薄膜结构(下PPT共77张)

《大跨空间间结构》之5.薄膜结构构(下)MembraneStructures主讲人：：钱宏亮亮哈尔滨工工业大学学1/76§5.4膜结构分分析与设设计5.4.1初始形态态分析5.4.2荷载态分分析5.4.3裁剪分析析5.4.4膜结构设设计要点点5.4.5节点设计计2/76找形（form-finding)就是确定定膜结构构在给定定边界和预张力条件下的的初始平平衡曲面面。§5.4.1初始形态态分析找形需要要考虑的的因素包包括：1）边界条条件；2）合理预预张力取取值；3）建筑造造型；4）使用功功能。找形方法法主要有有：1）物理模模型法；；2）数值分分析法。。3/76一、物理理模型法法FreiOtto模型4/76力密度法法（ForceDensityMethod）二、数值值方法将膜离散散为由结结点和线线单元组组成的索索网结构构，假定定每个线线单元中中的力为为s，结点i上作用荷荷载P。根据静力力平衡条条件可得得到节点点i在x方向的平平衡方程程为：n—表示与i节点邻接接的各节节点；力密度5/76由杆件力力密度组组成的对对称矩阵阵结点坐标标列向量量结点荷载载列向量量则所有节点点平衡方方程的矩矩阵形式式为：力密度法法避免了了初始坐坐标输入入和非线线性收敛敛问题，，算法简简单、计计算速度度快，在在欧洲较较为普及及。6/76动力松弛弛法（DynamicRelaxationMethod）基本原理理：将结构体体系离散散为节点点和节点点之间的的连接单单元，对对各节点点施加激激振力使使之围绕绕其平衡衡点产生生振动，，然后逐逐步跟踪踪各节点点的振动动过程，，直至各各节点由由于阻尼尼的影响响最终达达到静止止平衡态态。KineticEnergyTimeABC优点是计计算稳定定性好，，收敛速速度快，，而且在在迭代过过程中不不需要形形成结构构的总刚刚矩阵，，因此特特别适用用于大型型结构的的计算。。7/76非线性有有限元法法NonlinearDisplacementAnalysisMethod将膜结构构进行有有限元离离散，采采用大位位移小应应变的几几何非线线性有限限元方法法对膜结结构进行行分析，，得到结结构的位位移和内内力。[KL]———线性刚度度矩阵[KNL]———非线性刚刚度矩阵阵{P}———荷载向量量{F}———等效节点点力向量量8/76非线性有有限元法法可以考考虑材料料的正交异性性影响，且随着着网格加加密和迭迭代次数数增加，，计算结结果总是是不断向向准确解解收敛，，所以非非线性有有限元法法是一种种精确计算算方法。单元类型常应变三角形平面单元六结点三角形曲面单元示意图9/76★初始始形态分分析算例例(悬链曲面面)10/76三、找形形的基本本流程根据建筑筑平、立立面条件件，确定定支承方方式和支支承点的的位置；；根据支承承点位置置，确定定边索和和加强索索的布置置方式；；根据经验验，确定定索和膜膜中的初初始预张张力；建立零状状态下的的结构有有限元模模型；进行找形形分析，，确定结结构的初初始平衡衡态。PVC膜材：1～4kN/mPTFE膜材：3～8kN/m11/76★找形流程程示意a)确定计算算边界b)划分计算算网格c)提升支座座节点d)完成曲面面找形e)安装支承承构件f)放松支承承节点12/76★找形形结果的的评判标标准满足建筑筑造型的的要求保证结构构在设计计荷载作作用下不不出现过过大的变变形和应应力避免膜和和索因受受压退出出工作，，即保证证结构的的稳定当找形结结果不满满足上述述要求时时，可采采取的调调整方案案：调整支承承点的位位置改变预张张力的大大小改变索构构件的布布置方式式膜结构的的找形是是一个反反复试算算过程。。13/76目的是检查在各各种荷载载组合作作用下，，结构的的刚度是是否足够够，应力力是否在在许可范范围内。。保证膜（（或索））不会因因变形过过大导致致应力松松弛或因因应力过过大导致致破坏保证结构构在风（（或雪））的作用用下不会会因变形形或振动动过大而而影响使使用保证结构构的整体体稳定尽量减少少膜面褶褶皱的出出现§5.4.2荷载态分分析14/76膜结构设设计应采采用以概概率理论论为基础础的极限状态态设计方方法，用分项系数数的设计表表达式进进行计算算。安全系数容许应力设计法ASD

极限状态设计法LRFD荷载分项系数材料分项系数=×材料荷载组合安全系数材料分项系数膜材长期组合7.05.0短期组合3.52.5索——2.51.815/76膜结构设设计应考考虑的荷荷载包括括：恒荷荷载G、预张力力P、活荷载载Q、风荷载载W、雪荷载载Q等。活荷载标标准值取取0.3kN/m2。长期荷载组合G+P+Q短期荷载组合G+P+WG+P+Q+W其它荷载组合16/76★荷载载态分析析方法膜结构的的荷载响响应具有有大位移、、小应变变的特点，，应采用用几何非非线性有有限元法法求解。。—外荷载向量；—节点等效力向量；—线性应变增量刚度矩阵；—非线性应变增量刚度矩阵。非线性方方程组的的求解，，可采用用增量形形式的Newton-Raphson法17/76张拉式和索系支承式膜结构长期荷载1/250L（1/125L）短期荷载1/200L（1/100L）桅杆顶点侧向位移1/250H骨架支承式膜结构相应规范规定各膜单元的膜面法向位移1/15D★对计计算结果果的校核核位移控制制条件应力控制制条件各种荷载载作用下下膜面各各点的最最大主应应力应满满足下列列要求：：18/76荷载态分分析中需需特别关关注的两两个问题题：1）抗风设设计风荷载是是膜结构构设计中中的主要要荷载，，因风导导致的膜膜结构破破坏在国国内外均均屡见不不鲜。19/76ParkDomeKumamoto,DestroyedbyTyphoonBART(1999)Time：Sep23Typhoon:BartMax.WindSpeed:49.3m/sRevolutiondoorsdestroyed,double-layermembraneroofwastorn.20/76井冈山机机场膜结结构21/76TheDeadSeaSwimCenterJiuzhaigou,Sichuan，200522/76浙江苍南南某收费费站膜结结构受损损23/76浙江临海海化学药药业基地地膜结构构24/76某膜结构构风毁全全过程25/76风荷载的的确定体型系数数应通过风风洞试验验或专门门研究来来确定；；有条件件时也可可通过分分析研究究来确定定。风振系数数骨架支承承式膜结结构：1.2~1.5张拉式伞伞形和鞍鞍形膜结结构：1.5~2.026/762）膜材的的褶皱问问题褶皱是膜材在在单向拉拉应力状状态下出出现的平平面外变变形。矩形膜片片在面内内剪切荷荷载作用用下的褶褶皱单向褶皱皱双向褶皱皱27/76褶皱对膜膜结构的的影响影响美观观；导致结构构内力重重分布（（微风振振动、应应力集中中）导致结构构局部积积水、积积雪，危危及结构构的安全全。28/76对褶皱单单元的判判定σ1>0,σ2>0单元正常常工作;σ1<0,σ2<0单元退出出工作;σ1>0,σ2<0单元出现现褶皱。。1>02>029/76对褶皱单单元的处处理：通过修改改褶皱单单元的刚刚度矩阵阵来减小小或忽略略其对整整体刚度度矩阵的的贡献。。如果在荷荷载作用用下产生生较多褶褶皱，则则说明结结构的刚刚度不足足，找形形得到的的曲面存存在“病病态”。。30/76裁剪分析析的目的的是用无无应力、、平面状状态并有有幅宽限限制的膜膜材去制制作膜面面,使膜面在在张拉后后符合找找形所得得的形状状和应力力分布,且膜面接接缝布置置美观,膜材用料料节省。。§5.4.3裁剪分析析31/76裁剪分析析包括以以下四方方面内容容：确定裁剪剪线分布布；☆将空间膜膜片进行行平面展展开；膜内预拉拉力的释释放；膜片接缝缝处及边边角处放放量,得到平面面裁剪片片。目前常用用的裁剪剪方法有有测地线法法和平面相交交法等。32/76★测地线(短程线)法对于可展展曲面，，展开平平面上的的测地线线为直线线；对于于不可展展曲面，，展开平平面上的的测地线线接近直直线。测地线法法的接缝缝较短、、用料较较省；但但裁剪线线的分布布不易把把握；主主要适用用于曲率率较小的的膜结构构。短程线的的确定：：（1）在选定定的两端端点间连连一条索索，并分分成若干干段，使使位于曲曲面上。。（2）用动力力松弛法法求解索索的平衡衡位置，，该位置置就是曲曲面上两两点间最最短路径径，即短短程线33/76鞍形曲曲面剪剪裁分分析34/76★平面相相交法法平面相相交裁裁剪法法是用用一组组平面面（通通常用用竖向向平面面）去去截找找形得得到的的曲面面，以以平面面与空空间曲曲面的的交线线作为为裁剪剪线。。平面相相交裁裁剪法法常用用于对对称膜膜面的的裁剪剪，所所得到到的裁裁剪线线比较较整齐齐、美美观。。35/76裁剪线线确定定应考考虑的的因素素：裁剪线线布置置的美美观性性；根据膜膜材幅幅宽，，尽量量有效效利用用膜材材；根据膜膜材的的正交交异性性特点点，使使膜材材纤维维方向向与计计算的的主要要受力力方向向一致致。膜材排排版36/76伞形鞍形37/76§5.4.4膜结构构设计计要点点排水采光声学问问题隔热与与保温温防火其他38/761.排水Drainage膜表面面应具具有足足够的的坡度度以解解决排排水和和积雪雪问题题。通通常膜膜面的的坡度度应不不低于于20%多数膜膜结构构采用用无组组织排排水方方式，，但应应尽量量避免免雨水水沿建建筑物物的主主要朝朝向一一侧流流下，，同时时还应应注意意对地地面和和墙面面的污污染。。在某些些情况况下，，可利利用建建筑物物自身身的某某些形形状特特点解解决排排水问问题……39/762010年12月美国国Metro穹顶屋屋顶被被积雪雪压塌塌40/76几种常常见的的膜面面排水水方式式123441/762.采光Lighting膜材的的透光光率在在7%～15%左右；；白天天无需需要照照明，，节约约能源源；照明灯灯具与与膜面面的距距离不不应小小于1.0m。当采用内部照明时应注意灯具与膜面距离42/763.声学问问题Acoustic建筑物物内部部的声声音反反射膜材对对声波波具有有很强强的反反射性性，会会使音音乐演演出的的声音音变得得模糊糊；对对于某某些具具有内内凹面面的建建筑，，如充充气膜膜结构构或拱拱支式式膜结结构，，顶棚棚会使使声波波反射射汇集集。建筑物物对外外部噪噪声的的屏蔽蔽通常单单层膜膜的隔隔音性性能仅仅在10dB左右，，故仅仅能用用于对对隔音音要求求不高高的建建筑物物。43/764.隔热与与保温温ThermalInsulation单层膜膜材的保温温性能能大致致相当当于夹夹层玻玻璃，，故仅仅适用用于敞敞开式式建筑筑或气气候较较温暖暖的地地区。。当对建建筑物物的保保温性性能要要求较较高时时，可可采用用双层或或多层层膜构造来来解决决，一一般双双层之之间应应有适适当的的空气气隔层层（25～30cm左右））。当在游游泳池池、动动物园园和植植物园园等建建筑中中采用用双层层膜构构造时时，应应注意意膜内内部的的结露问问题。一般般可通通过安安装空空气循循环系系统等等措施施来解解决。。44/76加拿大大林赛赛体育育中心心LindsayParkSportsCentre,Canada,1984索网下下设有有纤维维棉保保暖层层，不不但能能防寒寒,还能透透过4％的光光线，，这就就足以以在白白天不不用人人工采采光。。此外外在保保暖层层下面面还有有一层层很薄薄的蒸蒸气绝绝缘层层,能起吸吸音作作用。。45/76日本秋秋田—天空穹穹顶SkyDome,Akita,Japan,1990Span:130m×100m;Height:30mRoof:PTFE（单层层）屋盖的的格构构式空空间拱拱系沿沿长向向为空空腹拱拱、沿沿短向向为钢钢管拱拱。利用紧紧贴膜膜面的的钢管管拱作作为通通道，，向其其中送送暖风风，对对屋盖盖起融融雪作作用。。46/765.防火Fireproofing一般认认为，，PTFE膜材是是不可可燃材材料，，PVC膜材是是阻燃燃材料料。对对于永永久性性建筑筑，宜宜优先先选用用不可可燃类类膜材材。当采用用阻燃燃类膜膜材时时，应应根据据消防防部门门的要要求采采取适适当措措施。。例如，，应保保证建建筑物物的顶顶棚与与地板板之间间的距距离在在8米以上上，并并且避避免膜膜材及及其连连接件件与可可能存存在的的火源源接触触。47/76膜面应应具有有足够够的曲曲率，，以保保证结结构的的刚度度。6.其他Others优先选选择柔性边边缘构构件和可移动动支承承方式式（如桅桅杆））以使使膜内内应力力尽可可能均均匀，，避免免应力力集中中和褶褶皱。。结构应应具有有多道设设防措措施，以避避免因因膜材材的破破损造造成整整体结结构的的倒塌塌。单片膜的跨跨度不宜超超过15米，覆覆盖面面积不不宜超超过400平米；；否则则，应应适当当增设设加强强索。。膜材与与其它它物体体之间间的距距离不不应小小于膜膜面在在最不不利工工况下下变形形值的的两倍倍，且且不应小小于1m。48/76应考虑虑膜面面预张张力的的施加加方法法。a)直接张张紧膜膜面b)通过边边索张张拉c)张拉稳稳定索索d)柱顶顶顶升49/76§5.4.5节点设设计50/761.膜-膜连接接（1）缝合合连接接缝合连连接是一种种传统统的织织物连连接方方式，，主要要在工工厂内内制作作完成成；特特点是是比较较经济济，且且质量量容易易控制制。缝合连连接的的强度度较低低，一一般用用于不不能采采用其其他连连接方方式，，或膜膜内应应力较较小及及非受受力构构造连连接处处。在结构构排水水区应应慎用用缝合合连接接。51/76（2）粘合合或热热合连连接粘合连连接是通过过粘合合剂将将膜片片粘合合在一一起。。其耐耐久性性较差差，一一般用用于强强度要要求不不高或或现场场临时时修补补的地地方。。热合连连接是将膜膜材迭迭合部部分的的涂层层加热热融合合，并并对其其施加加一定定时间间的压压力，，使两两片膜膜材牢牢固地地连接接在一一起。。热合连接的的搭接宽宽度通常常为40~60mm，强度可可达到母母材强度度的80%以上。52/76（3）束带连连接束带连接接的优点点是安装装时便于于调整形形状、根根据情况况分步增增减拉应应力；缺缺点是消消耗大量量的人工工。为保护束束带节点点免受气气候影响响，通常常在其上上面增加加一层覆覆盖膜。。53/76（4）螺栓连连接螺栓连接接是一种种现场连连接方式式，适用用于结构构规模较较大，需需将膜材材分成几几个部分分在现场场拼接的的情况。。螺栓连接接的缺点点是，膜膜材与金金属连接接件的变变形不协协调，易易导致相相连膜片片处出现现应力集集中。此外，在在螺栓连连接中对对金属件件的防水水、防腐腐处理也也是需要要注意的的问题。。54/762.膜-索连接索套连接接螺栓连接接由于索与与膜之间间的材料料差异，，应使两两者之间间留有一一定的空空隙，以以适应在在荷载作作用下膜膜与索之之间可能能产生的的相对滑滑动。55/76束带连接接膜与谷索索连接绳边（ropeedge）构造56/76当膜面超超过15米以上无无中间支支承时，，为减小小膜面应应力，可可以利用用索或合合成纤维维带对膜膜面进行行局部构构造加强强。57/763.膜-钢支承结结构连接接（1）夹板连连接利用刚性性夹板直直接固定定膜边绳绳。做法法较为简简单，要要求夹具具与膜材材之间设设置衬垫垫；刚性性边缘构构件应先先倒角，，使膜材材光滑过过渡。58/76（2）绳轨(ropetrack)连接将膜边绳绳穿入铝铝合金制制成的绳绳轨内，，再通过过拉力螺螺栓将绳绳轨与刚刚性边界界相连。。59/76（3）束带连连接60/76（1）桅杆顶顶部连接接构造浮动节点点固定节点点4.膜端部连连接构造造61/76（2）膜角部部连接构构造62/76（3）避免节节点连接接部位的的膜材出出现应力力集中连接处的的钢构件件不得有有毛刺、、尖角；；在接触面面处设置置膜衬垫垫；必要时还还应对节节点附近近的膜材材进行局局部加强强。（1）结构强强度要求求不先于主主体材料料和构件件破坏。。★节点设计计的一般般原则（2）对结构构大变形形的适应应能力释放由于于大变形形所引发发的附加加应力作作用。63/76（5）施工张张拉要求求应保证预预张力施施加点处处的节点点具有较较高的强强度、刚刚度且便便于机具具操作。。还应考虑虑结构安安装偏差差与二次次张拉的的可能性性，使某某些节点点部位具具有一定定的可调调节性。。（4）对节点点的防水水防腐处处理节点连接接件宜选选用不锈锈钢或铝铝材，对对钢构件件必须做做镀锌或或涂装处处理。膜节点自自身也