（固体力学专业论文）索膜结构分析方法与应用技术的研究.pdf

摘要 索膜结构作为新兴的建筑结构体系已经越来越得到工程界的认可，相应的技术 规范也在逐步的制定和完善过程当中。但是，在索膜结构的分析和设计过程中，都 还存在一定的局限性。作者经过在上海交大两年的博士后研究工作，对索膜结构进 行了较系统的研究，主要的研究工作内容如下： l 、对索与膜结构文献的系统归纳和总结。阐述了索与膜结构的结构特性、力学 特性、功能特性等方面的特点，并介绍了索与膜结构的发展历史和丰富多彩 的膜结构形式；根据国内外的相关文献对索与膜结构特性研究，归纳了索与 膜的基本材料特性。 2 、一种新的悬链线索单元。以往的两节点直线非线性索单元精度比较低，而半 解析索单元虽然精度比较高，但是计算量又比较大，计算效率也不高；作者 在第三章，基于不等高单索的解析解，推导了一种新的形式简洁的两节点悬 链线索单元，并编制了相应的计算程序，并结合不同单元类型的数值解的比 较了不同单元的精度区别。 3 、对已有的几种分析方法的理论归纳和程序实现。归纳了已有的索与膜结构分 析的几种比较成熟的基本理论，对找形分析、荷载分析和裁剪分析都分别进 行了归纳，作者在本章运用f o r t r a n 语言以及c + + 语言编写了功能齐全的索 与膜结构的分析程序。并通过了数个实际工程的检验，证明是正确和可靠的。 4 、改进的力密度找形方法。作者在基本力密度法找形分析理论基础上，基于矩 阵分解的基本理论和一维变带宽存储技术，实现了力密度法的找形分析方法 的改进格式，并给出了相应的计算程序。 5 、热应力有限元裁剪方法和测地线几何裁剪方法相结合的综合裁剪方法。把测 地线几何裁剪方法得到的裁剪线作为裁片的直线方向固定约束边，运用有限 元裁剪方法得到精度和材料利用率都比较高的新颖的裁剪分析方法；通过实 际工程的比照，费材率和加工复杂程度有比较明显的改进。 b 、分类总结典型节点构造形式。作者通过大量的比较研究，归纳出了几点索与 膜结构的节点构造和设计觇则，并结合作者在实际工程中的一点经验，分类 总结了工程中应用比较成功和广泛的索与膜结构的典型节点构造形式。 7 、面向对象技术在空间结构分析软件方面的应用。作旨通过对索与膜结陶系统 分析软件的丌发，以及基f 功能强大的图肜引孥c l s 图形系统的编程，怍 者在基于面向对象概念的工程图形软件及工程分析软件的体系框架方面进 行了初步的研究，给出了系统的框架分析图及类关联图，为面向对象技术应 用于空间结构分析软件的开发，提供了崭新的开发思路和丰富的资源。 关键词：索与膜结构，找形分析，裁剪分析，非线性有限元法，力密度法，热应力 有限元法，测地线法，悬链线索单元，面向对象，图形库 a b s t r a c t c a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e ，an e w s t y l es p a t i a ls t r u c t u r e ，w a sc e r t i f i c a t e db ya n d b y i nt h ee n g i n e e r i n gf i e l di t st e c h n o l o g yc o d ei si nt h ep r o c e e d i n go fe s t a b l i s h m e n ta n d c o m p l e t i o n b u tt h e r ei ss t i l ls o m es h o r t c o m i n gi nt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f c a b l ea n d m e m b r a n es t r u c t u r e s d u r i n gt h ep o s t d o c t o r a ls t u d yp r o c e d u r et h ea u t h o rg i v eo u tt h e s y s t e m i cs t u d i e so nt h en e w - s t y l es p a t i a ls t r u c t u r e t h em a i nc o n t e n t so f t h i sr e p o r ta r e 1 j s t e db e l o w 1 g i v eo u tt h ec o n c l u s i o na n ds u m u pf o rc a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e s i nt h i s r e p o r tp a p e rt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h em e c h a n i c a la t t r i b u t e ，t h ef u n c t i o n a l p a r t i c u l a r i t y a n dt h em a t e r i a la t t r i b u t ew e r ep r e s e n t e d c o m p l e t e l y a n d t h e d e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h er i c hs t y l e so f c a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e sw e r e a l s og a v eo u t 2 an e wk i n do f c a t e n a r y c a b l ee l e m e n tw a s p r e s e n t e d t h e r e a r es o m e d i s a d v a n t a g e sa b o u tt h et w o n o d es t r a i g h tl i n ec a b l ee l e m e n t ，w h i c hi ss i m p l ea n d h a sl o w a n a l y s i sp r e c i s i o n ，a n d t h e s e m i a n a l y t i c a l c a b l e e l e m e n t ，w h o s e c o m p u t i n g m o d e li sc o m p l i c a t e da n dh a sl o wc o m p u t i n ge f f i c i e n c y i nt h i sr e p o r t t h ea u t h o rg i v eo u tan e wk i n do f c a t e n a r yc a b l ee l e m e n ta n dt h ep r o g r a m ，w h i c h i sc e r t i f i c a t e dw i t hh i g hp r e c i s i o na n de f f i c i e n c yb ys o m en u m e r i c a lc o m p a r i s o n o f t h ed i f i e r e n te l e m e n t s 3 s u m m a r i z a t i o no fs o m ea n a l y s i sm e t h o d sa n dt h ep r o g r a mw e r eg i v e no u t t h e a u t h o rs u m m a r i z e ds o m ef i n i s h e da n ds u c c e s s f u lt h e o r i e sa b o u tf o r m f i n d i n g a n a l y s i s ，l o a d c a s e a n a l y s i s a n d c u t t i n gp a t t e r na n a l y s i s ，a n dp r e s e n t e d t h e p r o g r a m i nf o r t r a na n dc + + w h i c hh a sa l lt h ef u n c t i o nf o rc a b l ea n d m e m b r a n es t r u c t u r e sa n dw a sa l s oc e r t i f i c a t e db ys o m ea c t u a le n g i n e e r i n g 4m o d i f i e df o r c ed e n s i t ym e t h o dw a s p r e s e n t e d o nt h eb a s eo f t h et r a d i t i o n a lf o r c e d e n s i t ym e t h o d ，t h e m a t r i x d e c o m p o s i t i o nt e c h n o l o g y a n do n e d i m e n s i o n a l v a r i a n tb a n d e dm a t r i xt e c h n o l o g y , t h ea u t h o rg i v eo u tt h em o d i f i e df o r c ed e n s i t y m e t h o da n di t s c o m p u t i n gp r o c e d u r e t h ep r o g r a m w a sa l s o p r e s e n t e d a n d c e r t i f i c a t e d 5t h ec o m p o s i t i v ec u t t i n g p a t t e r nm e t h o dw a ss u b m i t t e di nt h i sr e p o r t t h en e w m e t h o di so nt h eb a s eo ft h ep l a n et h e r m o s t r e s s f i n i t ee l e m e n tc u t t i n g p a t t e r n m e t h o d ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g eo fh i g ha n a l y s i sp r e c i s i o n ，a n dt h eg e o d e s i c c u t t i n g p a t t e r nm e t h o d ，w h i c h h a st h e a d v a n t a g eo fh i g he f f i c i e n c yb ys o m e c o n t r a s to fa c t u a l e n g i n e e r i n g ，t h ew a s t i n gr a t i oa n dc u t t i n gp r e c i s i o nw e r ea l l c o n t r o l l e d p e r f e c t l y 6 a l lt y p i c a l j o i n tc o n s t r u c ts t y l e sw e r es u m m a r i z e dr e s p e c t i v e l y b ym a n ys t u d i e s o nt h ej o i n tc o m p a r i s o no fc a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e s ，t h ea u t h o rs a mu p s o m er u l e so f j o i n tc o n s t r u c ta n dd e s i g n o nt h eb a s eo f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h ea u t h o ra l s op r e s e n t e da n ds u m m a r i z e ds o m eu s e f u la n d t y p i c a lj o i n tc o n s t r u c t t y p e ，w h i c hi su s e di nc a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e se n g i n e e r i n g 7 t h e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f o b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y o n s p a t i a l s t r u c t u r e s a n a l y s i s s o f t w a r ew a s s t u d i e d d u r i n g t h e p r o c e d u r e o ft h e d e v e l o p m e n to ft h ec a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e ss o f t w a r es y s t e ma n dt h e p r o g r a m m i n g w i t ha c i s ，w h i c hh a sp o w e r f u lf u n c t i o ni n3 d g r a p h i c s ，t h ea u t h o r p r e s e n t e dt h es o r w a r es y s t e ma n ds t r u c t u r ew i t ho b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y t h e t o t a lf l o wc h a r ta n ds y s t e ms t r u c t u r ew e r ea l s op r e s e n t e d ，w h i c h g i v eo u tt h en e w t h i n k i n gp r o c e d u r ea n dr i c hc o d ef o rs p a t i a ls t r u c t u r e ss o f t w a r e d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：c a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e s ，f r o m f i n d i n g a n a l y s i s ，c u t t i n gp a t t e r n a n a l y s i s ，n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f o r c ed e n s i t ym e t h o d ，p l a n et h e n n o s t r e s s f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，g e o d e s i cc u t t i n g m e t h o d ，c a t e n a r yc a b l ee l e m e n t ，o b j e c t o r i e n t e d t e c h n o l o g y , g r a p h i c sl i b r a r y 上海交大博i ：后研究工作报告 第章绪论 1 绪论 1 1 研究背景及国内外研究现状 索与膜结构的发展平【i 应用是衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志，各国都十分重视 以索与膜结构为代表的大跨空阃结构技术的研究。众所周知，我国也建成了如上海八万人体育 馆、上海虹口足球场等大型的索与膜结构工程项目，这些结构的索与膜结构部分大都是由国外 设计的。国l , q 自主设计、安装的大型索与膜结构工程也越来越多，技术条件和t 程经验也越来 越成熟，象青岛颐中足球场就是比较成功的一个。随着我国国民经济的发展，与世界各国的交 流增多，尤其是中国已经取得了2 0 0 8 年奥运会的申办权，今后必将需要建造更多的体育、会议 及展览场馆，索与膜结构是满足这些功能的最佳结构物，同时它又具有外观造型优美的特点， 因此对索与膜结构的研究势必成为我国今后工程界的一个热门课题。 在国外，对索与膜结构的研究已经比较成熟，以德国、美国、日本等国的研究最为成熟和 先进，而且，行业规范也已经比较成熟。在国内，同济大学钱若军教授等学者以非线性有限元 法为基础，对索与膜结构进行了深入的理论研究：同济大学张其林教授等学者以动力松弛法为 基础，对索与膜结构进行了理论和软件应用的研究；哈尔滨工业大学的沈士钊教授等学者对索 与膜结构的风振响应进行了理论和实验研究，并在大量数据的基础上统计风振响应与荷载之间 的关系；浙江大学的关富玲教授把索与膜结构同可展结构相结合进行了比较研究。 索与膜结构具有不同于传统结构的特点，其是完全依靠预应力来提供刚度的，该类结构体 系的分析包括找形分析、风荷载分析、裁剪分析等非线性分析过程。我国至今没有相应的国家 规范对索与膜结构的分析和工程应用作指导，目前，上海市推出了上海市膜结构技术规程 对目前蓬勃发展的膜结构市场进行了规范。但是，原则性的条款比较多，不具有很好的可操作 性。因此，对此索与膜结构提出一整套实用而且科学的系统分析方法也就成了亟待解决的课题。 本文在此背景下进行索与膜结构的基本理论和分析方法进行了比较系统的分析与研究，并给 出了几点创新性的成果。 1 2 索与膜结构的特点 膜结构是一种既古老义现代的结构形式。1 9 7 0 年日本人阪万国博览会许多空气膜结构的建 造怀志着膜结构日, 1 f e 的开始扶此，在全世界范同内广泛开始了对膜结构的开发研制f ：作，再 加上轻质高强膜材的山现，使膜结构从最初的临时性建筑开始迈向永久睦建筑的行列。住实际 i ：髭中单纯的膜结掏儿乎没有，膜结构与索结构或桁架结构相结台产生了形式再异的索与膜 结构。索与膜结构墙张力结构的一种，它以具有优良抗拉 生能的柔软织物乃膜材利j h 铡崇( 舒 索或边索) 或刚胜芰r 结掬向膜i , q 施加预应力，从而形成r - 有毫刚度，目能够蔼蔫人。z 俐的 结构体系。 卜海交犬博士后研究工作报告第一章绪论 近十儿年来，随着计算机技术的迅猛发展和数值计算方法的e 速发展，索与膜结构的工程 应用也得到了迅猛发展，广。泛应用于体育场馆、侯机厅、游乐场、多功能厅等大型公共设施。 索与膜结构以其优美的造型、卓越的性能和其它结构形式无法比拟的特点，在空间结构领域独 树一帜。继1 9 7 5 年在美国建造的永久性气承式空气膜结构庞提亚克的“银色穹顶”，8 0 年又有 几十座大型索与膜结构体育建筑，如沙特阿拉伯吉火机场侯机大厅，东京后乐园棒球场弧特 兰大奥运会的“佐治穹顶”等等，其中沙特阿拉伯吉大机场侯机人厅的悬挂索膜结构r 地4 2 万m ! 。在国内，特别是进入9 0 年代以来，索与膜结构得到了飞速的发展有以上海八万人体育 馆为代表的大型索与膜结构应用的成功工程实例。 索与膜结构是不同于传统结构的一种特殊结构体系，与传统结构相比较索与膜结构具有 以f 特点： 1 艺术性。索与膜结构与造型学，色彩学为依托，可结合自然条件及民族风情，根据建筑 师的创意建造出传统建筑难以实现的曲线及造型。多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物 造型更加多样化，新颖美观，同时体现结构之美，且色彩丰富，可创造更自由的建筑形 体和表达更丰富的建筑语言。 2 经济性。膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的1 3 0 ，这就降低了墙体和基础的造价。同时 膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应，其价格效益比更 高。 3 节能性。膜材有较商的反射性及较低的光吸收低，并且热传导性较低，这极大程度上阻 止太阳能进入室内。另外，由于膜材本身具有良好的透光率( 1 0 一2 0 ) ，膜材的半透明 性保证了适当的自然漫散射光照明室内。建筑空间白天可以得到自然的漫散射日光，可 以节约大量用于照明的能源。 4 自洁性。膜村表面加涂的防护涂层如p v d f ( 聚偏氟乙烯) ，并具有耐高温的特点，而且 本身不技粘，这样落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到自洁的效果。 5 大跨度无遮挡的可视空间。索膜结构中使用的膜材，其重量只是传统建筑材料的三十分 之一，由丁白重轻，膜建筑可以不需要内部支撑面火跨度覆盖空间，这使人们可以列灵 活、更有刨意地设计和使用建筑空间。而且，索膜结构由于是通过预应力来提供刚度的， 膜材料的高的抗拉强度以及高强索的应_ | _ | 可以实现白由灵活的大跨空间结构，冈此，特 别适台丁体育场馆、公共跛施覆蔫等方面的麻川， 6 更短的施1 1 周期。膜l ：程中所有加i ：平| l 制作依设计均可庄1 厂山完成，在现场只进行安 装作业。相比传统建筑的施i ：周期，它具有无可比拟的优辨。 1 3 索与膜结构的发展 幞结构| 1 1 勺分类方法有多种，按其结构特点+ 膜结陶可，寸乃充气膜结构利张力懂结缃两人类。 免t 粜 恒i 5 f z j 利州1 叽昭原理由f 。i 支撑j 膜面，人j 江i , j 寸成。e ，r 刚l 肋两种：l k 力| 摸站f 句 2 上海交大博卜后研究t 作报告第一章绪论 则是利用钢索或骨架结构悬挂或支撑膜面，可分为边界直接张拉成形平通过支撑、悬 丰或与索 网、穹顶组合等多种形式。张拉膜结构按结构组合形式分成为悬挂张拉索与膜结构、骨架支撑 索与膜结构及复合索与膜结构三种。在实际的工程应刚中，以张拉索与膜结构的应用为主，本 文也以此为研究重点。f 面分别就上述各种膜结构形式做一简要介绍。 索与膜结构是由处丁单向张拉的索平处于双向张拉的膜结构混合而成的。最早的索与膜结 构出现在1 9 5 5 年和1 9 5 8 年，是f r e do t t o 设计的用于联合公园的多功能建筑，其跨度在2 5 米 左右。比较著名的索与膜结构设计师还有美国的d a v i d g e i g e r 和h o r s t b e r g e r ，g e i g e r 主要从事 气承式膜结构的研究，b e r g e r 主要从事张力膜结构的研究。 索与膜结构在近2 0 年得到迅速的发展，己建成的比较著名的结构有：1 9 8 1 年建成的沙特阿 拉伯的t h eh a jt e r m i n a lo f j e d d a hi n t e r n a t i o n a la i r p o r t ，由1 0 组2 l o 个锥体组成，每个锥体平面 投影尺寸为4 5 0 4 5 米，总面积为4 2 5 ，2 5 0 平方米，是目前最大的张力索膜结构：1 9 8 3 年建成的 加拿大的l i n d s a yp a r ka q u a t i cc e n t e ri nc a l g a r y ，由一个1 2 8 米的桁架支撑两边的索与膜而形成 的屋盖结构体系：1 9 8 5 年建成的由b e r g e r 设计的沙特阿拉伯的t h er i y a d hs t a d i u m ，1 9 8 7 年建 成的m c c l a i np r a c t i c ef a c i l i t y , u n i v e r s i t yo fw i s c o n s i n ，1 9 8 8 年建成的英国w i n b l e d o ni n d o o r t e n n i sf a c i l i t y ，1 9 9 0 年建成的s a nd e i g oc o n v e n t i o nc e n t e r 等都是历史上比较成功的索与膜的工 程应用实例。而1 9 9 3 年建成的t h e n e w d e n v e r i n t e r n a t i o n a l a i r p o n ，是目前唯一的一个完全封 闭式的张力索膜结构体系，它由1 7 个类帐篷单体构成，宽度6 7 米，长度2 7 4 米，覆盖面积为 1 8 ，0 0 0 平方米，屋盖由两层相距0 6 米的t e f l o n 膜材构成，下层膜材主要起隔热和吸音的作用， 周边维护结构是玻璃幕墙，幕墙和屋顶索膜结构之间用一个连续的直径1 米的充气管添塞，形 成一个完全封闭的结构体系。 悬挂索膜结构是最初人们从帐蓬结构中得到的启示发展而来的。这种结构或是利用索网将 膜绷紧作为承重结构，或是利用桅杆将钢索和膜张挂起来，再施加预应力使膜材具有一定的刚 度以承受荷载。由于膜材自身强度和支撑结构形式的限制，支承结构间膜材不能承受过大的预 应力，因此结构跨度受到限制，其中索网式索膜结构多用于7 0 米以下中小跨度的体育设施，结 构造形新颖随意，不需附加设备。从悬挂索膜结构的力学特点知道以两反向曲率形成的鞍形 形状是索膜结构最基本的稳定形式。马鞍形索网索膜结构受力合理，形状稳定，平恳索结构的 分析方法有相通之处，在我国推j 1 应用有一定的基础。 骨架支撑索与膜结构以刚性支撑为骨架面材采刖膜材，充分发抨了不同材料的特性。以 平扳网架或曲面网壳作为支撑骨架而成的骨架支撑索与膜结构，不仅府川了已经成熟的网架、 网壳没计技术，而且结构的构造也较简单，是一种 r 有推广价值的结构形式。 复合索与膜结陶是近几年在索与膜结构领域发展起来的新j w 结f 形式。美国纽约g e i g e r 建 筑事务所设计出的钢j 寮穹项体系就是这种结构的典耻。索穹顾膜站构是目前最新的一种适合 人跨度的空间结陶体系，它既克服了气承式膜结构的如潮气、使川维护费喇高f | | 张力膜 占构由 r 需要 定的支撑而净空受到一定的限制1 缺点，同时正体现丁t i 气膜结1 勺造弘、人跨n 州l - 量， f i 强勘n 圮争力，钢索穹惋体系，啦硅嘲，旺i 1 王搂n ：乏拉刚索刊不迎接f 削：仆纠r 戊 ! ：塑銮查堕型童竺：! 工竺坐堂 釜二兰竺笙 荷载从中心拉环通过辐射状的径向脊索、谷索、环向拉索、中间的对角线钢祟传向周边的受乐 罔粱。扇形膜村由钢索施加拉j 并张紧，吲定在压杆与索连接的1 ，点l ，目前已有多个l 科利 j = ；| 了索穹顶技术。钢索穹顶索与膜结构一经出现，立即引起了廿界的瞩目，可以说浚结构形式 代袭了当今最为先进的结构设计技术水平平材料科学的优秀成果， 在索与膜结构的理论研究取得一定突破的基础上，特圳是随着计算机技术在索与膜结构分 析中的成功应埘更为豢与膜结构的f ：程庶州刨造了良女：的条f 1 ：。目前，国内的膜结构：程觜 在逐年递增。为了适应索与膜结构的发展需要，上海地区已经山台了膜结构技术规科，h 以指 导雨l 规范迅猛发展的华东地区索与膜结构市场。 1 4 丰富多彩的索与膜结构 目前，无论国内还是国外，索膜结构的工程应州都已经进入了成熟期，火蜒的索与膜结构i 程就是很好的例证。本节给出几个典型索与膜结构： 程的图片，与人家一起领略一f 索与膜结 构，i i - 程不同的风格和优美的造型。 图1 1 卜海八万人体育馆 4 ! ：坚兰尘翌! ：里盟! j 王生坐立 笙主竺堡 图13 意大利g e n o v a 哥伦布博览会 图1 4 英国海底隧道f o l k s t o a e 站 1 5 索与膜结构的工程应用 索与膜结构技术的发展已进入一个崭新的时代，是人跨度结构发展的一个趋势，己引起了 全附界的关注。同济人学、大# # 火学、哈尔滨建筑删e 人学、上海交人、中国建筑科学研究院 等研究机构的学者鞍甲f 地进入了该领域经过数十年的探索，取得了一定的科研成果，为索与 膜结构庄我国的、泛戍用奠定了一定的基础。 索b 膜结构具有其它结构形式无可比拟的优越性。一是降低建筑成本，在地震区尤为显篇， 一畸殳腥顶采州索与膜结构可使建筑费川降低1 5 2 0 。是缩短i ：雕进度。膜材可庄j 丁一哉磅 加 好，以后毪起来运输剑施r 现场，且安装i 殳备简单无硕人强脚平架。二是憔忖本身透光 胜蚶，室内明亮1 ，约能源。四是索膜结构具订遇到火吉的安全洼，幞具仃可抗7 0 0 ：c 一8 0 0 c 衔湍的币燃性，而日由r 薅讨轻发生地震也能倮i 1 f 的奠全二 靠jj ：艟f , l i 陶自二l r 多 m 域：悔育皇zr n j 】tj 脯- l 匕。i ? 5 ：_ ! ”轻、姚1 1 、j2j 、，j # z 、 ，眵p f ：建，拍，、p 休 上海交犬博士后研究工作报告 第一章绪论 育馆、游泳馆、展览馆、网球馆、游乐场等工程。近年来，北京、上海、天津等地相继成立了 不少索与膜结构制作开发公司，全国的索膜结构市场如雨后春笋般的发展起来。 上海八万人体育场是我国目前为止最大的索与膜结构工程。其看台部分是由径向悬挑桁架 加环向桁架组成的马鞍型钢管空间屋盖结构，平面尺寸为2 8 8 4u2 7 4 4 米，最大和最小悬 挑长度为7 3 5 米和2 2 9 米，悬挑桁架上面覆咀5 9 个伞状膜结构。这是中国首次将索与膜结构 应用到大面积的永久性建筑上，影响至为深远。然而，该结构由美国的w e i d l i n g e r 公司设计制 作，膜材料为t e f l o n ，造价也远远高于传统的结构。值得注意的是，这两年我国还兴建了一些 完全采用中国技术的膜结构，在北京顺义和鞍山相继建造了两个气承式空气膜的游泳馆；在苏 州乐园建成了以悬挂膜和骨架支撑膜相结合的音乐广场。虽然气承式空气膜结构的规模不大， 并发生了一些事故但为中国的气承式空气膜膜结构的发展提供了宝贵的经验。 索与膜结构的发展需要有一定的数学、力学和工程学基础，同时也需要新型建筑材料，甚 至纺织织物材料的交义发展。另外，索与膜结构的发展还依赖于先进的计算机辅助技术。因此， 开展索与膜结构的研究可以推进结构工程学科及相关学科的发展，推进计算机技术在结构工程 中的应用，推进新型建筑材料、纺织织物材料的交叉发展。同时，通过系统全面而详尽的研究， 可咀填补因内在索膜结构设计理论方面的空白，并且形成一个新型实用的建筑体系，使索与膜 结构广泛地应用于我国的工业及民用建筑、公共和军事建筑中。 从国外的具体实践来看。由于材料科学的迅猛发展，新的优质的建筑膜材不断出现，再加 上膜结构特有的柔顺的曲面、广阔的空间、半透明的室内环境，使得索与膜结构具有强大的生 命力，应该是2 1 世纪空间结构发展的主流。国外一些发达国家应该说已掌握了索与膜结构的设 计、制作和施工的全过程，但是仍有一些尚未解决的问题摆在广大索与膜结构设计者面前，如 膜建筑的隔声问题，由于很多大跨度膜建筑都位于繁华的闹市区，而单层膜材只能隔声l o 分贝， 所以仅靠单层膜材的隔声性能不可能解决这个问题：再如膜建筑内部环境问题，有时需要黑暗 的内部环境，而有时需要明亮的内部环境，这两个相互矛盾的要求使很多业主放弃了膜结构。 另外还有屋顶膜材的融雪问题、隔热问题、积灰问题、膜材多样化问题等。 1 6 本文的主要研究工作 作着在上海交火两年的博士后研究i ：作中对索与膜结构进行了比较系统的研究主要的 研究i 作如f ： 1 、作者在第一、二章系统阐述了索与膜结构的结掏特性、力学特眭、功能特性等方面的 特点井介i “了索与膜结构的发展历史和丰富多彩的膜结构形式：根据国内外的相关文 献对索与膜结构特性研究，门纳了：尜与膜的基本卡孝料特性。 2 、以往的两1 ，点直线非线性索单元精度比较低而、f 孵忻索单元虽然精度比较高，但是计 算鼙义比较人，计拜效率也不商：作者良第二章基r 不等高单索的解忻解，推导了种 新的彤式简洁的两1 ，点息链线索电元诈编制j 们市i t 1 , t 。筛件序，行结合理| 八解羊i | 数值 解晌比较j 1 ：同单元的区制。 6 上海交大博十后研究工作撤告 第二章索与膜结构的结构特性 2 索与膜结构的结构特性 2 1 概述 索与膜材料本身是刚度可以忽略的柔性材料，因此索与膜结构不同丁- 依靠材料本身米提 供刚度的传统结构，其必须依赖体系内部的预应力来提供结构刚度，而膜面必须具备双向弯曲 的负高斯曲率的曲面，才能够保持膜面的内张力平衡。在索与膜结构中，钢索分为边索、脊豢、 谷索、空间结构索、支撑拉索等形式，边索、脊索、谷索等都是用于调整膜面内的应力分布用 的，同时，也起到了调整和传递膜面应力的作用，避免膜面应力过大，撕裂膜面材料：而空间 索完全是用于索与膜结构的整体结构的内力平衡，保证索与膜结构在膜面撕裂退出工作的前提 下，结构仍然是能够维持不倒塌的安全体系，即增加结构的安全度；支撑拉索是索与膜结构中 典型的三角架支撑形式中所用的结构拉索。总之，预应力的存在和分布情况对索与膜结构的结 构特性是非常重要的，而索与膜结构的几何形态又是维持体系内预应力的前提条件。因此，对 索与膜结构几何形态的分析是非常重要的，也是千变万化的索与膜结构的基础。本章就对索与 膜结构的几何形态进行系统的归纳和讨论。 2 2 索与膜结构的几何形态 索与膜结构的基本几何形态分为，锥面，翘曲面。锥面的特点是，整体的面上至少存在一 个凸点，凸点以外是负高斯曲率的曲面；翘曲面的特点是，由不同高度的角点围成的封闭曲面， 由于角点的高低变化保证了封闭曲面内处处满足负高斯曲率的条件。 圈2l 锥面几何例22 翘曲面几何 ：海交大博士后研究工作报告 第二章索与膜结构的结构特性 2 3 膜材料 膜结构建筑物所采州的薄膜材料，目前世界上大多采用复合材料，一般由中间的纤维纺织 布基层和外涂的树脂面层组成称为滁层织物( c o a t e df a b r i c ) ，如图2l 。基层主要决定膜材的 力学特性，提供材料的抗拉强度、抗撕裂强度等；面层除起到密实、保护基层的作用外，还提 供材料的耐火、耐久性及防水、自沽性等。有时为了改进膜材性能可在面层外面再加一层涂层。 这种涂层不但能保护织物抵抗紫外线，而且能犬犬改善膜材的自洁性。 膜材料是膜结构工程中最重要的组成部分，之所以被称为“第五代建材”，是与化学工业中 高分子材料的合成与改进技术的不断发展密不可分的。在7 0 年代初期以美国杜邦、康宁公司 为主的几家公司和设计单位联合开发研制了以玻璃纤维为基材，以聚四氟乙烯( p t f e ，又称特 氟龙) 为涂层的新型膜材，使膜结构从最初的临时性建筑开始迈向永久建筑的行则。表2 1 中列 出了基材和涂层的组成材料及膜材的性能对比。 表2 1 ：膜材性能比较 材料 防火抗 自洁性颜色使用年限价格比 基材面层涂层紫外线 聚酯 p v c 无好差多种1 51 0 0 聚酯p v cp v f好好多种2 02 0 0 聚酯 p v cp f 好好多种2 02 5 0 玻璃纤维 t e f l o l l 无最好好白2 5 6 0 0 目前国内生产的膜材料只有外涂p v c 的聚酯纤维，而且其强度、尤其自洁、耐火、耐久等 性能与国外同类产品有一定差距，其寿命也一般不超过l o 年。因此我国膜材料急需改善，以适 应我国迅速发展起来的膜结构技术的推广应用。目前国内生产的材料价格便宜宣做成临时性 建筑或公共文化装饰、小品等。 膜材是高强柔软织物的复台材料，合成纤维织物的构造使材料的应力平均分布在所有面积 上，而不是集中一点上。膜材具有较高的抗拉强度，但抗压和抗弯刚度几乎为零，并且具有很 强的异向性和材料非线性，很容易发生徐变和应力松驰现象。在膜结构的结构分析中，全面掌 握膜材的材料特性，恰当地建立起膜材的基本假定和力学模型以及测定有关的材料常数是进行 结构分析的重要前提和保证。目前国际上各国对膜材物理、力学性能的要求，评价指标和相应 的测试方法还不尽相同，归纳起来，主要有以下几个方面： ( 1 ) n 材的厚度平质簧 膜材由丁透光度的要求和纺织方法的限制，一股厚度在o 5 m m 1 0 m m 左右，质莆在 0 5 k 哥一2 ，0 k g m 2 ，其测试方法采用织物测厚仪平质簧测定器测试。 f 2 ) n 材的张拉强度 蠼材为柔性织物材料，只能承受 k 力不能承受压力和弯矩。在人跨幞结构中由r 外苘 载怍川，麒材需要承受较人的张力作川，冈此膜材的张拉拙度是评价哄材力学肚能的一个亘要 指札；。愤材f 勺张拉强度由丁膜材所处环境、廊力：陕态不同将星剖做人的影i 叫，其；州试刀法订 ：兰窒盔堡：! 里型! 垒三堡坐妻 兰三翌耋皇坚丝竺竺竺塑堑堡 单轴张拉测试法和般轴张拉测试法。 图2 5 单向拉伸时的膜材试件，条带长向( 加力方向) 分别为膜材的经向和纬向时应力一应 变曲线如图2 6 示( 其中w 表示经向，f 表示纬向。括号内比值为经纬向加载比例，f 同) 。 4 0 - 4 0 - 4 0 一恻 图25 单向拉伸试件 _ 弋 i ! j ： ；。j ”二! + _ ! _ _ y ，一 s t 孙( 1 0 ：) 图26 单向拉伸应力应变曲线 咖】， 图27 双向拉伸试件 由于实际结构中的膜材均为双向受力，故其在双向应力下的变形曲线应更具有实际意义， 实验( 试件如图2 7 所示) 表明膜材的受力性能除与应力值有关外，还与双向应力的比值有关。 图28 a 、2 8 b 分别给出了经向与纬向应力之比为l ：0 、1 ：1 、1 ：2 、l ：5 和0 ：l 、1 ：1 、2 ：1 、 5 ：l 时的应力应变曲线。 s 0 目s f x o f ( 、l o ) w ( 11 ) 7 w ( l o ) f ( 1 i ) 姐 ：?f i ? ；“f - - - h 均 2 0 ? 7 - r 烈 w ( 1 一 ，i ? jj 墙 j i 一，? w 1 ， i j i j i 艺7 。删， nf ( 1 1 ) 引觇f ：l 。 i i i o j ：o j j? ? w ( 0 1 ) ：i p j ? i 1 0jf i ：j 。，j f ( i l ) 一 ；虮， 量0 二， s 吨( 1 0 。) 豳28 a 双向拉伸应力- 应变曲线( 经向应力小变)幽28 b双向拉仲应力一应变| l f l 线( 纬向应力不，笠) 由幽26 、2 8 可以看出，膜材的席力应变关系具有非线形性质，且在初始阶段较人，而当 拉力达到一定值后，1 f 线形程度将降低：当两个方向的虑力之差较人时，应力值较小方向上的 强度会显并儡昂低。 上述现象可从平织布的组织结f j 得到初步解释。在平纵布的原始状态，纬向、经向的纤维 部有一定的曲率，住施加外力的初j j | ，住纤维的交织点上存住竖同的不平衡内力，冈此除纤维 在外力作川f 的弹眭变形外，纤维还? 睁发生机陶性刚体俺侈，庄应力一戍变关系上表现为材粒 1 f 线形：当经纬纤维水平方向拉力分量不等时，拉力较人方向上的纤维的曲率小；而拉力较方向 【：的纤维的曲率人，导致该方向上；r 维的内力增人，此时仃可能超吐：爱疗刚；r 维的抗拉强度而 破拉1 1 ； ；，任此之后，另一疗同纤维由卜缺少l # 玎州纤维的约r 牝r c , , d ts , xi t ! z 会降低，乃歪，1 “乍陂 上海交大博士后研究工作撤告 第二章索与膜结构的结构特性 损，形成7 l 洞，造成应力集中和撕裂。因此结构殴计中不应使两个主轴方向上拉力有较大差异。 ( 3 ) 往复加卸载过程中的应力应变关系 在薄膜结构的受力过程中，一个方向的主应力增加而另一个方向的土应力必然减少：即 一个方向加载，而另一个方向就相当于卸载，因此在受力分析中，除考虑上述单调加载过程的 应力，应变关系外，还应考虑往复加载过程的应力应变关系。 抽蓑置谊爱强度 一一jjl | l # 蘑i 巾时) 图2 9 加卸载模式 图2 , 9 为进行膜材性能实验时的加载过程，酗2 6 、 2 8 即为按第一阶段进行单调加载而得到的应力应变关 系曲线。图2 1 0 为在第三阶段加载时的应力府变关系， 该图表明不论是单向加载还是双向加载，在第二阶段卸 载至零应力时，其应变并来同到零点，即有残余变形。 我们认为该残余变形即为初始加载时产生的机构性刚体 位移，其值与双向加载的比值有关，且在经纬两方向上一 般是不同的。另外在二、三次加( 卸) 载过程中，由于机 构性刚体位移很小，膜材在两主轴方向上具有线弹性性质。 s 0 - 蛔日i 】 、 m l ” f ( 1 p ；m m l i ， 、l i y - i ： ：o _ ： ：；： !?j卜_ii i j 。 i ? ? ： 、l ? ，翟翱：7 ff 、 鼍”w 1 盘”w r ：”f c a 1 1 1 ! 、i vl l 产t ，i j j i j ； i ! i fi ? j i f ? j j + j 鞋旦 j ； i 4：o ： 45 1 舌_ 2o2| s h 姐i 旷)s t 赢( 1 0 ) 凹2 1 0 a 双向拉伸应力应变曲线( 经向应力不变)图2l o b 取向拉仲应力应变曲线( 纬向保持不变) ( 4 1 膜材的抗撕裂强度 膜材的抗裂强度也是应用于膜结构的重要力学参数。如果膜面由于局部应力集中略有破损， 会马上转变为撕裂力的作用，在膜面的伤痕、缺陷处直接作h 有撕裂力，如果逐渐或瞬间切断 一根或数根织物纤维，膜材将发生撕裂现象，因此膜材必须具有一定的抗撕裂能力。膜材的抗 撕裂强度就是在最大设计压力f ，控制膜面撕裂传播的度域指标。选择撕裂不传橘的膜材实际 上是凼难的，冈此需要在构造上采取一定措施，控制膜面撕裂