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1、16 膜结构,16.1 膜结构概述16.2 膜材料16.3 荷载、作用与设计原则16.4 结构分析理论与方法16.5 连接构造16.6 制作、安装与验收,2,16.1 膜结构概述,薄膜结构也称为织物结构，是20世纪中叶发展起来的一种新型大跨度空间结构形式以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支承膜面，或利用柔性钢索或刚性支承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。,3,16.1.1膜结构的发展与应用概况,起源膜结构的起源可追溯至远古时代人们利用兽皮等建造的帐篷结构初期（20世纪初50年代）1917年，英国人兰彻斯特(F.Willian Lancheste
2、r)首先提出了利用空气压力差支承帐篷结构的思想，并建议用于野战医院，但由于当时的技术条件原因没有实现。1946年，美国工程师伯德(Walter Bird)首次建成了一个直径15m的充气膜穹顶，由尼龙纤维布制成，用于雷达防护罩。1956年以后美国一共建立了约50多家的膜结构公司，制造各种膜产品，用做体育设施、展览场、设备仓库、轻工业厂房等。,4,16.1.1膜结构的发展与应用概况,雏形（20世纪60年代70年代）20世纪60年代，德国斯图加特大学的弗赖奥托（Frei Otto）教授，先后于1962和1965年发表了研究膜结构的成果，并同帐篷制造厂商合作，做了一些帐篷式膜结构和钢索结构，其中最受人
3、注目的是1967年在蒙特利尔博览会的西德馆，开了膜结构构商业化的先河。,5,蒙特利尔博览会67 西德馆,6,16.1.1膜结构的发展与应用概况,1970年日本大阪世界博览会上，由美国建筑师布罗迪和工程师盖格尔（David Geiger）设计的美国馆为一平面尺寸83.5ml42m的准椭圆形空气支承膜结构。首次使用了聚氯乙烯（PVC）涂层的玻璃纤维织物，通常被认为是第一个现代意义上的大跨度膜结构。,7,大阪世界博览会70 美国馆,8,16.1.1膜结构的发展与应用概况,1970年日本大阪世界博览会上，由川口卫（Mamoru Kawaguchi）设计的日本富士馆（图16.1.1-2），平面为直径50
4、m的圆形，由16个直径4m、高72m的气囊式拱构成，拱间由环形水平带箍在一起，并固定在钢筋混凝土环梁上。,9,大阪世界博览会70 富士馆,10,16.1.1膜结构的发展与应用概况,发展20世纪70年代，美国开发了聚四氟乙烯（PTFE，商品名Teflon特氟隆）涂层的玻璃纤维织物，具有强度高，耐火性、透光性、自洁性好的特点，为膜结构广泛应用于永久性、半永久性建筑奠定了物质基础。这种材料于1973年首次应用于美国加州拉维恩学院的一个学生活动中心屋顶。,11,16.1.1膜结构的发展与应用概况-空气支承膜结构,此后又相继用于多个大中型体育建筑的空气支承膜结构中。1975年：美国密西根州庞提亚克“银色
5、穹顶”，平面为168mx220m椭圆形；,12,16.1.1膜结构的发展与应用概况,1982年：明尼苏达州Metro穹顶，平面为180mX215m椭圆形；1983年建成的加拿大温哥华BC Place体育场，平面为190mX232m椭圆形。,13,16.1.1膜结构的发展与应用概况,问题至1984年，类似的大型充气膜结构体育馆在北美就建了9座。但由于空气压力自动调节系统和融雪热气系统性能不稳定，几乎所有的充气结构在使用中都出现过问题，轻者屋面下瘪，重者膜材撕裂，尤其是在1985年冬天的一场大风雪中，“银色穹顶”险些全部倒塌。这些事故引起了人们的关注，甚至对充气膜结构的安全性产生了怀疑。1986年
6、以后，在美国建造的大型体育场馆中就没有采用过充气膜结构。,14,Tokyo Dome,1988年在日本建成的东京后乐园穹顶（Tokyo Dome）仍采用了充气膜结构，平面为长180m的圆角正方形，最大对角线长201m，覆盖面积46755m2，采用双层聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜材，中间通循环热空气起到融雪作用，特别是设置了先进的自动控制系统，中央计算机自动检测风速、雪压、膜和索的变形和内力，并选择最佳方案来调节室内气压和消除积雪，从而保证膜结构的正常工作。但后乐园建成以后，由于其昂贵的运转与维持费用，充气膜结构在日本也停步不前。目前，在大跨度结构中采用充气膜结构已很少，在中小跨度建筑中，充气膜结构
7、仍有一定的应用。,15,Tokyo Dome,16,16.1.1膜结构的发展与应用概况-张拉式膜结构,到20世纪80年代后期，张拉式膜结构及由钢索、刚性构架等为支承骨架的膜结构逐渐取代充气结构成为薄膜结构发展的主流。聚四氟乙烯涂层玻璃纤维膜材的开发也极大地推动了张拉式膜结构的应用。,17,著名工程,1981年建成的位于沙特阿拉伯吉达的哈吉航空港（Jeddah，Haj Termina），由10组共210个锥体组成，单个锥体的平面投影尺寸45x45m，总面积约42万m2,18,著名工程,1985年建成的沙特阿拉伯利雅得体育场（King Fahd International Stadium），直径2
8、88m，由24个形状完全一样的锥状悬挑单体组成，每一单体由一根直径2m、高60m的中央支柱支承，外缘通过边索张紧在若干独立的锚固装置上，内缘则张紧于直径133m的中央环索。,19,著名工程,美国的丹佛新国际机场候机大厅（Denvers Tenssile Roof）,膜屋盖总长2716.3m，宽55m，总覆盖面积约3万m2,20,16.1.1膜结构的发展与应用-骨架支撑膜结构,在桁架、网架、拱等刚性构架上覆以薄膜材料的骨架支撑膜结构与传统结构较接近，易于被工程界接受，是目前较常用的膜结构形式。韩国2002年世界杯足球赛十个体育场中有五个采用膜结构（汉城体育场、仁川体育场、大邱体育场、釜山体育场、
9、济洲西归浦体育场）日本2002年世界杯足球赛十个体育场中有六个是膜结构（新泻体育场、鹿岛茨城足球场、琦玉体育场、静冈Ogasayama体育场、大阪长居田径场、大分穹顶）,21,汉城体育场,22,大邱体育场,23,新泻体育场,24,鹿岛茨城足球场,25,大分穹顶,26,出云穹顶,日本出云穹顶(Izumo Sports Dome)，直径143m，高48.9 m；采用木骨架，建于1992年，是日本最大的也是全世界最高的木骨架穹顶。,27,秋田穹顶,日本秋田穹顶(Akita Sky Dome)，采用格构式钢拱架，平面尺寸100mX130m。,28,香港大球场,采用落地钢拱和立体桁架拱形骨架有12度的倾
10、角，其截面为3.5m见方。,29,上海八万人体育场,体育场屋盖是一个马鞍型，由径向悬挑桁架加环向桁架组成的环状大悬挑钢管空间结构。屋面层为57个伞状拉索结构，上面覆盖高技术材料(SHEERFILL)膜层。屋面平面投影呈椭圆型，东西宽288.4m，南北长2716.4m，中间开东西宽150m，南北长213m椭圆孔。屋盖檐口高度：西部：62.5m、东部：41.2m、南北部：31.8m；屋盖悬挑长度：西部73.5m、东部46m、南北部22.9m。屋盖水平投影面积37000m2，超过1996年美国Atlanta奥运会GEORGIA DOME膜结构。屋盖最大悬挑长度为73.5m，超过意大利罗马Olympi
11、c Stadium膜结构（悬挑长度63m左右）。,30,上海八万人体育场,31,16.1.1膜结构的发展与应用-混合充气膜结构,熊本市公园穹顶(PARK DOME,KUMAMOTO)1997,圆形双层充气膜结构屋顶，不规则的周边部分则用单层框架膜结构覆盖，全部室内空间保持正常压力。为保持双层充气膜的厚度和形状。在屋顶中央部位设计了一个简单的锥台状框架，构成充气屋顶的中心环。双层充气膜形成了一个直径107m的、以锥台状框架为中央支撑的“浮云”。在中央的锥台状框架与外围的环形桁架之间，上、下各有48根辐射状的素相连。以带PTEE涂层的玻纤膜覆盖骨架和索，同时，双层膜间充气达30mm汞柱的气压(正常
12、情况下)。这个庞大的外径125m的碟状屋顶被支撑在沿环形桁架的8个点上，每个点由“3-柱”型的组合柱支撑。这种结构系统被称作“混合充气膜结构”，它结合了轮式索结构和充气结构的优点。是此种结构形式在世界上首次应用。覆盖不规则周边部分的单层膜顶形成了一个简单的格构架结构用直径350mm的球节点将钢管装配成网格。,32,熊本市公园穹顶,33,16.1.1膜结构的发展与应用-可开合结构,可开合结构是随着现代体育建筑使用功能要求的提高而发展起来的一种新型结构形式。大型可开合结构采用拱架、网壳、平板网架等刚性结构作为移动屋盖单元的受力结构屋面材料包括膜材、金属板及其他轻质材料。,34,德国汉堡网球场,可缩
13、进的膜结构屋盖 可以在任何恶劣的天气时，将屋盖关上；在天气转好时打开。以确保在任何季节里网球比赛的举行，或避免时重要的赛事中断或延迟。此建筑充分发挥了索膜结构重量轻、造型灵活的优点。整结构展开面积约10000平方米，采用PVC(PVDF面层)膜材，并且选用能够满足要求的最薄的型号,35,关闭屋盖,36,开启屋盖,37,16.1.1膜结构的发展与应用-膜结构领域,文化设施展览中心、剧场、会议厅、博物馆、植物园、水族馆等体育设施体育场、体育馆、健身中心、游泳馆、网球馆、篮球馆等商业设施商场、购物中心、酒店、餐厅、商店门头（挑檐）、商业街等交通设施机场、火车站、公交车站、收费站、码头、加油站、天桥连
14、廊等工业设施工厂、仓库、科研中心、处理中心、温室、物流中心等景观设施建筑入口、标志性小品、步行街、停车场等,38,16.1.2 膜结构的特点,自重轻、跨度大膜结构的突出特点是自重轻，可以轻易跨越较大的跨度，且单位面积的自重与造价，不会随着跨度的增大而增加。建筑造型自由丰富 多变的支撑结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，新颖美观，同时体现结构之美，且色彩丰富，可创造更自由的建筑形体和更丰富的建筑语言。施工方便、周期短膜工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，在现场只进行安装作业。相比传统建筑的施工周期，施工周期大大缩短。,39,16.1.2 膜结构的特点,经济效益好膜建筑屋面重量仅为常规钢
15、屋面的1/30，这就降低了墙体和基础的造价。同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应，其价格效益比更高。透光型好，能源损耗低 膜材有较高的反射性及较低的光吸收低，并且热传导性较低，这极大程度上阻止太阳能进入室内。另外，膜材的半透明性保证了适当的自然漫散射光照明室内。安全性高 由于自重轻，膜建筑具有良好的抗震性能，可以承受较大的位移，不易整体倒塌，材料本身阻燃或不燃，不易造成火灾。,40,16.1.2 膜结构的特点,更大跨度的建筑空间 由于自重轻，膜建筑可以不需要内部支撑面大跨度覆盖空间，这使人们可以列灵活、更有创意地设计和使用建筑空间自洁性好 膜材表面加涂的防护涂层如（据
16、四氟乙烯、丙烯酸等）具有耐高温的特点，而且本身不发粘，这样落到膜材表面的灰尘可以靠雨水的自然冲洗而达到自洁的效果,41,16.1.2 膜结构的特点,耐久性较差隔音效果差袋装效应 抗局部荷载能力差环保问题突出,42,16.1.3 膜结构的形式与分类,膜结构按支承方式可分为空气支承（充气）膜结构（气承式-低压，气囊式-高压）张拉膜结构（悬挂膜结构、复合膜结构）骨架支承膜结构按膜材特性可分为永久性膜结构（膜材使用年限可超过25年）半永久性膜结构（膜材使用年限为10-15年）临时性膜结构（膜材使用年限为3-5年）,43,空气支承（充气）膜结构,空气支承膜结构(Air Supported Membran
17、e Structure)利用内外压差，使膜材处于受拉状态。依压力的不同，分为气承式和气囊式。气承式：室内外保持一定压差(1001000Pa)；气囊式：由多个高压膜构件组合形成,单个膜构件压差(2070kPa)。,44,张拉膜结构,张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。基本组成单元包括支柱(桅杆或其他刚性支架）、拉索、及覆盖的膜材。悬挂膜结构：以薄膜为主要受力构件，曲面形式为简单的鞍形或伞形。悬挂于刚性支架上。复合张拉膜结构：预应力索与张拉膜共同工作。结构造型丰富，富于表现力。,45,骨架支承膜结构,以刚性结构
18、（钢结构）为承重骨架，并在骨架上敷设张紧的膜材的结构形式。与常规结构接近，设计制作简单，工程造价较低跨度受骨架制约，膜材仅作维护，承载作用未得到发挥。索穹顶 由索系和压杆构成的预应力体系为支承骨架，受力分析复杂，施工难度大，技术条件要求高,46,其他分类标准,按曲面的高斯曲率正高斯曲率曲面，空气支承膜结构负高斯曲率曲面零高斯曲率曲面按建筑形式封闭式膜结构敞开式膜结构可开启式膜结构,47,16.1.4 国内膜结构工程实例,1997年建成的上海8万人体育场，是膜结构在我国首次应用于大型永久性建筑，虽然主要借助了外国的力量，但对于中国膜结构的发展影响深远，拉开了膜结构在中国广泛应用的序幕。1997年
19、以来，膜结构以每年20的速度增长，到2001年达到每年12万平方米的规模。下面为若干具代表性的膜结构工程实例。,48,1长沙世界之窗五洲大剧院,建于1997年底的长沙世界之窗五洲大剧院膜结构屋盖，是我国第一个主要依靠自己的技术力量设计建造的大型膜结构工程。剧院的建筑平面近似为扇形，膜后端与已有的建筑物山墙相连，膜结构部分由5个跨度不等、高度不等的双伞状膜单元组成，最大跨度86m，最高柱顶标高28m，覆盖面积约6100m。双伞状膜单元由两根内柱顶起，施工中通过顶升内柱给膜结构施加整体预张力。,49,长沙世界之窗五洲大剧院,50,2.青岛颐中体育场,青岛颐中体育场索膜罩棚工程，位于青岛市高科园海尔
20、路中段西侧，为我国第一个自行设计和安装、采用整体张拉式索膜结构体育场工程。罩篷是由60个锥形膜单元组成的脊谷式张拉膜结构，长轴266米，由86米长的直线段和两端半径为90米的半圆弧组成，短轴180米；立柱顶点标高42.5米，内环索标高约36.5米，篷盖悬挑沿周边均约40米；膜覆盖面积约30,000平方米，可容纳6万名观众，2000年7月竣工。整个篷盖由钢结构支撑系统、钢索、膜组成的一个典型索膜张拉体系，每个单元由一个立柱支撑，通过谷索、脊索、内外边索的张拉作用成形。,51,青岛颐中体育场,52,3.博鳌亚洲论坛主会场,主会场采用脊谷张拉式膜结构，其平面大致呈长约65m、宽约60m的矩形。脊索低
21、点16.5m、高点12m，采用 26的钢丝绳；谷索直径 40、低点2m。整座结构中央由6根 37710的主柱支撑，周边采用 2198的撑杆加拉索的形式。,53,4.郑州杂技馆,5800m2，2002年，单体膜面积为亚洲之最。,54,5.浙江大学新校区风雨操场,浙江大学新校区风雨操场，采用半开放式的膜结构，借鉴了闻名世界的悉尼歌剧院的扇形贝壳似外形。,55,6.上海国际赛车场副看台,该工程为索膜张拉结构，整个副看台全长288 m，总承重结构为钢筋混凝土结构。副看台屋顶由26个独立的索膜结构单体组成，由白色PTFE膜材张拉在白色钢结构上。建筑师取意于荷花，每个单体顶端结构及形式相同，呈不对称漏斗形
22、。相邻单体落差2.5m，沿副看台高低错落一字排开。单体膜平面投影形状为椭圆，长轴31.6m，短轴为27.6m，悬挑长度为216.3m，展开面积约为720，整个工程总计18720。膜结构主要组成包括主桅杆，上环及支撑系统，下环及支撑系统，膜体和排水系统。其中上环全长94米，重30吨，除上拉索和谷索之外只用3根刚性撑杆在短悬挑端与主桅杆相连。,56,上海国际赛车场副看台,57,16.2 膜材料,材料问题是膜结构的关键问题。膜结构对材料的要求强度高耐久性好不燃透光能自洁,58,16.2.1 建筑膜材的发展,20世纪70年代：特氟隆问世：涂覆的面层采用了聚四氟乙烯（PTFE，商品名称Teflon-特氟
23、隆）。强度高、耐火不燃、自洁性好使膜结构从最初的临时性开始迈向永久建筑的行列为膜结构的大量应用起了积极推动作用。涂覆PTFE面层的玻璃纤维织物，不但有足够的强度承受张力，在使用功能上也具有很好的耐久性。乐观估计，这种材料的使用年限将超过25年。,59,16.2.1 建筑膜材的发展,与此同时，一种价格比较低，涂覆PVC的聚酯织物在性能上也有很大的改进。在原来的涂层外面再加一面层，比较成熟的有聚氟乙烯（PVF，商品名Tedlar）和聚偏氟乙烯（PVDF），这种面层不但能保护织物抵抗紫外线，而且大大地改进了自洁性，就把聚酯织物的使用年限提高到15年，得以在永久性建筑中使用。法国法拉利（Ferrari
24、）公司推出的氟罗托普T（Fluotop T）就是采用了这种热压的PVDF面层，氟罗托普T具有较好的隔热性能，对太阳能可反射掉70，膜材本身吸收了17，传热仅13，而透光率却有20。这种材料的自洁性很好，对炭黑肮脏试验几乎没有影响。经过10年的太阳光直接照射，其辉度仍能保留70，而一般膜材只有20。此外颜色的改变以NBS单位测量，氟罗托普T只改变了2.5，而一般膜材中最好的也改变了5。,60,16.2.2膜材的种类,膜的材料分为织物膜材和箔片两大类。高强度箔片近几年才开始应用于结构。织物是由纤维平织或曲织生成的，织物膜材已有较长的应用历史。根据涂层情况，织物膜材可以分为涂层膜材和非涂层膜材两种；
25、根据材料类型，织物膜材可以分为聚酯织物和玻璃织物两种。通过单边或双边涂层可以保护织物免受机械损伤、大气影响以及动植物作用等的损伤，目前，涂层膜材是膜结构中的主流材料。,61,涂层膜材的分类,建筑膜结构的膜材，依涂层材料不同来分类，PTFE膜材：由聚四氟乙烯(PTFE)涂层和玻璃纤维基层复合而成。PTFE膜材品质卓越，价格也较高。PVC膜材：由聚氯乙烯(PVC)涂层和聚酯纤维基层复合而成，应用广泛，价格适中。加面层的PVC膜材：在PVC膜材表面涂覆聚偏氟乙烯（PVDF）或聚氟乙烯（PVF），性能优于纯PVC膜材，价格相应略高于纯PVC膜材。膜材的正确选定应综合考虑其建筑的规模大小、用途、形式、使
26、用年限及价格等因素后决定。,62,16.2.3 膜材的基本性能,膜材的物理性能 膜结构中的膜材是一种具有高强度、柔韧性好的薄膜材料；是由织物基材（(玻璃纤维，聚酯长丝)和涂层（PTFE、硅酮、PVC）复合而成的涂层织物。膜材具有轻质、柔韧、厚度小、重量轻、透光性好等特点；对自然光有反射、吸收和透射能力；它不燃、难燃或阻燃；具有耐久、防火、气密良好等特性，表面氟素处理(涂覆PVF或PVDF)的膜材自身不发粘、有很好的自洁性能。,63,膜材的一般构造图,64,1.膜材的物理性能,（1）力学性能；中等强度的PVC膜，厚度仅0.61mm，但它的拉伸强度相当于钢材的一半。中等强度的PTFE膜，厚度仅0.
27、8mm，但它的拉伸强度已达到钢材的水平。膜材的弹性模量较低，这有利于膜材形成复杂的曲面造型。（2）光学性能：膜材料可滤除大部分紫外线，防止内部物品褪色。其对自然光的透射率可达25，透射光在结构内部产生均匀的漫射光，无阴影，无眩光，具有良好的显色性，夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，膜结构表面发出自然柔和的光辉，令人陶醉。,65,1.膜材的物理性能,（3）声学性能：一般膜结构对于低于60Hz的低频几乎是通透的，对于有特殊吸音要求的结构可以采用具有FABRASORB装置的膜结构，这种组合比玻璃具有更强的吸音效果。（4）防火性能：如今广泛使用的膜材料能很好地满足对于防火的需求，具有卓越的阻燃和
28、耐高温性能，达到法国、德国、美国、日本等多国标准。（5）自洁性能：PTFE膜材和经过特殊表面处理的PVC膜材具有很好的自洁性能，雨水会在其表面聚成水珠流下，使膜材表面得到自然清洗。,66,1.膜材的物理性能,（6）保温性能：单层膜材料的保温性能与砖墙相同，优于玻璃。同其他材料的建筑一样，膜建筑内部也可以采用其他方式调节其内部温度。例如：内部加挂保温层，运用空调采暖设备等。,67,2.膜材的基材及其织法,（1）基材1）尼龙/Nylon：抗拉力较聚酯类好，但其刚度较低，使得在载重情况下可能造成皱褶的概率大为升高，并且易受湿度变化的影响，使得在裁剪前后产生误差。另外，易受紫外线影响而逐渐失去抗拉力。
29、2）聚酯类/Polyester：聚酯类的抗拉力较尼龙稍差，但其具有良好的耐久性，抗紫外线性能及低成本，长时间内为膜材常用之基材。PVC膜片与聚酯胶合或镀层在较长时间的制造中通常为最经济的方式。,68,（1）基材,3）玻璃纤维/Fiber Glass 具有高弹性系数及高抗拉强度，但其纤维易因重复之压折而破坏，为克服此点，运用较小直径之纤维稍能降低破坏之程度。玻璃纤维不易受紫外线破坏，因此大量应用于永久性的建筑。4）人造纤维Aramids（Kevlar）具有高弹性系数及高抗撕裂强度，伸缩性较玻璃纤维为佳但不及Nylon与Polyester。曝露于紫外线下同样会使基材之特性恶化。,69,（2）基材的
30、织法,70,（2）基材的织法,疏交错织法 密交错织法,71,3建筑膜材的控制要求,用于结构主要受力部分的膜面所使用的膜材料，须满足一定的标准；(1)膜材料应根据基布的不同种类，涂抹或粘贴树脂涂层材料，具体要求可参考国外相应规范(国内膜规范尚在编制中)；(2)厚度应在0.5mm以上；(3)质量550g/m2以上(由合成纤维丝做基布的膜材料500g/m2)(4)纤维丝密度要一致；(5)布纹曲度(用与膜材料的径向丝平行的面垂直的二直线，与膜材料围成的该二直线距离，再用膜幅宽度数除得到的数字)10以内；,72,3建筑膜材的控制要求,(6)涂层材料的粘接强度，应在膜材料拉伸强度的1以上，且lcm宽度能承
31、担10N以上的荷载；(7)拉伸强度lcm宽度上能承担200N以上，且经向和纬向张拉强度之差应小于经向或纬向张拉强度中较大者的20；(8)拉断延伸率在35以下；(9)撕裂强度在100N以上，且是拉伸强度乘lcm所得数值的15以上；,73,3建筑膜材的控制要求,(10)由拉伸蠕变引起的延伸率15(由合成纤维丝做基布的膜材为25)以下；(11)在荷载的主要部分、特别有质量变异或磨损危险的部分，应选质量变异弱、难磨损的膜材料或质量变异弱、采取防止磨损措施的膜材料；(12)除了以上的规定，根据具体情况还应进行必要的试验以确保膜材料在耐久度、抵抗恶劣天气及防水等方面的性能符合实际设计使用要求。,74,16
32、.3.3 一般设计计算原则,与传统结构的区别膜结构属于柔性张拉结构，必须通过施加初始预张力才能获得结构刚度，不同的初始预张力分布将导致不同的结构初始形状，通常意义上的结构受力分析正是基于一定的初始形状而进行的。膜结构的表面形状为空间曲面，且通常形状比较复杂，属不可展曲面，因此存在将平面膜材通过裁剪构成空间曲面的问题。,75,1.计算内容,初始形态分析指确定结构的初始曲面形状及与该曲面相应的初始预应力分布；荷载效应分析指对结构在荷载作用下的内力、位移进行计算；裁剪分析指将薄膜曲面划分为裁剪膜片并展开为平面裁剪下料图的过程。三部分的计算分析过程是相互联系、相互制约的，需要从全过程的角度进行分析，通
33、过反复调整，才能最终得到满足建筑、结构要求的膜结构。必要时应进行膜结构施工过程的验算，设计中还应考虑施工过程的实现，如施工艺、初始预张力引入等问题。,76,2.几何非线性与材料非线性,膜结构中的膜材和索均属柔性材料，只能承受拉力而不能承受压力、弯矩等的作用，因此膜结构主要通过变形(曲率变化)来平衡外荷载，在外荷载作用下往往产生较大的变形。结构计算分析时必须考虑变形对平衡的影响，即考虑结构的几何非线性。薄膜材料的应力-应变关系表现出明显的非线性，特别在应力较大时应力应变曲线变化较大。但由于实际工程中的膜材往往处于较低的应力水平，设计应力远低于材料的破坏强度，因此在膜结构计算中可以不考虑材料的非线
34、性效应，近似按线弹性材料考虑，这在很大程度上简化了膜结构的设计。,77,3.边界条件,计算模型的边界支承条件，可根据膜材与边缘构件(柔性索或刚性构件)的实际连接构造情况，假定为固定支承或弹性支承。于骨架支承膜结构若支承结构的刚度很大，可将膜材与刚性骨架的连接处考虑为固定支承边界。一般情况下，可将膜材与支承骨架的连接处考虑为弹性支承，在膜的计算分析中考虑支承骨架刚度的影响，再根据连接处的支座反力进行支承骨架的计算。膜结构设计中应防止支承结构产生过大的变形，对可能出现较大位移的情形，计算时应充分考虑支承结构变形的影响，最好将膜结构与支承结构一起进行整体分析。,78,4.膜材的松弛与褶皱,膜结构中若
35、膜材出现松弛，会导致结构刚度的降低，在风荷载作用下容易出现剧烈振动，导致整体结构受力的无谓增力口，甚至可能导致膜材撕裂。膜材的松弛还会引起褶皱，从而影响膜结构的美观及排水性能。因此在正常使用状态下，膜材不应出现松弛与褶皱现象。如果荷载效应分析中发现膜结构出现褶皱，说明形态分析得到的初始预张力分布不能满足膜结构的正常使用要求，需重新进行初始形态分析。,79,5.膜结构设计流程,初始态分析 确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复修正的过程。荷载态分析 张拉膜结构自重很轻，仅为钢结构的1/5，混凝土结构的1/40；因此膜结构对地震力有良好的适应性，而
36、对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。连接设计 包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。剪裁设计 这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。,80,16.4 膜结构连接构造,膜结构的连接构造膜材连接膜材与支承结构之间的连接连接构造应确保连接安全、可靠、合理，并使构造简洁、美观。,81,膜材连接方法,膜材连接有三种基本的粘合方法：缝纫粘合：这是一种最牢固的粘合方法，
37、但是缝纫线容易被损坏。缝纫粘合通常是与热合粘合同时应用在PVC涂覆聚酯长丝织物上，以期得到更大的强度，如果在户外使用，缝纫粘合还要用PVC覆盖物加以保护。缝纫粘合不适用于PTFE涂覆玻璃纤维织物，和其它所有脆性布基的材料。,82,热合粘合：热焊接是加热粘合缝，并使织物上层的涂层熔融，然后施加压力并使粘合缝冷却。可以通过向膜材吹热空气，或者让膜材接触加热物件，或者通过高频电磁波，使得膜材获得相应的热量。热和粘合使用于PVC涂覆聚酯长丝织物和PTFE涂覆玻璃纤维织物。而对于PTFE涂覆玻璃纤维织物来说，由于PTFE不能自己热熔，就需要在内层采用一种不同的材料。,膜材连接方法,83,机械粘合：虽然缝
38、纫和热合已经大量应用于膜材加工车间，但是机械粘合有时也会应用。机械粘合一般有三种形式：1 在两个膜片的边缘埋绳，并在两个膜片的重叠位置夹上夹板。这种夹板要求不连续，并且可以移动。2 在两个膜片的边缘埋绳，并将两条埋绳嵌入有两个开口的铝夹板中。铝夹板也是不连续的。这种粘合方法的防水性能比第一种要差。3 最简单的一种方法是将许多膜片排成一排并加以固定。这是最容易且最迅速地安装方法，但不能做到防水。,膜材连接方法,84,膜材与支承结构的连接,膜材与钢索的连接膜材与刚性边缘构件的连接,85,连接节点,86,连接节点,87,连接节点,88,连接节点,89,连接节点,90,连接节点,91,连接节点,92,
39、连接节点,93,连接节点,94,连接节点,95,节点1,96,节点2,97,节点3,98,节点4,99,节点5,100,节点6,101,第四节 膜结构施工,钢结构工厂加工 与传统钢结构基本相同，但需注意加工精度，尤其注意膜、索连接处的钢构件的尺寸和空间位置。现场施工 钢结构的吊装、拼接膜的吊装膜、钢索内力的测定、调整,102,膜结构施工组图1,钢结构的吊装、拼接,103,膜结构施工组图2,由地面到四层楼板边缘的提升,由楼板桁架跨中至屋盖顶部的垂直提升,由四层楼板边缘到桁架跨中的水平移动,膜的吊装,104,膜结构施工组图3,沿结构纵向将膜布从中间向两端展开（在工厂按一定方向折叠）,105,膜结构施工组图4,膜的横向展开、张拉，拉扯膜布的22个角点沿横向轴线展开并张拉固定,106,膜结构施工组图5,施工完成,
