膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括體形設(shè)計、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問題。1979年能容納5萬人的美國卡理阿體育館,只用了十幾個月,現(xiàn)在建造較大型的膜結(jié)構(gòu)建筑,只需幾個月就能完工。通過體形設(shè)計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定各控制點的坐標(biāo)、結(jié)構(gòu)形式，選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度，抗剪強度很差，因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預(yù)應(yīng)力來提高，對膜結(jié)構(gòu)而言，任何時候不存在無應(yīng)力狀態(tài)，因此膜曲面形狀終必須滿足在一定邊界條件、一定預(yù)應(yīng)力條件下的力學(xué)平衡，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行荷載分析和裁剪分析。

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膜結(jié)構(gòu)分類

3.充氣式膜結(jié)構(gòu)（Pneumatic Structure）

充氣式膜結(jié)構(gòu)是將膜材固定于屋頂結(jié)構(gòu)周邊，利用送風(fēng)系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓上升到一定壓力后，使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，以抵抗外力，因利用氣壓來支 撐，及鋼索作為輔助材，無需任何梁，柱支撐，可得更大的空間，施工快捷，經(jīng)濟(jì)效益高，但需維持進(jìn)行24小時送風(fēng)機運轉(zhuǎn)，在持續(xù)運行及機器維護(hù)費用的成本上較高。當(dāng)膜結(jié)構(gòu)在平衡位置附近出現(xiàn)變形時，可產(chǎn)生兩種回復(fù)力：一個是由幾何變形引起的。

膜結(jié)構(gòu)的修補

張拉膜結(jié)構(gòu)在安裝過程中會有意或無意地造成膜結(jié)構(gòu)膜面出現(xiàn)較小損傷，此時可以進(jìn)行現(xiàn)場修補。應(yīng)該對基層纖維布和涂層進(jìn)行定期檢查。對于小的裂口或長度小于5cm的小洞可以直接在膜結(jié)構(gòu)膜面外傭加焊補丁予以修復(fù)，補丁必須作圓角處理。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟

膜面褶皺問題

結(jié)構(gòu)上的褶皺（Drape）是指因膜面在一個方向上出現(xiàn)壓應(yīng)力導(dǎo)致膜材屈服而產(chǎn)生的褶皺現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)松弛是指膜面在兩個方向上都呈現(xiàn)無張力狀態(tài)，故松弛的膜面不能承受任何荷載。褶皺判別的兩種方法：（設(shè)拉為正、壓為負(fù)）

（1）應(yīng)力準(zhǔn)則：若主應(yīng)力σ2>0，膜元是張緊的；若σ2<0且σ2>0，膜元是褶皺的；若σ1<0，單元是松弛的。

（2）應(yīng)變準(zhǔn)則：若ε2>0，膜元是張緊的；若ε2<0且ε1>0，膜元是褶皺的；若ε1<0，單元是松弛的。在荷載分析中，在每一荷載增量步中對所有的單元進(jìn)行逐一判別，如發(fā)現(xiàn)褶皺單元，可按以下方法處理：

（1）修元剛度：減小褶皺單元對結(jié)構(gòu)總體剛度的貢獻(xiàn)，即修改褶皺單元的剛度矩陣，從而減小自身的實際荷載分擔(dān)，結(jié)果是增加了相臨單元的負(fù)擔(dān)。

（2）修改結(jié)構(gòu)剛度：回到找形階段，對曲面進(jìn)行修正，即通過修改局部區(qū)域的邊界條件或調(diào)整預(yù)應(yīng)力的方法來修正結(jié)構(gòu)的剛度。

常用的膜結(jié)構(gòu)幾何非線性荷載分析軟件有：美國ANSYS，德國EASY（EasyScan）、意大利Forten32、新加坡WinFabric，英國InTENS等等。