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膜结构设计基础知识

来源:    发表日期: 2015-3-26    阅读次数: 3454

                           膜结构设计基础知识

膜结构按其结构形式可分为钢结构、张拉结构及充气结构;
按膜材特性又可分为永久性膜结构(膜材使用年限可超过25年)、半永久性膜结构(膜材使用年限为10-15年)及临时性膜结构(膜材使用年限为3-5年);
按膜材成分又可分为PVDF膜材、PTFE膜材及ETFE膜材。
膜结构是一种建筑与结构完美结合的结构体系;它是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成具有一定刚度的稳定曲面,能承受一定外荷载的空间结构形式;这种结构形式特别适用于大型体育场馆、人口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。用于膜结构中的膜材是一种具有高强度、柔韧性好的薄膜材料;中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维,而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂(PVC,硅酮及聚四氟乙烯树脂(PTFE),它具有轻质、柔韧、厚度小、重量轻、透光性好;对自然光有反射、吸收和透射能力;它不燃、难燃或阻燃;具有耐久、防火、气密良好等特性;表面经氟素处理(涂覆PVFPVDF)的膜材、自身不发粘、有很好的自洁性能。
膜材主要分为pvdf膜材ptfe膜材二氧化钛膜材etfe膜材。还有一些类似沼气膜材,污水厂耐腐蚀膜材膜材等特殊定做的膜材。
进口pvdf膜材主要品牌有意大利耐弛、德国海德斯、德国杜肯、法国法拉利、比利时(法国)希运、日本平冈。
进口ptfe膜材主要品牌有美国圣戈班、日本中兴化成、沙特PTFE膜材的国内的品牌有科宝,ZZF,锦达,星益达

膜结构的设计主要包括体形设计、初始平衡形状分析、荷载分析、裁剪分析等四大问题。通过体形设计确定膜结构平面形状尺寸、三维造型、净空体量,确定各控制点的坐标、结构形式,选用膜材和施工方案。初始平衡形状分析就是所谓的找形分析。由于膜材料本身没有抗压和抗弯刚度,抗剪强主芤很差,因此其刚度和稳定性需要靠膜曲面的曲率变化和其中预应力来提高,对膜结构而言,任何时候不存在无应力状态,因此膜曲面形状最终必须满足在一定边界条件、一定预应力条件下的力学平衡,并以此为基准进行荷载分析和裁剪分析。膜结构找形分析的方法主要有动力松弛法、力密度法以及有限单元法等。膜结构考虑的荷载一般是风载和雪载。在荷载作用下膜材料的变形较大,且随着形状的改变,荷载分布也在改变,因此要精确计算结构的变形和应力要用几何非线性的方法进行。荷载分析的另一个目的是一确定索、膜中初始预应力。在外荷载作用下膜中一个方向应力增加而另一个方向应力减少,这就要求施加初始张应力的程度要满足在最不利荷载作用下应力不致减少到零,即不出现皱褶。因为膜材料比较轻柔,自振频率很低,在风荷载作用下极易产生风振,导致膜材料破坏,如果初始预应力施加过高,膜材涂变加大,易老化且强度储备少,对受力构件强度要求也高,增加施工安装难度。因此初始预应力的确定要通过荷载计算来确定。经过找形分析而形成的摸结构通常为三维不可展空间曲面,如何通过二维材料的裁剪,张拉形成所需要的三维空间曲面,是整个膜结构工程中最关键的一个问题,这正是裁剪分析的主要内容。







 
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