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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 2 3 第九章膜结构 膜结构 房屋建筑中的膜结构雏形 3 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 4 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 5 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 6 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 5 0 8mm 重量轻 自重约为0 02 0 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 2 1 4 造价可降15 20 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 7 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 8 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 9 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 10 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 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 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 27 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 28 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 29 2020 1 7 30 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 熊本县民综合公冈室内运动广场双层空气膜系统图 31 32 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 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 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 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 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 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12 15 35 36 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 37 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 38 第九章膜结构 9 3支撑膜结构 结构示意图 38 39 第九章膜结构 9 3支撑膜结构 结构示意图 39 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 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 41 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 42 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 43 第九章膜结构 9 3支撑膜结构9 3 1柔性支承膜结构 43 44 第九章膜结构 9 3支撑膜结构9 3 1柔性支承膜结构 44 45 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 46 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 47 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 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 48 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 6上海八万人体育场 49 50 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2 4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 51 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