空间膜结构设计概论

空间膜结构设计概论1、膜结构与膜材料1.1膜结构概念、起源和发展膜结构(MembraneStructure)，也即张拉膜结构(TesionedMembraneStructure)，是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成的稳定的承力体系。膜只能承受拉力而不能受压和弯曲，其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障，因此需制作成凹凸的空间曲面，故习惯上又称空间膜结构。古老的膜结构在公元前几千年就已经出现，最早是由天然枝条和兽皮搭成的帐篷(Pavilion)，然后发展到由铁木和帆布制作成各种各样的形状。但是，从欧洲古罗马帝国、中国汉朝时代到十九世纪末，膜结构几乎处于一个停滞发展的阶段。直到第二次工业革命,化学工业和工程力学迅速发展，高分子合成材料技术得到大力改进，膜材料摆脱茹毛饮血的状况,现代膜结构才开始蓬勃发展。另外，两次世界大战也加快了膜结构的发展。1917年美国兰彻斯特建议利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀，作野战医院，但没有真正成为使用的产品。1946年，一位名为贝尔德的人为美国军方做了一个直径15m圆形充气的雷达罩，由此而衍生出了新的膜结构工业产业。最受人注目的是1967年FreiOtto设计的加拿大蒙特利尔博览会上的西德馆，其以轻质透明有机织片作为顶部结构，开了膜结构商业化的先河。1970年日本大阪万国博览会上一座气承式膜结构的拟椭圆形美国馆（尺寸140×83.5m），首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物，这是世界上第一个大跨度的膜结构。以后，膜结构象雨后春笋，迅速发展。膜结构的发展总是和膜材（MembraneMaterial）的进步分不开的，下面先介绍膜材料。1.2膜材料的组成和分类通俗地讲，膜材就是氟塑料表面涂层与织物布基按照特定的工艺粘合在一起的薄膜材料。常用的氟素材料涂层有PTFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等。织物布基主要用聚酯长丝（涤纶PES）和玻璃纤维有两种。膜材的粘合就是将涂层与基材合二为一组成整体。建筑结构所用的膜材大多是以压延成型和涂刮成型的。所谓压延成型，就是将选定的软PVC经塑炼后投入压延机，按照所需厚度、宽度压延成膜，立即与布基粘合，再经过轧花、冷却即可制得压延膜材。而涂刮成型，则是将聚氯乙烯糊均匀地涂或刮在布基上，再加热处理即可获得涂刮膜材，普遍的是采用刮刀直接涂刮，也有采用辊式涂刮的。获根据表面煤涂孕层械(Coati甚ng旅)摊和织物基轮材忙(Layer贤)崭不同，膜材料托分为三大类。星（惜1堵）款A票类膜材是玻璃饶纤维布基上敷娱聚四氟乙烯树爆脂尺(PTFE框)抗，这种膜材的骑化学性能极其放稳定，露天使缸用寿命贷达稻2为5颈年以上，为不睁燃材爸料贩(挨通臭过须A掌级防火测父试浪)虫。差(2)迈B瓶类膜材料是玻斩璃纤维布基上刚敷硅酮涂层，停由于膜材自身乎性能欠佳，现态在基本不再使张用竟。僻(3)顾C卵类型膜材料是历聚酯长丝布基炎上涂聚氯乙烯戏树券脂缠(PVC着)头，这种膜材受殖自然条件如日彼晒雨淋等影响钩较大，一般使湿用寿命虚为想1裙0捕年瓜至懒1信5宵年，是难燃材写料聪（专(歪通棍过射B冤1死级防火测殊试灿)述。红腥解1.3诸就膜材料的性质汁膜作为继晚木材、砖石、捏金属、混凝土肯之后的第五代屑建筑结构材料吴，具有显著的兰自身特性。第盟一代木材和第然三代钢材拉压区性能均良好，转第二代砖石和师第四代混凝土是则只具备良好炼的抗压能力，号作为第五代的幻膜材料则只能芝受拉，没有承狐压和抗弯曲能者力，这是膜的圆最本质的特征编。具体地讲，矿膜材的主要特排征如下：粉啦（仁1摆）拉伸性能疮膜材的拉黄伸性能包括拉阵伸强摄度允(Tensi黑onnSt液rength债)珠、拉伸模爆量连(Modul篮usof留Elasti恨city坟)录和泊松悉比距(Poiss丙o叹n欧’忍sRati朵o拨)返三个力学指标扬。膜材本身不却能受压也不能拐抗弯，但具有喘很高的拉伸强龄度，所以要使滥膜结构正常工枪作就必须引入田预拉力、并形重成互反曲面。徐通常膜材料的椅拉伸强度都可苗达杠100MP士a抱以上。妖模材应福力册-让应变关系是非想线性的，一般央采用切线模量绞作为弹性模量嘉，膜材的弹性胆膜量约为钢初的帐1/绒3呼左右。膜材的痕泊松比，即横掉向变形特征，联约城为拼0.扬2虎左右。由于膜赵是双向受力结村构，设计时必赠须以膜材的双钩轴拉伸实验确撑定膜的弹性膜摆量及泊松比。末居（捡2灯）撕裂强度塔膜材是张眉拉结构材料，江其撕裂破坏比秃受拉破坏要严港重很多，所以奉撕裂强度和抗耐撕裂性能非常洲重要汗。怪PV雹C糖涂覆聚酯长丝适织物具有中等痒的撕裂强度桥，此PTF适E殖涂覆玻璃纤维哈的材料具有较西高的撕裂强度学。经芒（沃3奇）正交异向性预张拉膜结恳构曲面需要经梦向和纬向两个裹主轴方向反向弓曲率来保证，统一个方向的曲谈率向下凹，另衫一个方向必须零向上凸。传统趣膜材基材是由妇经羞﹑木纬向纱线编织爸而成，因而呈晨现很强的正交葛异性性能，经私纬向变形能力魄相差节达狐3-寒5蹦倍之多。冒破（饿4捏）蠕变和松弛艇蠕变和松独弛是膜材的另铸一个重要特性圈，也是膜起皱仔和失效的重要船原因，在裁剪珠分析和加工时案需要考虑这个设因素。聚酯长张丝织物在使用信的头十年里就具会因为蠕变丧昆失屡50本%灵的预张拉力，睡相反，玻璃纤服维织物要稳定鲜很多。隆妥（现5替）非力学性质驼：安全方面的畅性质，如耐久其性、防火性能买、防雷性能等锯；非安全方面揭性质，如隔音肥或音响性能、催自洁性能等等加。并由于膜结春构的造型要求少和膜材自身特米性的原因，膜夏结构设计与其蜡它结构有很大钩的不同。膜结兽构设计包括形印状确燥定候(宫“速找虾形策”允，愚FormF靠inding哨)形、荷载分草析溪(Loadi趴ngCas对eAnal物ysis础)强和裁剪分蜓析影(Cutti史ngPat湖tern胁)拨等三方面内容荣，下面分别论蚂述。错2晨夜膜结构的形状辽确定马社含2.1丰架形状确定的概停念纺膜结构的扯形状确定问题赢就是确定初始裙状态的问题，揭在许多专著上厨被称碑为亏“趣找麦形拴”销（港FormF吗indin置g阿）。膜结构的河形状确定问题海有两种类型：违敞（叙1肉）给定预应力旦分布的形状确源定问题：预先策假定膜结构中枕应力的分布情敏况，在根据受什力合理或经济电原则进行分析并计算，以得到于膜的初始几何蜘状态。矩就（剪2惠）给定几何边仙界条件的形状丧确定问题：预榆先确定膜结构敞的几何边界条桐件，然后计算糊分析预应力分施布和空间形状牢。但肥皂泡就帽是最合理的自近然找形的膜结都构。最初的找敞形正是通过皂朱膜比拟来进行堂，后来发展到宏用其他弹性材脚料做模型，通辣过测量模型的析空间坐标来确觉定形状，对于哥简单的外形也图可以用几何分捎析法来确定，愤膜结构找形技初术的真正发展欧来自计算机有累限元分析方法雨的发展。为了麻寻求膜结构的午合理的几何外旗形，需要通过缺计算机的多次吨迭代才能得到闭。坝常用的计渣算机找形方法嘴有：力密度法齿、动力松弛法异、有限元法。斥洽费2.乱2挺力密度法膀索网结构古中拉力与索长恼度的比值定义睬为力密度教（慰Force压Densit按y文）。力密度法傅（现Force变Densit叶yMeth蚀o章d鞭）是浑由敬Linkwi厌tz奔陵及兔Sche枪k扫提出来的，原荐先只是用于索孔网结构的找形乓，将膜离散为寸等代索网，后抵来，该方法被纪用于膜结构的抓找形。把等代府为索的膜结构接看成是由索段躁通过结点相连概而成，通过指史定索段的力密伙度，建立并求该解结点的平衡仇方程，可得各膝自由结点的坐级标。叶不同的力究密度值，对应歌不同的外形。叔当外形符合要斩求时，由相应旬的力密度即可稠求得相应的预皂应力分布值。渣力密度法也可蒸以用于求解最详小曲面，最小早曲面时膜内应批力处处相等，协肥皂膜就是最鹰好的最小曲面伟的例子。实际通上的最小曲面燕无法用计算机区数值计算方法鞭得到，所以工化程上常采用指沾定误差来得到莫可接受的较小挨曲面。达力密度法免的优点是只需不求解线性方程碧组，其精度一哭般能满足工程灯要求。用力密闹度法找形的软锻件有德割国越EAS躺Y神（商EasyFo领r款m甩）、意大研利谷Forten样3耽2佩、新加宇坡睬WinFab跪ri年c单等。恭衔钓2.3糟该动力松弛法神动力松弛投法唇(Dyna踏micRe凤laxati晃onMet编hod园)喝是一种专门求数解非线性系统触平衡状态的数翻值方法，他可狠以从任意假定框的不平衡状态扶开始迭代得到杰平衡状态，最逆早将这种方法让用于索网结构乐的拦是推Day撑袄和宝Bunc棒e钞，外而网Barne愉s离招则成功地应用泛于膜结构的找宾形。奏力密度法促只是从空间上阿将膜离散化，顾而动力松弛法富从空间和时间驶两方面将膜结府构体系离散化冤。空间上的离扒散化是将结构迈体系离散为单伟元和结点，并浙假定其质量集酱中于结点上。匹时间上的离散色化，是针对结雀点的振动过程却而言的。初始烫状态的结点在资激振力作用下瞧开始振动，这劣时跟踪体系的虏动能；当体系冤的动能达到极程值时，将结点略速度设置为零匆，跟踪过程重放新开始，直到界不平衡力为极经小，达到新的辞平衡为止。盆动力松弛边法最大特点是兵迭代过程中不潜需要形成刚度叮矩阵，节约了越刚度矩阵的形傅成和分解时间泄，并可在计算示过程中修改结寨构的拓扑和边玉界条件，该方开法用于求解给承定边界条件下吊的平衡曲面。习其缺点是迭代光步骤往往很多我。用动力松弛障法找形的软件骗有英伐国慕InTEN闸S胶、新加组坡蛇WinFab俱ri腿c喝、英闸国拉Sufac馋e馋等。责任拣2.4酷爷有限单元法撤有限单元缠法次（驱Finite磁Eleme蚊ntMet辅ho雷d松）最初是用来殊计算索网结构傻的非线性迭代赛方法，但现在液已成为较普遍浇的索膜结构找呈形方法。其基渐本算法有两种廉，即从初始几哀何开始迭代和旨从平面状态开剪始迭代。显然津，从初始几何地开始迭代找形藏要比从平面状蹲态开始来得有伶效，且所选用舅的初始几何越绵是接近平衡状性态，计算收敛布越快，但初始伟几何的选择并捡非容易之事。桶两种算法中均冰需要给定初始矩预应力的分布街及数值。在用静有限元法找形芽时，通常采用弹小杨氏模量或丰者干脆略去刚研度矩阵中的线顶性部分，外荷怠载在此阶段也稀忽略陕。私瞒有限元迭潜代过程中，单伤元的应力将发甜生改变。求得寿的形状除了要御满足平衡外，懒还希望应力分鹅布均匀，大小辰合适，以保证淘结构具有足够沟的刚度。因此被，找形过程中咬还有个曲面病楼态判别和修改须的问题，或者沉叫形态优晋化马(接包括几何形态赴优化、应力形位态优化和刚度为形态优化迎等贺)须。用有限元法句找形的软件有肯澳大利恨亚骆FABDE辈S破等。旋经过找形烘确定的结构初穿始形状满足了衡初应力平衡条租件并达到预想橡的形状，但其播是否满足使用亦的要求，还必北须进行荷载效筋应分析。毁3削、膜结构的荷赞载分析纽动登3.1涝肉荷载分析的内舰容和方法敞膜结构的腥荷载分析是在洒形状分析所得垒到的外形与初宿始应力分布的姥基础上进行的隙，检查结构在宽各种荷载组合盯下的强度、刚副度是否满足预垫定要求的过程怪。姥膜结构的缎找形有不同的顾理论方法，但忠荷载分析基本兆上都采用非线尊性有限元灯法虏(Nonli岛nearF纺inite鲜Elemen游tMeth拖od总)绢，即将结构离胶散为单元和结布点，单元与单胞元通过结点相贩连，外荷载作某用在结点上，市通过建立结点劲的平衡方程，夜获得求解。壮由于索膜棉结构是大变形伪问题，在推导晋有限元方程时趟，需考虑位移隆高阶项对应变夕的影响，即考诞虑几何非线性蒙。当然，膜材废本身也是非线务性的，在工程疮应用上时，材游料的非线性问母题一般不予考胖虑。座拜揉3.2劣硬风荷载作用减膜结构区鞠别于传统结构旧的两个显著特纳点是轻和柔。讯轻，意味着结焦构自身重量和杏惯性力小，自器重不是主要荷燥载，地震力可剃以忽略不计，茂而风是主要荷殊载；柔，意味谎着结构无抗弯诱刚度，阴结构对外荷载洒的抵抗是通过帖形状改变来实猜现的，表现出匪几何非线性特戏征。膜结构的捆特点决定了膜转结构是风敏感驴结构，抗风设想计在膜结构设扫计中处于主要鼠地位。校膜结构轻五、柔、飘的显币著特点决定了亿膜结构抗风计栽算的内容也有尼自身特点。秃贪（课1扰）静风压体型头系数的确定违风荷载体叹型系数是描述杯风压在结构上丛不均匀特征的撑重要参数，一板般结构的体形接系数可以从荷绑载规范查得。桨但膜结构形状研各异，不能从债荷载规范直接抬获得风压体型棉系数。所以，傅较大的膜结构董基本都要求进街行风洞试验，秀以获得比较正蜓确的膜结构的丢局部风压净压兵系数和平均风粥载体形系数。军由于风洞试验泳要满足一系列止的相似准则，梁如几何相似、芽雷诺数相似等递，通常要完全菜满足这些相似穷条件是不可能异的，因此风洞逆模拟实验结果肌有时会超过实阀测值很多。见拼（储2巾）脉动风压系灭数的确定翠膜结构在吨荷载作用下的伤位移较大，结耐构位形的变化溜会对其周围风享场产生影响，私所以膜结构的骑风动力响应过酿程是流固耦合白过程。这种动腐力过程的风洞伟试验必须采用咐气动弹性模型评，因此实现起抛来技术难度较尚大。近年来发析展吹的搜“壁数值风抵洞聋”海技术受到越来这越多的重视。奉这种技术简单与的说就是将计庸算流体力学绞（打CF架D那）和计算结构盼力学捕（腥CS饲D缎）技术结合起惠来，用计算流鄙体力学来模拟惠结构周围的风伪场，用计算结迫构力学来模拟辆膜结构，再借戚助某些参数的医传递来实现两摸者之间的耦合宽作用，不过，视该方法还处试姜验阶段。位策（啊3凉）风振动力分阳析稍风力可分播成平均风和脉须动风两部分。淘平均风的周期餐较长，其对结右构的作用性质型相当于静力。全脉动风的周期刺较短，其对结耳构的作用为动蛋力性质。当结沾构的刚度较小动，自振频率较编低时，在脉动汉风荷载的作用卧下可能产生较妨大的变形和振附动，所以在设病计索膜这类小兰刚度结构时，举应进行风振动治力计算。索膜洪结构具有振型处频谱密集、非脂线性特征和三驶维效应不可忽洲略等特点，针染对高层和桥梁变结构的风振分店析方法不能直征接应用。索膜霸结构的响应与桃荷载呈非线性捏关系，对于索妻膜结构定义荷性载风振系数或雅阵风系数在理星论上也是不正金确的。想受（磁4胜）空气动力失岸稳裂膜结构是狐风敏感结构，裳存在空气动力粘失稳或（拾Aerody蜡namic偶Instab毙ilit亦y哭）的问题。从桃本质上看，结轿构空气弹失稳稠是由于结构在栏振动过程中从砌与气流的振型犯耦合中吸收能芽量，当吸收能火量大于耗散能岗量时，就会产时生能量累积，庆当这种能量累茶积达到某一阀修值（临界风速纯）后，结构就巷会从一种低能兆量（稳定）的卡振动形式跃迁途到另一种高能崖量（不稳定）示的振动形式上严去。所以，膜被结构存在设计谣风速作用下的倒动力失稳问题猎，幸运的是至膊今还没有这方图面破坏的膜结干构实例。煤按脱3.汁3奴膜面褶皱问树题慕丢结构上的缝褶发皱舅(Drape爹)电是指因膜面在员一个方向上出庸现压应力导致肝膜材屈服而产牵生的褶皱现象妥，而结构松弛期是指膜面在两智个方向上都呈协现无张力状态绢，故松弛的膜苦面不能承受任撇何荷驴载。褶皱判别疼的两种方法：忆（设拉为正、热压为负）袜为（吉1标）应力准则：尝若主应珠力准紫σ仇2>役0含，膜元是张紧快的；播若恨σ劲2<绞0已且委σ执2>谱0赏，膜元是褶皱择的；周若允σ挨1<载0尼，单元是松弛彩的。朗杯（赛2托）应变准则：外若神仗ε帜2>碍0骗，膜元是张紧倾的；松若夺ε唯2<姐0略且革ε漠1>消0碌，膜元是褶皱述的；轮若蜜ε编1<盗0世，单元是松弛撕的。在荷载分摄析中，在每一淹荷载增量步中觉对所有的单元积进行逐一判别扮，如发现褶皱钞单元，可按以欣下方法处理：荡械（拉1询）修改单元刚娇度：减小褶皱遣单元对结构总顿体刚度的贡献柄，即修改褶皱御单元的刚度矩趴阵，从而减小隐自身的实际荷殿载分担，结果药是增加了相临学单元的负担。径通（琴2晌）修改结构刚岁度：回到找形呈阶段，对曲面踢进行修正，即爱通过修改局部怕区域的边界条小件或调整预应损力的方法来修聚正结构的刚度博。瓣常用的膜附结构几何非线妙性荷载分析软旨件有：美累国蛇ANSY前S对，德叛国饿EAS拍Y嘉（杂EasySc美a阶n森）、意大但利孕Forten颠3躲2嘴、新加迈坡梁WinFab治ri锹c掠，英贿国璃InTEN称S薄等等放。绵梦4挎、膜结构的裁喘剪分析乞您独4.1嫩障裁剪分析的内孙容掘上面已经窗提到，膜结构尚的分析包括三磁大方面内容，况即形状确某定杂(Form吓Findin挡g礼)惨、荷载分衡析满(Loadi采ngCas修eAnal挤ysis塔)赴和裁剪分析竖（盾Cuttin来gPatt炒er物n缴）。裁剪分析窝，就是将由找浪形得到并经荷送载分析复核的瓦空间曲面，转驼换成无应力的后平面下料图。昌裁剪分析包含烂三个步骤：鸦膛（金1伙）空间膜面剖销分成空间膜条禁膜结构是没通过结构来表鸽现造型，空间员膜面在剖分成葱膜条时，要充屯分考虑膜条的释边线即热合缝朽对美观的影响拾；同时膜材是要正交异性材料练，为使其受力帐性能最佳，应薯保证织物的经君、敢滩纬方向与曲面漫上的主应力方安向尽可能一致零；此外，用料六最省、缝线最干短，也是进行由膜面剖分必须仔考虑的因素。首脏（蜻2欣）空间膜条展业开成平面膜片剂空间膜条新展开成平面膜钩片，即将膜条艺的三维数据转虾化成相应的二暗维数据，采用昏几何方法，简宣单可行。但如伞果膜条本身是绘个不可展曲面讯，就得将膜条强再剖分成多个斧单元，采用适学当的方法将其具展开。此展开即过程是近似的贵，为保证相邻付单元拼接协调画，展开时要使贯得单元边长的笛变化为极小。渠符（哭3压）应力状态转戴化到无应力状绕态穗从应力状滤态到无应力状羊态的转化，即归释放预应力、抢进行应变补偿蜘。膜结构是在膨预应力状态下深工作的，而平友面膜材的下料它是在无应力状压态下进行的，惹为确定膜材的锦下料图，需对镇膜片者释放预应力，池并进行应变补泥偿。这里的补给偿实际上是缩播减，在此基础难上加上热合缝锹的宽度，即可抖得膜材的下料铸图。绍上述过程肾，即为裁剪分晓析。进茧乔4.2臣竟测地线裁剪法冷裁剪分析猴与找形技术的急产生及发展过抵程极为相似，抱都是从测量实束物模型开始的辟，对于简单规绘则的可展曲面症，可直接利用贪几何方法将其远展开。现代概小念上的裁剪分筒析，主要还是牧依赖于计算机确技术的发展而昌发展的。在此员过程中，产生虑了许多方法，榜如测地线法、扔有限元法、优旺化分析法，等续等。下面介绍露被广泛应用的仰测地线众法柳(Geod讽esicL费ineMe架thod)绳钟。鞋测地线又业称短程线，是汁大地测量学的土概念，其通常可被理解为：经曾过曲面上两点尊并存在于曲面担上的最短的曲孝线。所以用测续地线作裁剪分短析，就是以测沈地线来剖分空慌间膜面。这样架做的好处是热恐合缝最短、用尸料较省，但热享合缝的分布及惊材料经、纬方鉴向的考虑不易屯把握。洒求曲面上村的测地线的问辜题，实际上是杨一个求曲面上欢两点间曲线长后度之泛函极值阶的问题。由于拆膜结构几何外咽形的新奇多变色，也就无法得涛到曲面上两点隙间曲线长度的存泛函的显式，嘱所以通常是求拳极值确定测地爆线上的若干点扩，再用线性插汁值的方法求中霸间点，从而求垫得测地线卖。绸抛有了测地顶线就可以确定伪裁剪线：直接灭以测地线为裁馅剪线或从一条担测地线向另一似条测地线作垂甚线，以垂线中防点的连线作为叛裁剪线。陕黄度4.3路春应变补偿督膜结构是蜓在预张力作用障下工作的，而皱膜材的裁剪下胜料是在无应力愉状态下进行的仅