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膜结构连接构造的原则





连接构造是膜结构工程设计重要的技术环节,影响着膜结构建筑整体与局部建筑的艺术性,涉及到结构设计、建筑设计、几何设计、材料与制作工艺、安装与维护以及造价等多个领域,充分体现了膜结构设计的美学、专业性、综合性与精密技术性。
膜结构连接构造的具体形式纷繁复杂,十分丰富。主要有膜材的连接、膜材与柔性边界(索)的连接、膜材与刚性边界的连接、钢索与钢索间的连接、钢索的锚固等。
连接构造设计时主要考虑以下一些因素。
1.传力路径准确
膜结构的稳定性主要取决于张力平衡所产生的双曲面。连接构造也必须遵循这个原则,而且当外部受力条件变化时仍能够反映力的传递路径。
膜结构的连接件应传力可靠,并减少连接处应力集中。膜结构的节点构造应符合计算假定,必要时应考虑节点构造偏心对拉索、膜材产生的影响。
结构的连接部位有时要汇聚不同方向的膜和不同角度的索。这些构件的设计和施工必须准确,而且要与膜面形状相协调。必须避免偏心以确保整个体系的合理性。有时膜面褶皱及结构性能不佳的原因就是由于连接的位置错误造成的。
2. 适应位移的灵活性
膜结构在外荷载作用下产生的位移要比传统结构的大,因此在其设计的各个阶段均要考虑这一特性。连接构造应允许一定的位移和转角,其位置、方向和角度等在设计过程中均应进行准确的计算。在安装过程中,连接节点会发生移动和转动,这些位移与就位后的结构性能所需的位移经常不一致,但构件的最后位置应能与这些位移相协调,以便于结构的安装以及预应力施加。
3. 位置、形状和尺寸
通过对特定节点施加预应力后预制膜片才会逐渐发展成最终设计形状。连接构造应在几何形状上与各悬吊点相吻合。若节点尺寸较大,还应使其具有所在位置的结构曲率。所以,要避免或尽量减少使用刚性板件,以便膜材能尽量贴近膜的悬吊点。薄膜结构的节点应简单、灵活、小巧,而且能够表现出与其他建筑技术不同的织物特性。连接构造的尺寸要与结构的规模及所使用的材料相匹配。
4. 与建筑设备有机结合
在膜结构建筑中,薄膜是整个建筑空间的主角,理解这一点对确保建筑物的美学效果是十分重要的。悬浮的屋顶通常无法用来安装设备,因此在设计阶段要十分仔细地考虑如何将人工照明、通风设备等建筑设备与薄膜空间有机结合形成一个整体。应尽可能将建筑服务设施控制到最少,且其支承应独立于膜面。当采用高杆灯时,薄膜的间接照明效果会很好。这些设备既可以与地面景观相结合,桅杆也可以作为其固定支座。
5. 强度、稳定性和耐久性
张度、稳定性及耐久性是对建筑物最基本的结构要求。对于膜结构来说,连接构造的良好质量是结构性能的保障。膜结构中的金属连接件直接与膜材相连,易受外界影响而锈蚀,不但易污染膜材,影响美观,而且往往会引起截面削弱而产生安全隐患,因此,全部金属连接件均应进行防腐处理。
膜材对缺陷比较敏感。若膜材中存在小孔、裂纹等缺陷,膜材强度将有较大降低。在膜材与支承骨架相连处的毛刺、尖角、尖点将使该处出现应力集中。对膜材涂层的擦伤也会影响膜材的使用寿命。因此,在支承构件与膜材的连接处不得有毛刺、尖角、尖点。
膜材的连接薄膜技术是一项“软”技术,节点设计要满足膜材及其加强件的柔性性能,它们应成为结构形状的有机组成部分。在施加预应力以及受力阶段,薄膜内力的不连续变化非常容易引起材料的疲劳,应予以避免。在刚性边界条件下这一点尤为明显。
6. 结构的完整性
尽管膜材具有非常高的张拉性能,但1mm厚的薄膜还是非常娇弱易损的。设计应确保屋顶中一片或几片膜面的破坏不至于引起整个体系的倒塌,而且桅杆等重型构件要具有失效保护措施。
在膜材连接处应保持高度水密性,应采取必要的构造措施防止膜材磨损和撕裂。
损坏并非是无缘无故的,结构体系中必须设置一些安全储备构件。它们通常由与桅杆顶点等主要支承点相连接的索组成。这些构件并不都处于工作状态,但是它们可以避免整体结构在膜片损坏或某一支承构件倒塌时产生过大位移。由于自重小,膜材本身并没有多大的危险性。作为附加安全措施,安全索可以从焊在膜面上的索套内穿过,而不影响膜面力的传递。
1.预张拉与可调性
组成薄膜结构的每片膜材,在裁剪时要按一定比例缩小(补偿),使其在张拉到位的同时建立预应力,补偿值与其几何形状有相似关系。在安装过程中,需要液压千斤顶等临时性设备来施加预应力。一般在膜角点、内部悬挂点或者桅杆及索的锚固端施加作用力。必要时可通过安装在控制点上的张拉设备进行微调,以保证整个膜面应力均匀。
薄膜结构在其安装过程中会产生应变,应变量与薄膜的自身特性有关。在结构分析和裁剪设计补偿值的确定中要考虑这些特性。结构投人使用一段时间后,由于材料的永久性变形可能需要进行二次张拉。连接构造设计时应考虑施加预应力的方式、结构安装允许偏差以及进行二次张拉的可能性。


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