張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計原理介紹

張拉膜結(jié)構(gòu)修建為廣闊的結(jié)構(gòu)工程師供給了一個發(fā)揮高科技規(guī)劃技能的全新空間。

1.概略

近十幾年來，張拉膜結(jié)構(gòu)修建以其外型共同的外觀，夢幻般的內(nèi)部空間，充滿了張力的曲線、變幻的膜體、規(guī)范化加工的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，高度靈敏的支承辦法，為廣闊的結(jié)構(gòu)工程師供給了一個發(fā)揮高科技規(guī)劃技能的全新空間，因而也備受新一代結(jié)構(gòu)規(guī)劃師的關(guān)注。

張拉膜結(jié)構(gòu)規(guī)劃時首先應(yīng)思考張拉膜結(jié)構(gòu)體系的特殊性，即因為張拉膜、索結(jié)構(gòu)所運用的首要資料自身不具有根本剛度和形狀，只有對膜材施加預(yù)張拉應(yīng)力才能取得結(jié)構(gòu)承載一切必要的剛度和形狀，因而要經(jīng)過調(diào)整改動膜材的預(yù)張力分布來取得抱負的結(jié)構(gòu)外型，又或許經(jīng)過改動膜或索的預(yù)張拉力比值來完成，然后得到形狀各異的結(jié)構(gòu)。例如，堅持索之中的預(yù)拉應(yīng)力不變，增大膜的預(yù)張力與索的預(yù)拉力的比值，即添加膜的預(yù)張力，所得結(jié)構(gòu)的曲率增大；反之，減小膜的預(yù)張力與索的預(yù)拉力的比值，即下降膜的預(yù)張力，所得結(jié)構(gòu)的曲面及鴻溝較平整。在張拉膜修建規(guī)劃進程傍邊，結(jié)構(gòu)師一直起首要作用，只有這樣才能使結(jié)構(gòu)、功用及審美三方面在規(guī)劃之中有機聯(lián)系，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)方法所具有的特性。

2.結(jié)構(gòu)選型

張拉膜結(jié)構(gòu)的選型，應(yīng)依據(jù)修建外型需要和支撐條件等，經(jīng)過歸納剖析斷定。通?？蛇x用下列結(jié)構(gòu)方法：全體張拉式、索系支承式、骨架支承式和空氣支承式，或以上方法組合成的結(jié)構(gòu)方法。

3.結(jié)構(gòu)規(guī)劃

膜結(jié)構(gòu)規(guī)劃應(yīng)選用以概率理論為根底的極限狀況規(guī)劃辦法，以分項系數(shù)規(guī)劃表達式進行核算。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)依據(jù)結(jié)構(gòu)的等級、規(guī)劃運用年限斷定。依據(jù)運用進程在結(jié)構(gòu)上能夠一同呈現(xiàn)的荷載，按承載才能極限狀況和正常運用極限狀況別離進行荷載（效應(yīng)）組合，并應(yīng)取各自的晦氣效應(yīng)組合進行規(guī)劃。膜結(jié)構(gòu)規(guī)劃應(yīng)思考恒、活、風(fēng)、雪、頂張力、氣壓力、溫變和支座沉降等作用。膜面的活載規(guī)范值可取0.3kN/?。

風(fēng)載體型系數(shù)可按國家規(guī)范《修建結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)則選用。關(guān)于形狀雜亂或重要的修建物，應(yīng)經(jīng)過風(fēng)洞試驗或?qū)ｉT研究斷定風(fēng)載體型系數(shù)。有條件時也可經(jīng)過剖析研究斷定。

膜結(jié)構(gòu)規(guī)劃時，應(yīng)在滿意膜面應(yīng)力平衡的條件下，使結(jié)構(gòu)體系堅持安穩(wěn)。為防止在風(fēng)的吸、壓力作用下發(fā)生變形而致使結(jié)構(gòu)的全體張力體系失效，有必要在膜結(jié)構(gòu)的谷部外表添加安穩(wěn)壓索；又或許為了防止膜結(jié)構(gòu)的脊部應(yīng)力過大，能夠在脊部緊貼底面添加脊索。安穩(wěn)索和脊索有必要參加相應(yīng)工況下的全體受力和變形驗算。此外，還應(yīng)思考運用期間部分膜片損壞或部分索退出作業(yè)，以及不一樣部位膜單元進行第二次張拉或更換對全體結(jié)構(gòu)的影響。

膜結(jié)構(gòu)規(guī)劃時，可選用下列辦法合理施加預(yù)張力：在邊際直接張緊膜面【圖a】;l拉緊周圍邊索【圖b】；拉緊安穩(wěn)索【圖c】；頂升中心支柱【圖d】。

4.資料挑選

膜結(jié)構(gòu)應(yīng)依據(jù)規(guī)劃需求，選用不一樣種類和代號的膜材。當有足夠的依據(jù)時，膜材的經(jīng)、緯向抗拉強度規(guī)范可選用出產(chǎn)企業(yè)供給的數(shù)據(jù)。拉索可選用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索、鋼絞線或鋼絲繩，也可依據(jù)詳細狀況選用鋼棒等。鋼絲繩宜選用無油鍍鋅鋼芯鋼絲繩。鋼絞線、鋼絲繩、熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索及其錨具的質(zhì)量應(yīng)契合中國有關(guān)規(guī)范和現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范的規(guī)則。錨具與索銜接的抗拉強度，澆鑄式不得小于索抗拉強度的95%；壓接式不得小于索抗拉強度的90%。

5.結(jié)構(gòu)核算

膜結(jié)構(gòu)應(yīng)進行初始形狀剖析(找形)、荷載效應(yīng)剖析、裁剪剖析，必要時換應(yīng)進行施工進程驗算。初始形狀剖析可選用非線性有限元法、動力松懈法和力密度法等；荷載效應(yīng)剖析可選用非線性有限元法和動力松懈法。核算時應(yīng)思考結(jié)構(gòu)的幾許非線性，可不思考資料非線性。結(jié)構(gòu)核算中可思考膜材的各向異性。核算模型的鴻溝支承條件應(yīng)與支承點的實踐結(jié)構(gòu)項契合，關(guān)于能夠發(fā)生較大位移的支承點，在核算中應(yīng)思考支座位移的影響，或與支承結(jié)構(gòu)一同進行全體剖析。

對膜結(jié)構(gòu)中的索、膜構(gòu)件，可不思考地震作用的影響；支承結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)劃，應(yīng)按照國家有關(guān)規(guī)范的規(guī)則執(zhí)行。初始形狀剖析應(yīng)滿意鴻溝條件和合理預(yù)張力的需求，并滿意修建外型和運用功用的需求。

索、膜構(gòu)件的預(yù)張力值應(yīng)依據(jù)膜材類型、膜面荷載、能夠發(fā)生的變形以及施工等要素斷定。預(yù)張力值有必要確保在類荷載效應(yīng)組合下，一切索、膜構(gòu)件均處于受拉狀況。

膜結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)剖析，應(yīng)在初始形狀剖析斷定的幾許形狀和預(yù)張力的根底上，思考各種能夠的荷載組合狀況對膜結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響。當核算結(jié)果不能滿意需求時，應(yīng)從頭斷定初始形狀。

核算膜、索的內(nèi)力和位移時，應(yīng)思考風(fēng)荷載的動力效應(yīng)。關(guān)于形狀較為簡略的膜結(jié)構(gòu)，可選用乘以風(fēng)振系數(shù)的辦法思考結(jié)構(gòu)的風(fēng)動力效應(yīng)。對骨架支承式膜結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)可取1.2～1.5；對全體張拉式傘形、鞍形膜結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)可取1.5～2.0。

關(guān)于跨度較大、風(fēng)荷載影響較大的或重要的膜結(jié)構(gòu)，應(yīng)經(jīng)過動力剖析或氣彈性模型風(fēng)洞試驗斷定風(fēng)荷載的動力效應(yīng)。

在各種荷載組合下，膜面各點的主應(yīng)力應(yīng)滿意下列需求：

式中 在各種荷載組合作用下的主應(yīng)力值；

膜材抗拉強度規(guī)范值；

強度折減系數(shù)；對處于通常部位的膜材 =1.0；對處于銜接點處和邊際部位的膜材 =0.75；

膜材抗力分項系數(shù)，對類荷載效應(yīng)組合 =5.0；對第二類組合 =2.5。

6.取舍規(guī)劃

膜結(jié)構(gòu)的裁剪剖析應(yīng)在初始平衡曲面的根底上，在空間曲面上斷定膜片間的裁剪線，然后取得與空間膜片接近的平面打開膜面。斷定膜結(jié)構(gòu)的裁剪線，可選用測地線法和平面相交法等。斷定裁剪線時應(yīng)思考下列要素：裁剪線安置的漂亮性；依據(jù)膜材幅寬，盡量有用運用資料；習(xí)慣膜材正交異性的特色，使膜材的纖維方向與核算的主受力方向共同。膜結(jié)構(gòu)的裁剪剖析中有必要思考初始預(yù)張力和膜材徐變特色的影響。應(yīng)依據(jù)所用膜材的材性，合理斷定各膜片的收縮量，并對膜片的裁剪尺度進行調(diào)整。當選用搭接辦法時，規(guī)劃的裁剪片應(yīng)預(yù)留搭接寬度。

7.空氣支承膜結(jié)構(gòu)規(guī)劃關(guān)鍵

空氣支承膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力，應(yīng)確保在各種荷載作用下滿意結(jié)構(gòu)的強度和安穩(wěn)性需求。規(guī)劃時應(yīng)合理斷定膜結(jié)構(gòu)的、小作業(yè)內(nèi)壓和正