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膜结构的特点和类型
时间:2021-08-23  来源:管理员


  随着经济的发展,以及奥运、世博等大型体育项目和展览项目在中国的举办,我国的膜结构在应用方面近年来也开始呈现比较活泼的势头。 

  上海的八万人体育场是我国首次在大型建筑上采用膜结构。其挑篷采用以径向悬挑钢桁架和环向桁架组成的大跨度空间结构,上覆伞形膜结构,总覆盖面积36100m2。32榀桁架将结构分成57个锥形单元,锥体单元的高点由飞柱提供。32榀桁架中,最小悬臂21m,最大73.5m,桁架锚固在相距24m的巨型混凝土柱上。桁架侧向支撑由空间环向桁架提供。锥体设置4根脊索、4根下拉索(拉飞柱)。之后的上海虹口体育场采用了鞍形大悬挑空间索桁架支承的膜结构。

  青岛颐中体育场是我国第一个自行设计和安装,采用整体张拉式索膜结构的体育场工程。其挑篷是由60个锥形索膜单元组成的脊谷式张拉膜结构,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。建筑长轴为266m,由86m长的直线段和两端半径为90m的半圆弧组成,短轴为180m。立柱顶点标高42.5m,内环索标高约36.5m,篷盖悬挑沿周边均约40m。膜覆盖面积(水平投影)约30000 m2。

  国家游泳中心“水立方”是2008年奥运会标志性建筑之一,其建筑围护结构采用了ETFE膜结构。相比2006年德国世界杯慕尼黑安联体育场的ETFE气枕式外墙,规则排列的单层气枕,覆盖6万m2,水立方的中心屋面、立面和内部隔墙均由双层ETFE充气枕构成,且几乎没有形状相同的两个气枕,单个最大气枕面积90m2,表面覆盖面积达10万m2。水立方是国内首个ETFE膜结构,目前世界上规模最大的膜结构工程,也是唯一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑。


膜结构的特点

  膜结构自重轻,跨度大,建筑造型丰富,施工方便;但其抵抗局部荷载作用能力差,容易出现褶皱、局部破损甚至整体破坏等问题。

  薄膜结构具有和施工相关性的如下力学特点:(1)结构形状及刚度与施工方法和过程间有相关性;(2)结构的荷载敏感性;(3)结构成型前的弱(零)刚度性。柔性的薄膜材料只有当被赋予适当的预张力时才具有确定的形状和抵抗外荷载的刚度,也才成为结构。初平衡状态下的形状确定及预应力分布是张拉结构中最关键的问题。预应力的大小和分布决定了结构的刚度和形状。

膜结构的类型

  我国《膜结构技术规程》(CECS158:2004)根据膜材及相关构件的受力方式把膜结构分成四种形式:整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构、索系支承式膜结构和空气支承膜结构。

  空气支承膜结构,即充气膜结构是利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力,使膜面能覆盖所形成的空间。有气承式和气囊式两种。

  张拉膜结构通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度并承担外荷载。整体张拉式膜结构,通过膜面内力直接将荷载传递给边缘构件,应用在跨度较小的膜结构当中。钢索和膜结合形成张拉索-膜结构可应用于较大跨度的膜结构。

  以上两种形式中钢索的作用不尽相同,在充气膜中,钢索主要起加劲作用;在张拉膜结构中,钢索与膜材都是主要受力构件。

  骨架支承式膜结构是指由钢构件或其它刚性构件作为承重骨架,在骨架上布置按设计要求张紧的膜材。索系支承式膜结构的主要形式是索穹顶结构,索穹顶结构是以连续的拉索和不连续的压杆组成的预应力空间结构体系。这类结构使用薄膜作为覆盖材料,其中的膜材是传力构件而非主要受力构件,主要作用是围护。


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