膜結(jié)構(gòu)的形狀確定

1.形狀確定 的概念

形狀確定，或者說找形，是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一步。在這一過程中，需要綜合考慮建筑的平面、立面要求和建筑功能以及下部支承條件等因素來確定符合邊界條件和力學(xué)平衡要求的曲面形狀。實(shí)際上，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的“先建筑，后結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)方式，要求建筑師和結(jié)構(gòu)師在方案建議階段便緊密結(jié)合在一起，共同確定建筑物的外形。

從力學(xué)的角度來看，甘肅膜結(jié)構(gòu)的找形問題可以歸結(jié)為求解空間曲面的初始平衡問題。這一問題包含了如下幾個重要參數(shù)：①結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系；②體力和面力；③結(jié)構(gòu)幾何形狀；④幾何邊界條件；⑤初始預(yù)張力的大小和分布。其中，結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系是指不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接關(guān)系，在計(jì)算機(jī)有限元模型中，也可以將其理解為結(jié)構(gòu)單元之間的連接關(guān)系。體力和面力是指結(jié)構(gòu)自重和外荷載，在找形階段外荷載通常為零。結(jié)構(gòu)幾何形狀是找形階段所要求解的，一般屬于未知量。幾何邊界條件和初始預(yù)張力通常由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)建筑條件和施工條件等因素來綜合確定，是找形階段的主要自變量?？梢哉f，找形就是尋求以上諸多因素的平衡點(diǎn)。

2. 形狀確定的一般原則

建筑師在構(gòu)思甘肅張力膜結(jié)構(gòu)的外形時，需注意以下幾點(diǎn)：

（1） 曲面的彎曲應(yīng)在兩個方向上互反，即應(yīng)為負(fù)高斯曲面。張力膜結(jié)構(gòu)受風(fēng)壓力和風(fēng)吸力作用，利用方向互反的曲面，可以使膜面在兩個方向上相互制約，有效傳遞外荷載。

（2） 避免出現(xiàn)大面積的扁平區(qū)域。曲面上出現(xiàn)大面積的扁平區(qū)域，意味著曲面的自然剛度低，承受豎向荷載的能力弱，容易積水或積雪；為了增加扁平區(qū)域曲面的剛度，需要給曲面施加非常大的預(yù)應(yīng)力，這就會導(dǎo)致作用于邊界構(gòu)件上的力很大，甚至無法實(shí)施。

（3） 曲面上的高低起伏宜平緩，避免出現(xiàn)“尖角”。曲率變化過于劇烈會導(dǎo)致應(yīng)力集中。

圖片

在結(jié)構(gòu)體系布置方面，應(yīng)考慮以下基本原則：

（1）合理確定支承點(diǎn)的位置，以保證膜面具有較大的曲率。沿膜主曲率方向的拱高 f 與弦長 c 之比 f/c宜大于 1/20。

（2）在條件許可的條件下，宜優(yōu)先選擇柔性邊緣構(gòu)件（索）和活動式連接方法（如桅桿頂部采用浮動式帽圈、節(jié)點(diǎn)用鉸接連接構(gòu)造），以適應(yīng)變形、保證膜內(nèi)應(yīng)力盡可能均勻，避免在荷載作用下膜材出現(xiàn)應(yīng)力集中或褶皺。

（3）對于比較重要的膜結(jié)構(gòu)，應(yīng)在膜材之外布置適當(dāng)數(shù)量的附加拉索對主要支承構(gòu)件進(jìn)行固定，以保證結(jié)構(gòu)不會因膜材的破損而倒塌。

（4）支承結(jié)構(gòu)的布置還要考慮具體的施工過程、二次張拉和膜材更換等問題。

（5）單片膜的跨度不宜超過 15 米，覆蓋面積不宜超過 400 米；如果超過此限值，應(yīng)適當(dāng)增設(shè)加強(qiáng)索。

（6）預(yù)張力的大小需要預(yù)期的形狀和設(shè)計(jì)荷載來確定。在設(shè)計(jì)荷載的作用下，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有維持曲面形狀的拉應(yīng)力值。預(yù)張力過小會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載的作用下出現(xiàn)較大的振動；預(yù)張力過大又會給支承結(jié)構(gòu)（包括基礎(chǔ)）的設(shè)計(jì)和施工張拉帶來困難。通常對于 PVC 膜材，預(yù)張力水平為 1～3 kN/ m；對于 PTFE膜材，預(yù)張力水平為 3～6 kN/ m。