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张拉膜结构的选型与设计





由第一章可知,在张拉膜结构 的发展过程,!,光后出现了充气式、张拉式和索窍顶三种形式,实际上索弯顶是对双层索系环向布置的一种改进.只是由于到 II前为止所有的索窍顶结构均采用膜材作为俊盖材料.有些人也将它看成是薄张拉膜结构的一种形式.仁1其中的膜材只是传力构件而不是主要受力构件.围护是 It主要功能,故本书将不对索弯顶结构进行改接探讨
所谓充气张拉膜结构就是利川膜内外空气的压力差为膜材施加预应力.使膜面能N盖所形成的空间‘充气式张拉膜结构又分为’毛承式和气肋式两种、、两者之间的 !K别在于气承式是直接向膜材所N盖的气密性使川空间内注人一定压力的空气; 而气肋式是向特定形状的封闭式气囊内充入一定压力的t--C体以形成具有一定刚度和形状的构件,再由这样的构件相互联结形成使川空间。产毛肋式张拉膜结构所需注人的空气压力要比产C承式的大得多,但充气FUL较少。充气张拉膜结构的平面一般为圆形或椭圆形,形式较为单一。膜面的矢跨比一般应小于0.75,
充气张拉膜结构膜面!几任一点的承载力(才毛压差)是相同的,且沿膜面的法线方向‘、当外菏载沿膜面的法线方向均匀满布时、膜内张力将均匀减少,膜面形状仅发生微小且均匀的变化;然而外荷载常常rt非均匀分布状态,此时膜面形状将发生较大改变以缩小室内容积和提高膜面内外压力差来平衡外荷载,由于柔性膜材的刚度很小。不能将荷载传递至较大的范围,膜材局部变形和应变会很大.从而出现应力集中,易导致膜材撕裂。为此,大跨度充气张拉膜结构的膜面需增加钢索,以便将荷载传递到更大范围。由于充气张拉膜结构在使用过程中出现r 较多问题,在我国应用较少,这里也不作讨论‘
所谓张拉膜结构就是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度) t.承担外荷载的结构形式‘、当结构覆盖空间的跨度较小时。可通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件,即形成整体式张拉膜结构;当跨度较大时,由于既轻且薄的膜材本身抵抗局部荷载的能力较差.难以单独受力.需要与钢索结合,形成索一膜组合单元;当跨度更大时.可将结构划分成多个较小单元.形成多个整体式张拉膜单元或索一膜组合单元的组合结构。当然多个单元的组合有时是建筑功能和造型_L的要求,而非结构上的必需:
实际上,在张拉膜结构的应用过程中索一般是必不可少的,但应当指出的是在允气张拉膜结构和张拉膜结构中钢索的作用不尽相同,对于充气张拉膜结构,钢索主要起加劲作ill;而对于张拉膜结构,钢索与膜材一样均为主要受力构件。因此也将张拉膜结构称为张拉索一张拉膜结构,即本书将要探讨的主题。
张拉索一张拉膜结构与其他刚性结构的不同首先表现为所使用的主要材料本身不具有刚度和形状,即在自然状态下不具有保持固有形状和承载的能力,只有对膜材和索施加预应力后才能获得结构承载所必须的刚度和形状,当然预应力大小与分布决定了结构的刚度和形状,因此其设计过程首先是寻求满足建筑功能要求的理想几何外形(形)及合理应力状态(态)这两个未知数的过程(称为形态分析)。可以看出,结构型体并非仅由建筑设计所决定,亦由受力状态所制约。
从受力特性上看,由于柔性膜材只能承受面内拉力,薄张拉膜结构在面外荷载作用下产生的弯、剪力需通过结构的变形而转换成面内拉力。当其初始曲率较小时,变形引起的面内拉力会很大,为了防止膜内拉力过大,结构的初始形状应保证具有一定曲率,因此张拉索一张拉膜结构本身属于壳体范畴,有时称为柔壳 (Soft Shell)。
下面首先讨论柔性壳体的受力特点,并据此来探讨张拉索一张拉膜结构的可能形式及其基本单元和组合,然后讨论张拉索一张拉膜结构的支承体系及裁剪与连接。



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