第八章 新型钢结构 膜结构简介

膜结构图纸 1、建筑图 2、结构图
4、夹板图 3、加工图
谢谢！
南侧鸟瞰
240m跨度
的拱构架
屋
上的膜屋 顶
顶
外
16000m2
侧
屋顶下的
看台
屋顶仰视
巴尔的摩6号码头音乐厅，美国
索膜篷顶由纤细的桅杆支撑，桅杆被对地面产生最 小影响的钢索约束。篷顶的拉索从混凝土码头边的地面 上升起，将屋顶升至可以通过的高度，屋顶显得很轻。
鸟瞰中的 音乐厅
内 景
吉隆坡国家体育综合体育场，马来西亚
动力松弛法不需要形成结构的总体刚度矩阵， 在找形过程中，可修改结构的拓扑和边界条件，计 算可以继续并得到新的平衡状态，该方法用于求解 给定边界条件下的平衡曲面。
有限元找形法
有限元法找形现已成为较普遍的索膜结构找形 方法，其基本算法有从初始几何开始迭代和从平面 状态开始迭代。显然，从初始几何开始迭代找形要 比从平面状态开始来得有效，且所选用的初始几何 越是接近平衡状态，计算收敛越快，但初始几何的 选择并非容易之事。两种算法中均需要给定初始预 应力的分布及数值。在用有限元法找形时，通常采 用小杨氏模量或者干脆略去刚度矩阵中的线性部分， 外荷载在此阶段也忽略。
在有限元迭代过程中，单元的应力将发生改变。 求得的形状除了要满足平衡外，还希望应力分布均 匀，大小合适，以保证结构具有足够的刚度。因此， 找形过程中还有个曲面病态判别和修改的问题，或 者叫形态优化。遗传算法在这方面具有一定的优势。
六、关于材料的非线性与各向异性
膜材是非线性复合材料。原因有：纤维(纱线) 间的约束随经纬向应力比不同而变化；纤维本身在 荷载下的性能就是非线性的；涂层的性能是非线性 的，并受时间的影响；由于编织，经纬向纤维在初 始状态是松弛的，而涂层对纤维受拉变直又有约束 作用。
力密度法（Force Density Method）
力密度法是一种用于索网结构的找形方法，若将 膜离散为等代的索网，该方法也可用于膜结构的找 形。所谓力密度是指索段的内力与索段长度的比值。
把索网或等代的膜结构看成是由索段通过结点 相连而成。在找形时，边界点为约束点，中间点为 自由点，通过指定索段的力密度，建立并求解结点 的平衡方程，可得各自由结点的坐标，即索网的外 形。不同的力密度值，对应不同的外形，当外形符 合要求时，由相应的力密度即可求得相应的预应力 分布值。力密度法的特点是只需求解线性方程组， 计算精度能满足工程要求。
七、常见找形软件简介
常见软件：
1. EASY,德国，力密度法找形 ，几何非线性分 析， 测地线裁剪。
2. WinFabric, 新加坡，几何法,力密度法及动力松 弛法找形，几何非线性分析，有限元（等参单元） 法裁剪;
3. inTENS，英国，动力松弛法找形，几何非线性 分析，测地线裁剪;
这些软件都包括找形，荷载态分析，及裁剪等全 部内容，可生成直接供电脑控制的裁剪机器下料的数 据。
由于所采用的张拉预应力及设计工作应力远小 于膜材的抗拉强度（通常预应力不超过5%的抗拉强 度，工作应力不超过20%的抗拉强度），在设计应 力范围内，认为膜材是处于弹性阶段，亦即不考虑 材料的非线性。
膜材是由基材加表面涂层复合而成，而基材是
由经﹑纬向纱线编织而成，因而呈现很强的正交异 性性能,经纬向变形能力相差达5倍左右（法拉利预 应力膜材已有改进）。而正交异性材料在承受非弹 性主轴方向的应力时，呈现各向异性材料的性能， 即拉应力除产生受拉方向及与受拉方向垂直的另一 方向的变形外，还产生剪切变形。同时，剪应力除 产生剪切变形外，也会导致拉伸变形。因此，材料 的各向异性问题，或者说膜材的经纬方向与主应力 方向的夹角是精确分析膜结构的形状和受荷分析时 必须考虑的。同样，在决定裁剪应变补偿率时，也 需计及这一因素。
Biblioteka Baidu
动力松弛法
动力松弛法是一种求解非线性问题的数值方法， 最早用于索网结构。动力松弛法从空间和时间两方 面将结构体系离散化。空间上的离散化是将结构体 系离散为单元和结点，并假定其质量集中于结点上。 如果在结点上施加激振力，结点将产生振动，由于 阻尼的存在，振动将逐步减弱，最终达到静力平衡。 时间上的离散化，正是针对结点的振动过程而言的。 具体点说，先将初始状态的结点速度和位移设置为 零，在激振力作用下，结点开始振动，跟踪体系的 动能，当体系的动能达到极值时，将结点速度设置 为零；跟踪过程从这个几何重新开始，直到不平衡 力为极小，达到新的平衡。
环形索膜屋顶结构，创造出 380000m2的无柱有顶空 间，成为世界上此种类型的最大的膜结构。
室 外 体 育 场 全 景
室外 体育 场和 游泳 池北
侧
体育场 膜屋顶 下观众
席
建造中的膜结构 建造中的游泳馆室内
所泽市西武体育场，日本
屋顶结构由固定于周边的原有V型钢管柱支撑，柱间不 设围墙。观众席上方是不锈钢折板屋顶；中央膜顶最大 限度地使用了半透明的膜材，简单的网架无斜撑或辅助 杆件。
的钢筋混凝土框架延伸出来的大膜构成。
巴里市圣.尼古拉体育场
观众席局部
体育场 全景
体育场箱 形悬臂拱 形梁仰视
可缩进的膜结构棚盖展开面积约10000平方米，采用PVC 膜材，并且选用能够满足要求的最薄的型号。
德 国 汉 堡 网 球 场
德国斯图加特体育场
德国斯图加特体育场一度成为欧洲最大的膜结构建 筑——面积约34000m2，相当于4个足球场的面积。 采用PVC 膜材， 整个膜 布按结 构划分 40片， 每片约 850平 方米。
张力结构以索﹑膜等柔性材料为主要受力构 件，而索膜本身并不能维持既定的空间形状。要 保持稳定，必须施加预应力。不同的预应力分布 及其数值，决定不同的形状, 建筑师给出的任一 外形，未必有合理的预应力分布与之对应，甚至 未必能够张成。
五、找形技术的产生及其发展
最初的找形正是通过皂膜比拟（肥皂泡）来进 行的，后来发展到用其他弹性材料做模型，通过测量 模型的空间坐标来确定形状。
充气膜内部
香港沙田马场膜结构
迪拜酒店
坐落在海边的迪拜
酒店宛如一叶帆船飘 扬在大海上，320米 高的迪拜酒店采用双 层PTFE膜，并成为在 世界上最高的膜结构
建筑。
二、节点及连接
中山标志塔 膜结构工程
边索
脊索
支座节点
连接板 边索
三、膜结构破坏的图片
三亚美丽之冠
四、膜结构的找形
对于一些十分简单的外形也可以用几何分析法， 但找形技术的真正发展是得益于计算机技术和有限元 方法的发展。目前比较流行的找形方法有：力密度法 ﹑动力松弛法和非线性有限元法。
从结构形式方面来说，找形技术起源于索网结构， 后来发展到膜结构，而近期则集中于张拉整体以及可 调整和控制结构外形的智能结构——可折叠张拉整体 的找形上。
西 北 侧 全 景
膜屋顶下
体 育 场 内 景
亚特兰大市佐治亚体育馆，美国
佐治亚体育馆是一个空间桁架，其底部弦杆由环形索替 代。屋顶为240m x 192m的椭圆形，是同类索膜结构 中世界上最大的。它由涂有聚四氟乙烯的玻璃纤维膜 覆盖。
膜顶施工中俯瞰
鸟
巴里市圣.尼古拉体育场，意大利
为1990在意大利举行的世界杯建造的八个体育场之一。 带PTFE涂层的玻纤膜顶，由26块各自从上层观众席
德国斯图加特体育场
上海八万人体育场
上海体育场屋盖是一个马鞍型，由径向悬挑桁架加环 向桁架组成的环状大悬挑钢管空间结构。屋面层为57个 伞状拉索结构。
上海体育场
熊本市公园穹顶，日本
双层充气膜形成了一个直径107m的、以锥台状框架 为中央支撑的“浮云”。
西 侧 鸟 瞰
双层充气膜上部
熊本市 公园穹 顶圆屋 顶内景
认识膜结构
一、膜结构的应用实例
格林威治千年穹顶， 英国
千年穹顶位于伦敦泰晤 士河畔的格林威治半岛北 端,面积大约20万m2。穹顶 周长为1km，直径365 m， 中心高度为50m。屋顶由带 PTEE涂层的玻纤材料制成。
千 年 穹 顶 夜 景
建 设 中 的 全 景
香港大球场， 中国
两个屋顶各外包 5块涂敷聚四氟 乙烯的玻璃纤维 膜材。每块1600 m2的膜材，跨3 组桁架。