索膜结构整体分析分离分析比较
大跨空间结构—索膜结构详解
大跨空间结构—索膜结构详解索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有六十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。
膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。
膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。
而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度，无支撑，建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。
索膜结构是目前发展很快的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。
张拉膜结构是索膜结构中最常见的一种形式，是索膜建筑的代表和精华，它通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间，具有高度的形体可塑性和结构灵活性，即通过对膜材内部施加一定的预张力，使其具备了抵抗外荷载能力，从而充当结构材料的一种结构体系。
这种形式能够充分利用膜材的受力性能，形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构，并且施工简单、快捷、成本低，在国内外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域。
一、索膜结构的组成及材料特性1. 索膜结构的组成一个完整的索膜结构一般由三部分组成1)形成曲面结构的张拉膜材；2)用于加强膜面的脊索和谷索,以及将膜内力传向支承结构的边索；3)求索膜体系的支架结构。
张拉膜材即作为结构材料,要能够抵抗一定的荷载而不致引起过大变形。
同时为完成作为覆盖材料所规定的建筑功能，例如美观、遮光、防火、耐久等等，还需满足各种性能要求。
所以，选用合适的膜材对于索膜结构的设计建造非常重要。
加强索除其对于膜面受力方面的加强作用外，更重要的是起到了改变建筑造型的作用。
尤其是谷索和脊索的灵活设置会给整个建筑带来奇妙的视觉效果。
支架结构最常采用的是钢结构，也可采用混凝土结构，甚至在某些情况下可以采用木结构或其他结构。
支架结构除满足将索膜体系的内力传递到基础这一结构要求以外，其形式可以采取变化多样的形式，以实现不同的建筑造型效果。
索和膜结构ppt(152页)
（5）悬链索单元的刚度矩阵 注意到V、H表达式中的独立变量只有F1和F2，建立如下增量方程：
dH dV
1 3
2 4
ddFF12
ddFF12
k11 k21
k12 k22
dH
dV
1
14
2 2
4
2
2
1
dH
H F1
dF1
H F2
dF2，
dV
V F1
dF1
V F2
dF2
3. 找形分析时是否考虑自重
在自重作用下调整主动索预张力至给定值后进行固定 初始状态下主动索预张力效应+结构自重效应共同作用 找形分析时应同时考虑自重作用
在无自重作用情况下张拉主动索至给定值并进行固定 再将结构安装就位 与主动索力对应的平衡状态为初始状态 自重考虑为恒载、找形分析时不考虑
4. 索结构的几何定义
mn lm
n2 ln
ln mn n2
l2
lm
ln
lm m2 mn lm m2 mn
ln mn n2 ln mn n2
1 0 0 1 0 0
0
1
0
0
1
0
k
CA L
0 1
0 0
1 0
0 1
0 1
0
0
0 1 0 0 1 0
0 0 1 0 0 1
f R n C A l,m,n, l, m, nT
1. 主动索和被动索
主动索：受张拉的索段，原长改变、控制拉力， 张拉完毕后予以固定。
被动索：张拉前两端固定于结构节点， 张拉中原长不变、拉力变化。
2. 索结构的三个状态和分析类别
建筑索结构形成的一般步骤：
索结构、膜结构、框架结构的比较
索结构、膜结构、框架结构的比较摘要：随着科学技术与施工技术的发展，在建筑结构方面出现了越来越多的新型结构代替了传统的框架结构。
在新型结构中比较突出的有索结构，膜结构，它们造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。
关键词：索结构、膜结构、框架结构、材料用量、受力、区别、工程实例正文：框架结构：框架结构住宅是指以钢筋混凝土浇捣成承重梁柱，再用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、浮石、蛭石、陶烂等轻质板材隔墙分户装配成而的住宅。
适合大规模工业化施工，效率较高，工程质量较好。
框架结构由梁柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度都较低，它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁，楼层越高，水平位移越慢，高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力，这时，现浇楼面也作为梁共同工作的，装配整体式楼面的作用则不考虑，框架结构的墙体是填充墙，起围护和分隔作用，框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间，但抗震性能差。
水平方向仍然是楼板，然后楼板应该搭在这个梁上，梁支撑在两边的柱子上，这就把重量递给了柱子，沿着高度方向传到基础的部分，即梁、板、柱构成的承重体系。
框架结构的特点非常突出：所有的墙都不承重跟厂房的承重没有关系，那个承重，是板搭在梁上，梁传给了柱子，墙都是后坐上去的用于其他的轻质材料，墙都不会承重，应用的时候都很灵活，如想要大房间不要墙，就要大房间，不想要大房间，想要小的，就可以在其中用其它的轻质材料来进行房间的划分，房间划分成若干个小房间，因此它的墙不承重，及起着一个划分空间的作用，仅起着一个保温，隔热，隔声的部分。
注意：框架结构：指梁、板、柱的承重体系。
框架建筑的主要优点是空间分隔灵活，自重轻，有利于抗震，节省材料；同时具有可以较灵活地配合建筑平面布置的优点，利于安排需要较大空间的建筑结构；同时框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期。
索膜结构找形与裁剪若干问题探讨的开题报告
索膜结构找形与裁剪若干问题探讨的开题报告题目：索膜结构找形与裁剪若干问题探讨一、研究背景索膜结构是一种新型的结构形式，其独特的设计理念和丰富的空间形态吸引了众多建筑师和设计师的关注和研究。
但在索膜结构的实际应用过程中，存在着一些问题亟待解决。
其中，索膜结构的找形和裁剪问题是比较重要的。
本文将探讨索膜结构找形和裁剪若干问题。
二、研究内容1. 索膜结构的找形问题索膜结构的找形问题是指设计师如何在保证结构稳定性的情况下，使结构的形态更加丰富和动感。
本文将探讨一些现有的找形方法，如曲线生成算法、形态生成算法等，并分析它们的优点和缺点，并提出一些改进的方法。
2. 索膜结构的裁剪问题索膜结构的裁剪问题是指如何在原料利用率和裁剪精度之间寻求平衡。
本文将探讨一些现有的裁剪方法，如数值控制切割、压力编织切割等，并分析它们的优点和缺点，并提出一些改进的方法。
3. 索膜结构的实际应用本文将通过案例分析的方式，探讨索膜结构在实际应用中存在的问题和解决方法，包括施工效率、材料使用效率、结构可靠性等。
三、研究方法本文将采用案例分析、文献综述等方法，通过实例来分析索膜结构找形和裁剪问题的解决方法，并结合文献分析加以论证。
四、预期成果本文将通过实例分析、文献综述等方式，探讨索膜结构找形和裁剪问题的解决方法，并提出改进措施，为索膜结构的实际应用提供参考意见和建议。
五、研究意义索膜结构具有独特的设计理念和丰富的空间形态，其在建筑学、结构学等领域都有广泛的应用。
本文将从索膜结构的找形和裁剪问题入手，探讨其在实际应用中的问题和解决方法，对于推动索膜结构的发展具有一定的参考意义和指导作用。
5.9索膜结构
二、索－膜结构
景观雕塑
图2
（一）索－膜结构的概念
索－膜结构是以膜材为主体并与钢结构及钢
索共同组成的全新结构体系。
并于二十世纪后期成为国际上大跨度空间建
筑及景观建筑的主要形式之一，具有强烈的
时代感和代表性。
（二）发展概况
设计理念的起源
1917年有一位名为兰彻斯特（Federick W. Lanchester)的美国人建议利用新发明的电力 鼓风机将膜布吹胀,作野战医院。这只是一种构 思，而没有真正正成为使用的产品。 美国军方做了一个直径15m圆形充气的雷达 罩（Radome)，可以保护雷达不受气候侵袭, 又可让电波无阻的通过，从而使相隔了19年的 专利付诸实用。
伦敦千嬉穹顶（Millennium Dome)是英国政府为迎接21 世纪而兴建的标志性建筑，位于伦敦东部泰晤士河畔的 格林威治半岛上。该建筑是大型综合性展览建筑。穹顶 直径320m，有12根穿出屋面高达100m的桅杆，屋盖采 用圆球形的张力膜结构，膜面支承在72根辐射状的钢索 上。
青岛市颐中体育中 心索膜建筑设计
索膜建筑将是２１世纪 空间结构发展的主流
索膜建筑设计方案实质上同时是索膜结 构体系方案，因此要求从事索膜建筑设计 的建筑师了解索膜结构技术并能熟练地将 其运用到建筑设计中。 目前索膜建筑在世界上得到了广泛应用。 它采用先进的预张力结构技术与轻质膜材 料，其形式具有极高的艺术感染力，是建 筑艺术与结构形式的完美结合。
，再加上膜结构特有的柔顺的曲面、广阔的空间、半透明
的室内环境，使得膜结构具有广阔的发展前景，将是２１
世纪空间结构发展的主流。
（三）膜节构主要类型
气承式 索—膜结构 在薄膜覆盖 的空间内充 气，利用内 外气差来承 受荷载，并 与钢索共同 形成结构。
索膜结构工程分析与设计综述
索膜结构工程分析与设计综述摘要：膜结构是一种柔性结构，其设计理念与方法与传统结构有很大差异。
膜结构的设计一般可以分为找形分析、荷载分析和裁剪分析三个阶段。
本文阐述了膜结构设计理论，分析了当前国内外膜结构的研究现状，并介绍了当前国内外常用的膜结构设计软件及功能。
关键词：膜结构；找形分析；荷载分析；裁剪分析；设计软件膜结构是上世纪中期发展起来的一种新兴的结构形式，其造型优美，极富现代气息，结构轻巧，有极强的空间跨越能力，且易于建造搬迁，有明显的经济效益，因此膜结构建筑成为近几十年蓬勃发展的一种新型的大跨度空间形式。
膜结构的设计也迥异于传统的刚性结构。
由于膜材的柔性特征，其本身没有抗压刚度和抗弯刚度，需赋予一定的预拉力才能形成确定的空间曲面形状和抵抗外荷载的能力，成为真正的结构。
一、膜结构设计分析由于膜材的柔性特征，膜结构是一种柔性张力体系，与一般的刚性结构在设计分析上有很大的区别。
膜结构的设计分析包括找形分析、荷载分析和裁剪分析三个方面。
（一）找形分析索膜材料是柔性材料，本身是没有抗压刚度和抗弯刚度，也就需要施加一定的预张力来张成一定的空间形状，同时通过预张力和曲面的变化来维持体系的刚度和稳定性，而这种在一定预张力作用下找出的一个既符合建筑美观，又满足边界条件和力学平衡的形状就是我们通常所说的找形。
目前膜结构的找形方法主要有力密度法(Force Density Method) [1]、非线性有限元法(Nonlinear Finite Element Method ) [2]和动力松弛法(Dynamic Relaxation Method) [3][4]。
力密度法最初由H.J.Schek[1]在1973年用来分析一般索网的几何状态。
其基本思想是将膜结构表面离散成由节点和杆元构成的索网状结构模型，建立每一节点的静力平衡方程，通过预先给定索网中各杆元的力和杆长的比值(力密度)，而将几何非线性问题转化为线性问题，联立求解一组线性方程组，即可得到索网各节点坐标。
第六章索膜结构
3. 温差效应
正温差效应在结构中产生的应力较大，削弱了结 构中维持的预应力，从而使得结构的刚度降低，变形 增加。
4. 作用效应组合
二．钢索承载力验算
0 N max fA
三．变形验算
据即将颁布的悬索结构技术规程，承重索竖向位移 限值如下： 单层悬索体系从初始态算起 l/200; 双层悬索体系、索网及横向加劲索从预应力态算起 l/250.
重结构的重量较小，因而悬索结构和张拉薄膜结 构更适合于在大跨度结构中使用。
第一节 悬索结构的形式与选型
悬索结构是以只能受拉的索作为基本承重构件， 并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系。 一．结构特点 受力合理，材料强度利用效率高； 结构重量轻，适作各式大跨建筑； 施工方便，不需要大型起重设备； 边缘构件或支承构件受力较大，且其刚度对 结构受力影响较大； 属于柔性结构，受力时大变位、小应变，计算 复杂。
l0
将z、z0与竖向荷载的关系式
M 0 x c0 dz0 V0 c0 z0 x H0 l0 dx H 0 l0 M x c dz V c z x H l0 dx H l0
代入上式，即得到H与外荷载、支座位移和温度 变化的关系式 H H H 0
l0 2 2
变形协调
dz 2 dz0 2 1 H ur ul l0 tl0 dx 2 0 zx zx EA
l0
dz 2 dz0 2 H ur ul 1 zx zx dx t EA l0 2l0 0
双层单向布置
索桁架的一般形式
索桁架的平面布置与交错布置
双层辐射式布置
凸形布置
第六章索膜结构
z
— qz与梁的关系方程
M
—
qz
索
H
d2z dx 2
qz
0
梁
d 2M dx 2
qz
0
zM H
对于（b）图有索曲线方程
z M x简 c x
Hl
3. 索长计算
ds dx2 dz2 dx 1 dz 2
dx
B
l
s ds
1 dz 2 dx
A
0
dx
由f x f 0
f n 0xn有
稳定索可以抵抗风吸力的作用，同时，相反曲 率的稳定索和相应的索杆能对体系施加预应力，使 每对索均保持足够大的张紧力，提高了整个结构的 稳定性与刚度。
承重索的垂跨比：1/20～1/15；稳定索的矢跨比 1/25～1/20。
➢双层单向布置
索桁架的一般形式 索桁架的平面布置与交错布置
➢双层辐射式布置
凸形布置
第一节 悬索结构的形式与选型
悬索结构是以只能受拉的索作为基本承重构件， 并将索按照一定规律布置所构成的一类结构体系。 一．结构特点
➢受力合理，材料强度利用效率高； ➢结构重量轻，适作各式大跨建筑；
➢施工方便，不需要大型起重设备； ➢边缘构件或支承构件受力较大，且其刚度对 结构受力影响较大； ➢属于柔性结构，受力时大变位、小应变，计算 复杂。
系，其平衡形状随荷载分布方式而变。在恒载作用下 呈悬链线形式，在不对称荷载或局部荷载作用下产生 大的位移（机构性位移）。索的张紧程度与索的稳定 性（抵抗机构位移的能力）成正比。
单层悬索结构的抗风能力差，在风吸力作用下悬 索内的拉力下降，稳定性进一步降低。
垂跨比的影响：垂跨比大，稳定性和刚度大，索拉
索膜结构介绍
索膜结构介绍索膜结构：是用高强度柔性薄膜材料经受其它材料的拉压作用而形成的稳定曲面，能承受一定外荷载的空间结构形式。
其造型自由、轻巧、柔美，充满力量感，阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。
索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现，至今已有四十多年的历史，特别是到了七十年代以后，膜结构的应用得到了迅速发展。
膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。
膜结构一改传统建筑材料而使用膜材，其重量只是传统建筑的三十分之一。
而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度（无支撑）建筑上实现时所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡的可视空间。
其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点，因而使它在世界各地受到广泛应用。
另外值得一提的是，在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。
夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。
这种结构形式特别适用于大型体育场馆、入口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。
膜结构概念膜结构(Membrane Structure)，即张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜材自身的张拉力和特殊的几何形状而构成稳定的承力体系。
膜结构通过(钢架、钢柱或钢索)一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,作为覆盖结构,并能承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式，膜只能承受拉力而不能受压和弯曲，其曲面稳定性是依靠互反向的曲率来保障，因此需制作成凹凸的空间曲面，故习惯上又称空间膜结构。
由于张拉膜结构是通过边界条件给膜材施加一定的预张应力，以抵抗外部荷载的作用，因此在一定初始条件（边界条件和应力条件）下，其初始形状的确定、在外荷载作用下膜中应力分布与变形以及怎样用二维的膜材料来模拟三维的空间曲面等一系列复杂的问题，都需要有计算来确定，因此计算机技术的迅猛发展为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景。
索膜建筑结构
索膜建筑结构第一篇理论篇。
1第二篇设计篇。
6第三篇施工篇。
8第四篇管理篇。
9第一篇理论篇1、膜材材料性能分类介绍一．概述膜材是膜结构工程中最重要的组成部分，它的作用是与钢筋和混凝土等同的。
膜材之所以被称为“第五代建材”，是与化学工业中高分子材料的合成与改性技术的不断发展密不可分的。
在七十年代初期，以美国杜邦、康宁公司为主的几家公司和设计单位联合开发研制了以玻璃纤维织物为基材，以聚四氟乙烯（PTFE，又称“特氟隆”）为涂层的新型膜材，使膜结构从最初的临时、半永久性建筑迈向永久建筑的行列。
现在，随着膜材产品种类不断增加，性能不断加强，膜材已经完全可以满足建筑形式的需要。
通俗地讲，膜材就是高分子聚合物涂层与基材层按照所需要的厚度、宽度，通过某些特定的加工工艺粘合在一起的产物。
二．膜材的组成与加工工艺1．聚合物聚合物又称高聚物（POLYMER），即高分子聚合物。
一般高分子的分子量高达几万到几百万。
合成聚合物的原料是单体，如乙烯单体、氯乙烯单体、丙烯单体等等，它们不断重复链接，聚合成聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）等等。
高分子聚合物按照制成材料的性能和用途可以分成三大合成材料，即塑料、橡胶和纤维。
2．基材就目前应用于膜结构的膜材而言，基材一般分为两种：（1）聚酯长丝（涤纶PET）：涤纶的合成原料是乙二醇和对苯二甲酸。
在这里引入苯环的目的是提高材料的熔点和刚度。
涤纶的特点是：熔点高，在150～175℃以下的机械强度好，耐溶剂、耐腐蚀、耐磨、耐油腻，可多次洗涤，透水透气性适宜。
它是合成纤维中的第一大品种。
若用丁二醇代替乙二醇，可以制得熔点较低，较柔软的涤纶聚酯。
（2）玻璃纤维：玻璃是一种非晶体，没有固定的熔点。
将玻璃加热熔融并拉成丝，就成为玻璃纤维。
玻璃纤维的特点是：拉伸强度高，不仅超过各种天然纤维，也超过一般的合成纤维和钢材的强度。
但是，它的弹性模量较低，约为钢的1/3，属于脆性材料；具有良好的耐热性，一般在300℃以下可以保持性能不变；具有良好的电绝缘性。
索膜结构的理论基础和分析方法综述
・
６６ ・
第３ ２卷 第 ２ ４期 ２ ０６ ０ 年 １ ２月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨ Ｉ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ． ４ １３ ２ Ｄｅ ． ２ ０ ｃ ０ ６
文章编号 ：０ ９ ８ ５ ２ ０ ）４０ ６ — １ ０ ２ （０ ６ ２ — ６ ２ ６ ０ ０
中图 分 类 号 ： ｌ １ Ｔ１３ Ｊ 文献标识码 ： Ａ
引言
索膜结构是 ２ ０世纪 中叶 发展起来 的一种全新 的建筑结构 形
１ １ ３ 平衡 方程 ． ． 确定 了应力 和应 变的表达式后 ， 可利用 虚功原理 即外力在虚
建立平衡方程 。现时 式， 它是 由多种高强薄膜及辅 助结 构通 过一定 的方式施加预应 力 位移上做的功等于应力在虚应变上 做的功 ， ３ ／ ｙ ０ ｙ ＂ ｚ ａ ￣ ， 而形成的一种空间整体张拉体系 ， 具有 足够 的刚度 以抵御外部 荷 构形 体积域 ＇内某一点的应力 ＝［ ａ ＂ ａｅ ０ｚ ］ 若结构发生满足位移边界条件 Ａ 的虚位移 ＝［ 乱 ］ 后 载作用。在一 定 的初 始条 件 下 ， 张拉 式索 膜结 构 初 始形状 的确
若位 移对 几何坐标的偏导数不 全为零 ， 即发生的位移不全为
并保证求解 的精 度和稳 定性 ， 常把结构 上 的荷 载分 多 通 刚体位移 ， 则该点必然存 在应 变 ， 由于索 膜结构 中膜材很薄 ， 在荷 变历史 ， 步加到结 构上 ， 即采用增量法求解 。这样可 以得到物体在一 系列 载的作用 下可以忽 略厚 度方向即 ｚ轴上 的应 变 ， 将其视 为平面应 力 问题 ， 因此对平面膜材来说 ， 几何 方程可表示 为 ： 离散的时间点 ０ △ ，Ａ ， （ ， ｆ２ ｔ …， 一１ Ａ 上处 于平衡状态的物理 参 ）ｔ 量， 这里采用 Ｕ Ｌ格式 。根 据能 量守 恒定理 ， 并假 定物体 上的 面
索膜结构介绍
骨架式膜结构
张拉式膜结构
充气式膜结构
概念：利用充气方式使膜面内外产生 压力差，从而保持稳定的膜面形态的 膜结构。
结构体系
• 膜结构按支承条件分类为：柔性支承结构 体系、刚性支承结构体系、混合支承结构 体系，结构示意图见下图：
索膜结构材料特性
• 膜材是一种强度高、柔韧性好的薄膜材料，有纤 维编制成织物基层。在基层两面外涂树脂涂抹层 加工而成。基层是受力构件，起到承受和传递荷 载的作用。树脂涂层起到密实、保护基层和防火 防潮、透光、隔热的作用。 • 膜材类型： PTFE膜材、PVC膜材、 ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）
膜结构的施工安装过程
1、在基础工程或主体结构施工完成后，进行膜支承结构的安装， 并完成局部补油漆、 进行防火处理等； 2、测量支承结构及连接节点的几何并与设计值比较，对找形结果 进行必要的修正；按修正后的形状进行裁剪设计，加工制作膜面； 如膜面先于支承结构完工已开始制作，应通过 其他方案如更换连 接件等规格等来纠正偏差； 3、将加工好的膜成品按施工组织设计的要求折叠、包装，并做好 标示；运输至安装现 场； 4、清理现场，在地面铺垫保护材料；向工人讲解工序及分工；展 开膜面，进行如在膜 面打孔、穿钢索、安装膜角节点板或膜夹板 等准备工作；在支承结构上绑扎绳网以临时支承 展开的膜面； 5、准备工作就绪后，吊装机械就位，吊装并对角点作临时固定； 6、逐步均衡张拉，给膜面施加预张力； 7、对边角及有褶皱的区域进行局部张拉调节，并最终固定膜面及 节点；完成雨水系 统安装及防水覆盖等； 8、清洗内外膜表面。
索膜结构的施工要点
1.膜结构支架制作安装 膜结构支架制作质量与钢结构类 似，最大的要求就是所有钢构件表面 必须打磨光滑，不得有尖角毛刺，以 防划伤膜面。 安装时应该注意尺寸的误差尽可 能小，防止膜面安装后起皱，并保证 设计所需的张力。
索膜结构的设计理论分析_宋志飞
第23卷第4期 辽宁工程技术大学学报 2004年8月 V ol.23 No.4 Journal of Liaoning Technical University Aug. 2004收稿日期：2003-07-28基金项目：辽宁省教育厅基金资助项目（202183391） 作者简介：宋志飞（1980-），男，山东 淄博人，硕士。
本文编校：赵 娜文章编号：1008-0562(2004)04-0472-03索膜结构的设计理论分析宋志飞1，殷志祥2（1.辽宁工程技术大学 土木建筑工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2.辽宁工程技术大学 计算机辅助教学中心, 辽宁 阜新 123000）摘 要：索膜结构是一种全新的建筑结构形式，其设计理论主要包括找形分析、荷载分析和裁剪分析三方面。
现有的找形方法都存在一定的缺点，开发的计算软件也没有普遍性，需要在将来的研究中逐步完善。
虽然结构对地震有很好的自适应性，但在风荷载作用下易发生自激振动从而导致破坏，因而进行风荷载分析以确定其体型系数及受破坏的临界风速非常必要。
裁剪过程存在误差，需要研究开发更精确的裁剪技术。
关键词：索膜结构；找形分析；荷载分析；裁剪分析 中图号：TU 31 文献标识码：AAnalysis of designing theory of cable-membrane structureSONG Zhi-fei 1, YIN Zhi-xiang 2(1.College of Civil and Architecture Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China;puter Aided Center, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)Abstract: Cable-membrane structure is a wholly new kind of architecture structure form. The theory of its design mainly includes three aspects: shape-finding analysis 、load analysis and patterning analysis. All of the existing shape-finding analyses have some shortcomings more or less. And the exploited softwares don’t have universalism. So, all the above should be solved in the future research step by step. Even this structure has self-adaptability for earthquakes. But it easily causes self-excited vibration under the effect of wind load, which leads to destruction. Therefore, making wind load analysis is very necessary for confirming its shape factor and critical wind speed of being destroyed. The patterning course has errors. The more precise patterning technology needs being exploited.Key words ：cable-membrane structure ；shape-finding analysis ；load analysis ；patterning analysis0 概 述大跨度索膜结构是20世纪中期开始发展应用起来的一种全新的建筑结构。
某索膜结构的找型分析
Building Structure3D3S 软件园地某索膜结构的找形分析 3D3S 软件研发部（同济大学 上海 200092）有一个索膜结构的模型，结构由索桁架、支撑索桁架的钢立柱、钢立柱后背拉索和膜结构组成，索桁架的下弦也是膜结构的脊索，结构模型的透视图和立面图如图1和图2所示。
图1 结构模型透视图图2 结构模型立面图某用户在用3D3S 软件对这个结构做找形设计时将钢柱下侧后背索和上侧后背索设成主动索，膜预张力3kN/m 2，膜和索桁架下弦索设置在膜层，其余设置在支撑层；在用<找形>→<精确找形>→<索膜＋支撑体系（不考虑位移协调有限元）>找形时程序出现如下错误提示：We learn we go 图3 用户找形错误提示为了分析出错的原因，我们先来了解一下3D3S初始形态分析的过程。
3D3S 软件里索的定义分为主动索和被动索。
所谓主动索，计算分析时保证其预张力为用户定义值，索完全松弛后的几何原长实际是变化的，旨在模拟施工过程中索张拉滑动的过程。
所谓被动索，计算分析时不控制其索力，根据所建模型中索的长度L ，以及施加的预张力P ，采用下式确定索完全松弛的几何原长，分析过程中该原长不变化。
EA NL L L −=0 式中：L 0为构件原长，L 为构件模型长度，N 为定义的索力，EA 为构件属性。
3D3S 软件提供5种初始形态确定的方法。
（1）索膜体系—有限元法； （2）索膜体系—力密度法； （3）索膜＋支承体系—有限元法； （4）索膜＋支承体系—力密度法； （5）索膜＋支承体系—有限元索杆梁膜法； 方法1、方法2是索膜结构的初始形态确定。
方法3、方法4是两阶段的形状确定方法，第一阶段将支承体系全约束，按方法1或方法2进行索膜结构初始形态确定；第二阶段约束索膜结构，将索膜结构体系支座的反力反向施加到支承体系上，对支承结构进行索梁体系线性找形。
分析完成后，支承结构的位置不变，整个平衡状态建立在原建模位置上。
膜结构及索膜结构综述
膜结构及索膜结构综述——结构选型期中作业城市建设与管理学院10级景观建筑设计专业汪珂珂（20101150175）1.膜结构建筑概述膜结构也称为织物结构，是世纪中叶20 发展起来的一种新型空间结构形式，它以性能优良柔软织物为材料，由膜内空气压力支撑膜面，或利用柔性钢索或刚性支撑结构使膜面产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。
膜结构的起源可追溯至远古时代人们利用牛皮或布等制作的帐篷结构。
但是长期以来由于技术原因，这种结构发展并不快。
1970年日本大阪世界博览会，由美国工程师盖格尔(David Geiger)设计的美国馆，其屋顶采用空气支撑膜结构，平面尺寸达到83.5 m×142 m，采用以聚氯乙烯(PVC)涂层的玻璃纤维织物建造。
通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。
虽然现代膜结构出现仅有几十年时间，但发展迅速。
在20 世纪后期成为国际上大跨度空间建筑及景观建筑的主要形式之一,具有强烈的时代感和代表性。
它是集建筑学、结构力学、精细化工、材料科学、计算机技术等为一体的多学科交叉应用工程,具有很高的技术含量和艺术感染力,实用性强、应用领域广泛,既可应用于大型大跨度的公共建筑，如体育场馆、机场大厅、展览中心、购物中心，也适用于规模较小而造型各异的休闲景观设施、建筑小品等。
其发展潜力巨大,将成为21 世纪空间结构的发展主流。
2.膜结构的分类根据不同的支撑方式，通常将膜结构分为空气支撑式、张拉式及骨架支撑膜结构3大类。
2.1 充气式膜结构向由膜结构构成的室内充入空气,使室内的空气压力始终大于室外的空气压力,使膜材料处于张力状态来抵抗负载及外力的构造形式有单层结构和双层结构两种。
单层结构如同肥皂泡,单层膜的内压大于外压。
此结构具有大空间,重量轻,建造简单的优点,但需要不断输入超压气体及日常维护管理。
双层结构是在双层膜之间充入空气,和单层相比可以充入高压空气,形成具有一定刚性的结构。
索膜结构分离分析和整体分析研究
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１引言
索膜结构是 ２ 世纪 中期发展起来的一种新 型 ０ 空间建筑结构形式， 由于所用材料多为柔 性的索和
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【 】ＧＪ ０９ 建筑施 工高处作业安全技术规 范［］ １ Ｊ ．１ ８ ｓ．
［］ Ｂ ５ ０９２ ０ 建筑 结构荷载规范［］ ２ Ｇ ０ ０ ．０ １ ｓ． 【 】Ｇ ０ １建筑 施工扣件钢管脚手架 安全技术规范 ［】 ３ Ｊ ２ ０ Ｓ．
［ ］ Ｂ１．７冷弯薄壁型钢 结构技术规 ｃ ｓ ｂ ｔ ｅ ｒｓｅ ｔ ｅ ａ ｄ ｅ ｅ ｒｈ ｓ ｎｏ ｈ ｉ ｒｎ ｅ ｅｗｅ ｎ ｅｐ ｃ ｖ ｎ ｉ
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索膜结构的分步计算与整体计算对比
索膜结构的分步计算与整体计算对比
范鹏涛;杨庆山;谭锋
【期刊名称】《空间结构》
【年(卷),期】2006(12)2
【摘要】目前,膜结构设计和验算中的两种方法——分步计算和整体计算均为人们所采用.分步计算是单独分析索和膜,再将反力施加在支撑结构上进行分析;而整体计算是将索和膜与下部支撑结构一起进行分析.随着计算机辅助设计软件的发展,过去不得已而为之的分步计算方法越来越显露出其不足之处.本文通过作者所在的研究组自主开发的索膜专用设计软件CAFA,分别由这两种方法对两个算例进行了对比分析,在此基础上得出在索膜结构设计中整体计算的必要性.
【总页数】5页(P56-60)
【关键词】索膜结构;分步计算;整体计算
【作者】范鹏涛;杨庆山;谭锋
【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU383
【相关文献】
1.盘锦体育中心体育场非对称马鞍形索膜结构整体张拉施工技术 [J], 于德国;李光军;艾永;王波;张彬
2.索膜结构分离分析和整体分析研究 [J], 张海宾;李辉;张明
3.考虑支承的大跨度索膜结构整体分析与设计 [J], 杨庆山;乔磊
4.大跨度连续索膜结构施工模拟计算分析 [J], 石硕
5.整体规划分步实施：江汉大学图书馆计算机管理系统设计与实施 [J], 卢红因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
膜结构整体分析与分离分析的比较
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膜结构设计有两种分析方式： 整体式与分离式。整
３ 有 限 元 基 本 原 理
膜结 构是 一种 柔性 结构 在 荷 载作 用下 结 构 的 变 形 具 有小 应 变 大位 移 的 特点 ， 于几 何 非 线性 问 属
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体分析是 复杂 的 ， 因为包 括 了梁 、 、 、 杆 索 膜甚 至更 多种
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１ 膜 结 构 设 计 的 分 析 方 式
膜结构作为一种 比较新颖 的结构形式 ．在国外 已经 得到广泛 的应用 。１ ９ ９６年首次引入 国内。但是 由于水泥
种计算方式进行荷载分析 比较 两 种模 型 对 膜结 构 特别 是
．
下部结构 的影响 ， 并对计算结果进行分析总结 ． 明在膜 说 结构设计中进行整体计算 的必要性
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膜结构现有分析方法及存在的问题
膜结构现有分析方法及存在的问题1、现有分析方法膜结构在设计分析过程中存在三大问题，即形状确定问题（找形问题）、荷载分析头号题和裁剪分析问题。
其中，形状确定问题是最基本的问题，是后两个问题分析的基础。
目前，膜结构的形状确定问题主要应用的方法包括力密度法、动力松弛法和非线性有限元法。
其中，应用最多，也最有效的方法，当属非线性有限元法。
力密度法是由Linkwitz及Schek等提出的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。
动力松弛法是一种求解非线性问题的数值方法，从二十世纪七十年代开始被应用于索网及膜结构的找形。
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。
时间上的离散是针对结点的振动过程而言的。
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，用于求解给定边界条件下的平衡曲面。
非线性有限元法是应用几何非线性有限元法理论，建立非线性方程组进行求解的一种方法，是目前膜结构分析最常用的方法，其基本算法有两种，即从初始几何开始迭代和从平面状态开始迭代。
前者是首先建立满足边界条件和外形控制的初始几何形态，并假定一组预应力分布，一般情况下初始的结构体系不满足平衡条件，处于不平衡状态，这时再采用适当的方法求解一个非线性方程组，求出体系的平衡状态。
后者是假定材料的弹性模量很小，即单元可以自由变形，初始形态是一个平面，然后逐步提升体系的支撑点达到指定的位置，由于单元可以自由变形，所以体系的内力就保持不变。
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索膜结构整体分析与分离分析的比较摘要：分别建立索膜结构的整体计算模型与分离计算模型，对结构进行找行分析与荷载分析。
通过比较在不同荷载作用下两种计算模型对下部结构的影响，说明在索膜结构设计中进行整体计算的必要性。
关键词：索膜结构；非线性有限元；整体分析；分离分析；
1 引言
在索膜结构设计中，为了计算的简便往往采用分离式，即将膜结构的计算与支承结构的计算分开，先假设膜的边界固定，对膜结构进行计算并得到支座反力；然后将支座反力反作用于支承结构来计算支承结构的受力与变形。
由于传统结构刚度较大，将结构分开计算时，局部边界条件的简化所带来的误差一般可在工程实践的允许范围内。
但当结构体系中包含有索、膜等刚度小的柔性构件时，内力与变形呈非线性关系，使结构构件的内力改变与边界条件、荷载的变化关系更加难以估计，需对其进行较精确的分析。
所以将索、膜结构与其共同作用下的刚性结构分开考虑往往会引起不可忽视
的误差。
“膜结构计算模型的边界支承条件应与支承点的实际构造相符合，对于可能产生较大位移的支承点，在计算中应考虑支座位移的影响，或与支承结构一起进行整体分析”《膜结构技术规程》（2004）。
但整体分析是复杂的，因为包括了梁、杆、索、膜甚至
更多种类的单元，得到收敛结果也是比较困难的。
因此如何进行整体分析，两种分析形式对结构(包括膜结构与支承结构)会产生怎样的影响，对掌握结构的真实受力、变形情况及进行更为合理的设计具有重要意义。
本文首先用整体式与分离式对索膜结构进行找形分析与荷载分析，比较两种模型对索膜结构影响；继而在不同荷载作用下，分析索膜结构特别是下部结构的受力及变形，说明在索膜结构设计中进行整体计算的必要性。
2整体分析的思路
索膜结构整体式荷载分析的步骤如图1。
3 有限元基本原理
膜结构是一种柔性结构。
在荷载作用下，结构的变形具有小应变、大位移的特点，属于几何非线性问题。
采用空间三角形膜单元，根据修正的拉格朗日法，基于虚位移原理建立方程，限于篇幅，本文给出最终的膜结构非线性有限元迭代公式：
式中，、分别为单元线性刚度矩阵、几何刚度矩阵和大位移刚度矩阵；
为时刻的单元等效节点荷载向量；
为t时刻的单元等效节点力向量。
4算例分析
如图2与图3所示的一平面投影为正六边形的伞型张拉膜结构，
该结构是由六根脊索和六根边索张紧各膜面构成的，六根脊索上端固定于伞顶端节点,下端与边索的一端共同连接于下部支承构件的上端。
结构跨度为10m，高度为5m。
膜材厚度为0.9mm，经、纬向张拉刚度et均为1100kn/m，剪切刚度gt=80kn/m，经、纬向泊松比均为0.3，初始预应力 =4n/mm2。
索的初始预拉力为20kn，截面积为5×10-4m2。
膜的六个角点各设置一根压杆与两根地拉索，中间设一中柱，通过索与膜相连。
压杆与中柱均采用圆钢管形式，压杆尺寸为80mm×6mm，中柱尺寸为120mm×6mm，地拉索与索的特性及截面大小均相同。
在膜面上施加垂直于膜面的均布荷载
0.3kn/m2。
图2结构布置图及立面图1
表1两种计算方法下各构件结果对比
膜最大应力
（n/m2）膜最大位移
(m) z1压力
（n） l11拉力
（n）中柱压力
（n）
分离式 6.05×106 8.77×10-2 -7.09×104 4.68×104 -6032.9
整体式 6.12×106 1.03×10-1 -5.42×104 3.58×104
-5393.3
相差（%）-1.1% -14.7% 30.8% 30.6% 11.9%
图3分离式膜单元的von mises应力图(n/m2) 图4整体式膜单元的von mises应力图(n/m2)
比较结构等效应力图3与图4可以发现，整体式与分离式中膜单元等效应力的最大值与最小值相差分别为40.36%和37.52%。
可见由于角点约束的不同引起边界刚度的差异，在施加荷载后，分离式应力分布要比整体式均匀，但二者在应力分布形式及应力大小方面相差并不大。
图5在不同荷载下中柱的轴力变化图6在不同荷载下压杆1的轴力变化
图7在不同荷载下地拉索力的轴力变化图8在不同荷载下膜竖向位移的变化
针对算例1，对结构分别施加荷载0.1kn/m2、0.2kn/m2、0.3 kn/m2、0.4kn/m2、0.5 kn/m2、0.6kn/m2，利用整体式计算模型，分析在不荷载作用下结构受力的变化情况。
计算结果见图5至图8。
通过分析图5-8可以发现，对于整体式与分离式两种计算模型，在不同荷载作用下都有一个共同点：即下部构件的轴力及膜的位移都随着荷载的增大而增大，但增大的幅度各不相同。
对下部支承而言，荷载越大，分离式计算所得的轴力的增大趋势越明显；对膜结构的位移而言，分离式计算减小趋势越明显。
通过对整体式与分离
式进行比较可以发现，分离式计算得出的下部支承的受力要比整体式高，以地拉索轴力最为明显，并且随着荷载的增大，二者相差也越大；对膜结构的位移而言，分离式要比整体式小，同样随着荷载的增大，二者相差也越大。
由此可得，随着荷载的增大，分离式会造成下部支承构件材料更大的浪费，因此在下部支承相同的情况下，当膜结构承受荷载较大时，分离式计算模型会造成较大的误差，其准确性也值得探讨，建议利用整体式计算模型进行荷载分析，以分离式计算结果作为参考。
5 结论
通过对算例分析探讨了分离式与整体式之间的差异，比较可以得出如下结论：
(1)整体式计算模型考虑了下部支承与上部膜结构的共同作用，准确地模拟了实际结构，较好地反映了结构的受力状态，因此在索膜结构找形分析与荷载分析中尽量建立整体模型进行分析，建议在工程设计与验算中以整体式计算结果为准。
(2)在荷载作用下，分离式计算对下部支承构件影响较大，计算结果要比整体式偏大，会造成下部构件材料的浪费。
而且随着荷载的增大，分离式计算结果将严重地偏离正确值。
(3) 分离式与整体式计算模型的主要区别在于对边界条件的模拟不同，分离式模型的边界刚度要比整体式大，也间接反映了边界条件对索膜结构分析的影响是不能忽略的。
当下部支承构件刚度较
大并且结构布置合理时，整体式模型的边界刚度接近分离式模型，这种情况下两种方式的计算结果差别不大。
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