各杆元的力和杆长的比值( 力密度) ，将 几何非线性问题转换为线性问题，联立求解一组线性方程组，即可得到索网各 节点坐标。使用力密度法进行膜结构的初始形态分析，只要给出离散后结构各 轩件的几何拓扑，设定力密度值和边界节点坐标，即可建立关于节点坐标的线 性方程组，从而求得节点的真实坐标，即索网的外形。该方法避免了仞始坐标 问题和非线性收敛问题，是一种十分有效的近似方法，计算精度一般能够满足 要求。不同的力密度值，对应不同的外形，当外形符合要求时，由相应的力密 度即可求得相应的预应力分铝值。在德国较为流行的著名膜结构设计软件e a s y 就足用力密度法找形的。 2 1 2 线力密度法