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膜结构选型与建筑设计、结构设计
时间:2021-08-14  来源:管理员

膜结构选型

1) 除小跨度结构外,膜结构中的膜材总是与其他构件共同承重。目前,国内外对膜结构的形式有很多种不同分类方法,尚未统一。本规程按膜材及其相关构件的受力方式分成四种形式,是一种比较科学的分类方法。
2) 整体张拉式膜结构主要由索和膜构成,两者共同起承重作用,通过支承点和锚固点形成整体。
3) 骨架支承式膜结构由钢构件(如拱、钢架)或其他钢性结构起承重作用,膜材主要起围护作用。
4) 索系支承式膜结构主要由索、杆和膜构成,三者共同起承重作用。在通常所称的张拉整体(tensegrity)结构中,如采用膜材,即属于索系支承膜结构。另外比较流行的索穹顶结构(cabledome)也属于此类。
5) 以空气作为一种支承方式,是膜结构的一个特点,一般也成为充气结构,其设计与构造与传统结构有许多不同之处。

建筑设计

1) 膜结构建筑的表现方式与一般建筑有所不同,在建筑单位方案设计阶段,就应充分考虑到不同表现方式的相容与协调,并注意利用膜结构建筑技术所具有的形象特点,因势利导。膜结构建筑的方案设计应由建筑师与膜结构工程师共同完成。设计时首先应考虑膜结构体系的特殊性,从建筑功能和结构受力性能入手,创造出形式完美、构造合理的膜结构建筑。
2) 各国对于膜材的耐火等级和防火要求各不相同。一般来说,耐火等级与材料价格直接有关。当有条件时应尽量采用不然类膜材。当永久性建筑采用阻燃类膜材时,尚应根据当地消防部门的要求采取必要的防火措施。
3) 结构建筑采用的膜材一般均具有透光特性。由于漫射光的作用,膜材覆盖的空间内将呈现特殊的光学效果(有明显光感但无阴影),建筑设计中应予以合理利用。采用双层膜构造时,应考虑到透光率的折减。
4) 膜结构建筑的保温隔热性能较差,目前已广泛使用的膜材,自身并不能较好的隔绝外部温度的影响。单层膜结构仅适用于敞开式建筑或气候较温和的地区。对于封闭式建筑,应注意采用其他构造方式解决保温隔热问题。双层膜构造可以较好的满足保温、隔热要求,两层之间的空气隔离层一般为30cm左右,但应注意处理双层膜内部结露问题。
5) 膜结构建筑应有足够的坡度以解决排水问题并预防积雪。屋面排水设计从方案阶段就应予重视,一面造成重大工程隐患。采取有组织排水式时,应注意采取对建筑物墙面或地面的防污染措施。
6) 从空气支承膜结构过去发生的事故来看,大部分是在强风或大雪时,膜结构产生大变形而使膜材于内部或外部物体相碰,在接触点处膜材受到损坏,导致膜结构破坏。因此,膜材与内部、外部物体应保持一定距离,即使在最不利工况下也不应接触。此外,物体如有尖角、锐角,也应加以防护。

结构设计

1) 国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068修订后对结构重要性系数X做了两点改变:(1)X不仅考虑结构的安全等级,而且考虑了结构的设计使用年限;(2)将原标准X取值中的“等于”改为“不应小于”,使不同投资者对结构安全度设计有更多的选择余地。对于一般工业与民用建筑膜结构,其安全等级多为二级,其设计使用年限多为50年,因此其结构重要性系数不应小于1.0;对于设计使用年限为15~25年的易于更换膜材的膜结构,其结构重要性系数可适当降低,取为不小于0.95;对于设计使用年限为5年的临时性的膜结构,其结构重要系数可取不小于0.9.应该指出,膜结构下部的钢或钢筋混凝土承重结构,其设计使用年限仍可采用50年,当膜结构达到设计使用年限时,可以更换膜材,从而达到与下部结构同样的设计使用年限。
2) 本条系根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定,对于承载能力极限状态和正常使用极限状态,分别根据不同的设计要求采用不同的荷载组合。结合膜结构的具体情况,按承载能力极限状态设计时,只考虑荷载效应的基本组合,采用荷载设计值和强度设计值进行计算,不考虑偶然组合;按正常使用极限状态设计时,只考虑荷载效应的标准组合,采用荷载标准值、组合值和变形限值进行计算,不考虑其他组合。
3) 本条列出了作用在膜结构上的各种荷载,其中温度变化、支座不均匀沉降和施工荷载可根据工程具体情况予以考虑,地震作用在本规程第5.1.5条中规律可不考虑。施工荷载可根据工程安装的特点确定,有时不仅要考虑均布荷载,还有考虑安装或检修时的集中荷载。
4) 目前,我国的膜结构设计都参照国外的设计规范进行,荷载组合采用长期与短期两种情况(日本规范称为持久与临时荷载),并分别规定了不同的安全系数。由于膜结构受力具有较强的几何非线性,其各项荷载效应不能进行线性组合,因此本条规定采用两种组合类别,其中,第一类组合相当于长期(持久)荷载组合,第二类组合相当于短期(临时)荷载组合,并以抗力分项系数进行调节。
5) 风荷载是膜结构的主要荷载。由于膜结构的体型较复杂,而《建筑结构荷载规范》GB50009所提供的建筑体型有限,所以膜结构的风荷载体型系数一般需要通过风洞试验来确定。当所设计的膜结构为园林景观小品或临时性建筑时,可参考以往的工程经验确定风荷载体型系数。
6) 作为屋面的膜结构多为负高斯曲率曲面,结构上所受的雪荷载一般为非均匀分布,因此应根据不同的曲面形状、曲率变化调整雪荷载分布系数的取值。
7) 膜结构设计中,除了保证结构体系的整体稳定外,还应保证在局部膜片破坏或局部索推出工作时不致引起结构整体失效。由于膜材在拉力作用下存在松弛、徐变等问题,张拉式膜结构在正常使用1~2年后需要进行第二次张拉,结构设计时应考虑两次张拉对结构整体的影响。

8) 由于材料自身存在老化问题,各类膜材均有一定的使用年限。对于永久性建筑,当膜材达到使用年限或部分膜片在使用期间出现破损时,需要进行更换,这一点在结构整体设计时宜予以考虑。

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