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膜结构设计流程

2020-03-17

膜结构的设计由于其自身的特点不同于一般传统结构形式,要经过如下四个步骤。

一、建筑方案设计

一般由建筑师根据业主的意图、功能要求、环境条件等初步确定建筑的平面形状尺寸、空间形式及三维造型、净空体量等,基本确定各控制点的坐标。考虑经济和施工工艺等技术条件,与膜结构工程师、业主及施工技术人员等一起确定经济合理的初步设计方案。

二、找形分析

对于索膜结构而言,在没有施加预应力之前,是没有结构刚度的,也就是说膜结构不存在无应力状态。由于膜材料本身没有抗弯刚度,其曲面形状与预应力值的大小和分布是一一对应的,因此在控制点坐标确定后,给定一合理的预应力值及其分布,才能确定合适的膜曲面形状。预应力值的大小与分布是需根据多方面的条件进行反复调整后综合确定的,这个过程叫做找形分析。

三、荷载分析

膜结构的控制荷载通常是风载和雪载。在荷载作用下膜结构的变形较大,因此计算结构的变形和应力分布要用几何非线性的方法进行。根据不同工况下计算出的索、膜、梁、杆等结构构件中的内力分布的不利情况,来选定索、膜等材料的型号及尺寸,确定详细的节点做法及构造措施等。因此,经济的索膜建筑要经过仔细的内力分析后才能完成,不是凭经验拍脑袋就能确定得了的。

荷载分析的另一目的是检验确定索、膜中初始预应力,一般来说在找形分析时先根据经验假定一预应力值及其分布,然后经荷载分析来判定其合理性,即预应力的大小与分布应使在不利工况下要满足使用要求、整体和局部位移要求及排水功能等要求。

膜结构工程

四、剪裁分析

剪裁分析就是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布,然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。为物尽其用,一般要按照膜材料幅宽进行裁剪,但要兼顾到膜曲面曲率变化情况。由于膜材料具有双向异性性质,故裁剪线的布置要与计算时所设定的膜材经纬向一致,才能让计算结果与实际相符。

膜材料的裁剪下料通常是在无应力状态下进行的,如何在预应力的形体上进行无应力状态下的裁剪分析,学者进行了研究,提出了诸如几何法、小二乘法、动态规划法与平面热应力原理相结合的有限单元法等多种方法,但在实际工程中还要考虑以下几点:

1、确定膜的经纬向布置及膜片之间现场拼接缝位置,膜的经纬向布置会影响观瞻、膜材的利用率、制作的工作量等,还须与计算模型相吻合。现场拼接缝处理不当容易漏雨,所以一般在脊处作为现场拼接缝比较合适。

2、膜材与硬边界的连接点处,应考虑特殊的补偿值,以便于安装。

3、要让索边界的工作点不变,对于其它硬性边界,由于构件本身存在一定的空间尺度,可根据实际情况改变膜的工作点或保持膜的工作点不变,变换连接构件的做法,但一般说来后者较困难一些。另外,边角处膜的剪裁应严格按照实际结构构造做法尺寸进行裁剪。

4、膜的剪裁要利用膜材料的幅宽,即考虑了热合搭接长度、预应力伸缩补偿、边界做法等因素后,裁出的膜片要尽量接近膜材的幅宽。

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