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膜結(jié)構(gòu)工程

用于膜結(jié)構(gòu)建筑中的膜材是一種具有強(qiáng)度，柔韌性好的薄膜材料，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維，而作為涂層材使用的樹脂有聚樹脂（PVC），硅酮（silicon）及聚四氟乙烯樹脂（PTFE），在力學(xué)上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質(zhì)。由于充分發(fā)揮了材料抗拉強(qiáng)度高的特性,使得膜結(jié)構(gòu)建筑具有以下優(yōu)點(diǎn):1。織物基材——抗拉強(qiáng)度，抗撕裂強(qiáng)度，耐熱性，耐久性，防火性。涂 層 材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

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膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

1，初始態(tài)分析：確保生成形狀穩(wěn)定、應(yīng)力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況；這是一個(gè)反復(fù)修正的過程。

2，荷載態(tài)分析：張拉膜結(jié)構(gòu)自身重量很輕，僅為鋼結(jié)構(gòu)的1/5，混凝土結(jié)構(gòu)的1/40；因此膜結(jié)構(gòu)對(duì)力有良好的適應(yīng)性，而對(duì)風(fēng)的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測(cè)資料尚少，故對(duì)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常采用安全系數(shù)法。

3，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的確定，及對(duì)支承結(jié)構(gòu)的有限元分析。當(dāng)支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與膜結(jié)構(gòu)不同時(shí)，應(yīng)注意不同設(shè)計(jì)方法間的系數(shù)轉(zhuǎn)換。

4，連接設(shè)計(jì)：包括螺栓、焊縫和次要構(gòu)件尺寸。

5，剪裁設(shè)計(jì)：這一過程應(yīng)具備必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補(bǔ)償值（應(yīng)通過雙軸拉伸試驗(yàn)確定）。

膜結(jié)構(gòu)建筑特點(diǎn)

膜結(jié)構(gòu)建筑是用輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性薄膜材料與支撐體系相結(jié)合形成的具有一定剛度的穩(wěn)定曲面、可承受一定荷載、能夠覆蓋大空間的結(jié)構(gòu)形式。由于充分發(fā)揮了材料抗拉強(qiáng)度高的特性,使得膜結(jié)構(gòu)建筑具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.1 跨度大

據(jù)有關(guān)資料推測(cè),跨度越大的建筑,采用膜結(jié)構(gòu)越能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性。目前充氣結(jié)構(gòu)建筑的無內(nèi)柱空間路度可做到200m以上。

1.2 結(jié)構(gòu)重量輕

膜材本身質(zhì)輕,支承膜材的鋼桿、鋼架與鋼索比相應(yīng)的鋼筋混凝土也減輕不少重量。1970年日本大阪世界博覽會(huì)中的美國館,屋面重量每平方米僅1122kg。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

常用的計(jì)算機(jī)找形方法：

（3）有限單元法

有限單元法（FiniteElementMethod）初是用來計(jì)算索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的非線性迭代方法，但現(xiàn)在已成為較普遍的索膜結(jié)構(gòu)找形方法。尤其在膜材方面，中國起步晚，技術(shù)水平低，大部分膜材還主要依靠進(jìn)口。其基本算法有兩種，即從初始幾何開始迭代和從平面狀態(tài)開始迭代。顯然，從初始幾何開始迭代找形要比從平面狀態(tài)開始來得有效，且所選用的初始幾何越是接衡狀態(tài)，計(jì)算收斂越快，但初始幾何的選擇并非容易之事。兩種算法中均需要給定初始預(yù)應(yīng)力的分布及數(shù)值。在用有限元法找形時(shí)，通常采用小楊氏模量或者干脆略去剛度矩陣中的線性部分，外荷載在此階段也忽略。

有限元迭代過程中，單元的應(yīng)力將發(fā)生改變。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多，所以要使每一個(gè)膜片具有良好的剛度，就應(yīng)盡量形成負(fù)高斯曲面，即沿對(duì)角方向分別形成“高點(diǎn)”和“低點(diǎn)”。求得的形狀除了要滿足平衡外，還希望應(yīng)力分布均勻，大小合適，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。因此，找形過程中還有個(gè)曲面病態(tài)判別和修改的問題，或者叫形態(tài)優(yōu)化（包括幾何形態(tài)優(yōu)化、應(yīng)力形態(tài)優(yōu)化和剛度形態(tài)優(yōu)化等）。用有限元法找形的軟件有澳大利亞FABDES等。

經(jīng)過找形確定的結(jié)構(gòu)初始形狀滿足了初應(yīng)力平衡條件并達(dá)到預(yù)想的形狀，但其是否滿足使用的要求，還必須進(jìn)行荷載效應(yīng)分析。