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膜結構范文第1篇

關鍵詞:膜結構 風致破壞 風場特性

中圖分類號:TU74文獻標識碼:A 文章編號:1007-3973(2010)06-074-03

1引言

隨著世界工業的發展和計算技術的進步,膜結構從臨時建筑逐漸邁入永久建筑的行列,成為充滿活力的一種新型大跨空間結構體系。膜結構由于其輕質高強、造型新穎、施工簡便、良好的抗震性和自潔性等優點受到了工程師們的青睞,得到了廣泛的應用和飛速發展,所建成的一些建筑已成為當今現代化都市的重要標志。但以膜結構為代表的柔性空間結構體系,跨度大、質量輕、阻尼小、自振頻率低,對風荷載特別敏感,而現今對膜結構的抗風設計理論研究還不充分,許多方面尚無相應設計規范可依,特別是涉及到風致破壞機理和防制的一些問題至今沒有形成一套成熟的解決思路。因此對該類工程風致破壞機理研究是一項緊迫而又艱巨的挑戰。

2膜結構的應用和分類

膜結構的出現可以追溯到游牧民族使用的帳篷,其特性與現代膜結構極為相似,只是受材料限制,其規模較小,耐久性差。最早的、真正意義上的現代膜結構體系,可以認為是1967年Frei Otto為加拿大蒙特利爾展覽會設計的德國大帳篷(圖1),它通過支撐在不同高度桅桿上的預應力雙曲鋼索網覆蓋了大片平面,以輕質透明有機織物片作為圍護結構連接于索網下。從上個世紀70年代以來,我國一些科研、設計單位與高等學校開始對膜結構進行研究,一些關鍵技術如膜結構的找形分析、荷載分析、裁剪分析等方面的研究獲得了一定的進展。1995年建成的北京房山游泳館與鞍山農委游泳館是我國第一次正式應用于工程的空氣支撐膜結構,標志著我國開始了膜結構工程的建設。1997年通過引進國外膜結構技術建成了上海八萬人體育場看臺挑棚(圖2),促進了我國膜結構的發展。如今,該結構已廣泛應用于體育館、商場、大面積溫室、公共建筑等土木建筑中。

膜結構按其結構形式可分為三種類型:充氣式膜結構、骨架式膜結構和張拉式膜結構。其中充氣式膜結構又可分為氣承式膜結構和氣脹式膜結構。

氣承式膜結構(圖3)是向氣密性好的膜材所覆蓋的空間內注入空氣,利用內外空氣壓力差給膜以壓力,使得結構具有一定的剛度來承受外部荷載作用。為了保持氣壓差,一般需要長期不間斷的能源供應。氣脹式膜結構(圖4)是將膜材本身做成封閉體,向其中注入高壓力的空氣(3~7個大氣壓)使膜材產生張力,注入空氣的壓力要比氣承式膜結構大得多。

骨架式膜結構(圖5)是以膜材繃緊在剛性骨架(網殼、拱架等)上的結構,剛性骨架是膜結構體系主要的承力構件,作為覆面材料的膜材則是局部范圍內的承力單元。骨架為自平衡體系,在整個膜結構體系中是主承力構件,膜體為輔助承力構件,膜體自身強大的結構作用發揮不夠。

張拉式膜結構(圖6)是依靠膜的張力與支撐桿和拉鎖共同作用構成的結構體系,其形成機制與預應力索網類似,呈負高斯曲率的曲面形狀,張緊在柔性或剛性的邊緣構件上,還可以利用桅桿或立柱提供獨立的吊點或支點。這種膜結構要通過張拉手段在結構內建立一定預應力,使之具有必要的剛度。

3膜結構的風致破壞工程實例及分析

經過近十幾年的研究,一些涉及到膜結構工程設計中的基本問題都己得到較好解決。但是膜結構的跨度大、質量輕、阻尼小、自振頻率低,對風荷載特別敏感,而在膜結構的抗風設計理論研究方面卻一直進展緩慢,特別是涉及到風荷載的動力效應、風致內壓等問題時,至今沒有形成一套成熟的解決思路。加之有的工程由于設計、制作、安裝不當給結構留下了安全隱患。迄今,國內外已出現多起膜結構在風荷載作用下破壞的實例。

3.1強風作用下膜材撕裂

膜結構在強風作用下出現膜材撕裂的現象時有發生,日本的出云穹頂和云母穹頂屢遭強風破壞;美國的佐治亞穹頂在1995年的一次強風大雨襲擊下,四片薄膜被撕裂,撕裂長度達10余米;2005年臺風達維在我國海南省登陸,造成三亞市的標志性建筑“美麗之冠”頂部膜材嚴重撕裂(圖7)。該類破壞的原因有以下幾點:

(1)膜面過于扁平或預張力不足,或因膜材徐變松弛后未及時二次張拉,致使膜面整體剛度很低,在強風作用下出現大幅度的擺動,導致膜材被撕裂或在擺動過程中撞擊其他物件而破壞。

(2)連接部位的松動或脫落,或因節點設計不合理、不恰當而限制節點的轉動自由度,也可造成膜材在強風作用下被撕裂。

3.2風力作用下門窗被打開或者破壞

1999年9月,日本熊本穹頂在臺風中由于旋轉門被風沖開,導致上拉索和節點板破斷,內外膜面撕裂破壞。

這一破壞的原因與風致內壓有很大的關系,突然開孔(窗戶在大風中突然受損或門在大風中突然被吹開的瞬間)會造成初期瞬時脈動風壓的激劇增加。脈動風壓衰減過程的機理比較復雜,會否引起薄膜結構共振取決于多種因素,與來流風速、開孔位置與大小、建筑物內部形狀以及薄膜結構屋面自振頻率等參數有關。

3.3風致殘片或其他物體將膜割破或者砸破

日本熊本穹頂在臺風中破壞的另一原因是窗戶被吹破后玻璃碎片將膜材割破,另外國內也出現了不少膜結構由于燈具,裝飾物,懸掛物等物品在大風情況下墜落而砸破膜面的情況。具體原因有如下幾點:

(1)膜材雖有較高的抗拉強度,足以承受徑向、緯向所受的張力,但其抗撕裂強度僅為抗拉強度的1/8至1/7。

(2)局部膜材被破壞后,造成了其余膜片受力不均,進而發生破壞。

(3)該類破壞情況同樣造成了突然開孔,導致了結構內壓的變化。

3.4邊界處損壞造成的結構破壞

國內某膜結構工程在2008年的一場大風中由于連接件斷裂造成了角部膜材撕裂(圖8),這一破壞情況與設計師對邊界位置處連接件強度考慮不周有關。此外,在一些膜結構工程中由于膜材在邊界處與鐵件(索、連接件等)發生微振摩損,磨損后膜材的強度降低,最終造成了結構的破壞。

4膜結構風致破壞原因

4.1空氣作用力的復雜性

結構繞流特性復雜,膜結構又多為復雜的三維空間曲面,對膜結構表面繞流特性的確定特別是涉及到風荷載的脈動特性時異常復雜。此外,由于膜結構沿水平方向的跨度通常遠大于結構高度,因此結構表面的風壓分布不但與來流的脈動特性有關,還會更多的受到結構自身特征湍流(即由于結構形狀影響所產生的漩渦脫落、分離和再附等現象)的影響,這就使得膜結構的風振分析很難像高層和橋梁那樣建立一種普遍適用的陣風荷載系數。

4.2結構的動力特性和幾何非線性

現代膜結構均具有質量輕、柔性大、阻尼小等特點,結構自振周期與風速的長卓越周期較為接近, 因而風荷載成為控制膜結構設計的主要荷載。結構在風荷載作用下的動力響應是一個十分復雜的問題。另外,膜結構是典型的大變形柔性體系,不具有彎曲剛度,其剛度主要由預張力和負高斯曲面所構成的幾何剛度來提供,表現出明顯的幾何非線性特點。

4.3開敞和開孔結構的風致效應

對于開敞式膜結構, 膜材上下表面都受到風力作用, 而設計時需要的是膜材上下表面的風壓差, 即凈風壓。一般來說膜材上表面常受負風壓, 而下表面受正風壓, 凈風壓應大于上表面風壓, 所以只考慮上表面風壓的設計偏于不安全。另外對于四周封閉膜結構由于門窗破壞造成的突然開孔,開孔瞬間產生的脈沖內壓值相當大, 其上限值要比氣流穩定后最大內壓值高出很多, 由于通常設計沒有考慮內壓的這一瞬間增大, 因此結構在此時也很可能發生破壞。

4.與結構的流固耦合效應

在風荷載作用下,膜結構會產生較大的變形和振動,其幾何形狀的改變和振動會影響周圍流場的變化,進而改變作用在膜結構表面的風壓,形成風與結構的相互作用,即流固耦合效應。目前國內外已有很多學者對風-結構的流固耦合效應進行了大量的研究,研究方法包括風洞試驗方法、簡化氣彈性模型方法和數值風洞的方法。但由于其具有較大的理論難度,至今尚未很好的解決。

5結語

膜結構是空間結構中充滿活力的一種結構體系,它不僅充分發揮了結構中各部分材料的力學性能,而且極大的豐富了空間結構的建筑造型,具有廣闊的發展前景。然而由于試驗手段和分析理論的限制,對膜結構風致破壞模式和機理研究的不充分,很多方面還是空白。

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膜結構范文第2篇

關鍵詞：膜結構；曲面有限單元；膜材；設計；施工

Abstract: Tensioned membrane structure architecture (Tensioned Membrane structure), is building fabric, including membrane material tensioning structure system for main body, composed together with the support member or cable, with its unique architectural style, good mechanical characteristic, become one of the main forms of large span space structure. As a kind of new building structure, it combines architecture, structural mechanics, fine chemical engineering and materials science, computer technology, as a whole, with high technical content. In this paper the use of membrane structure in practical engineering are introduced, through the solution of the problems concerned in design and construction, analysis and discussion of membrane structure and performance.

Key words: surface membrane structure; finite element; membrane material; design; construction

中圖分類號：TU2 文獻標識碼： A文章編號：

1工程概況

某體育場看臺為二層框架結構，二層看臺面積1616.5㎡，建筑高度9.15m。看臺的膜結構在中間主席臺由一個在中央的雙圓錐結構構成，在兩側看臺各一組六個雙圓錐結構組成的。整個結構向后傾斜。雨水將流向背后。兩邊的雙圓錐結構設計成鋸齒狀。

2膜結構的設計

2．1曲面有限單元建立的膜結構理論分析

膜結構的設計總體思路為：先找出一個初始平衡形狀，然后進行各種荷載組合下的力學分析，最后裁剪制作。關于膜結構的計算方法，目前以有限元法為最先進、最普遍被采用的方法。而單元類型皆為三角形平面常應變單元，該方法是從剛性板殼大變形理論移植過來的。

膜結構作為只能抗拉的軟殼體是不適宜采用這種平面單元的，因為對于剛性殼體來說，這種平板單元可以看成平面應力單元和平板彎曲單元的組合，其單元剛陣可以由這兩種單元剛陣合并而成。而膜結構作為軟殼體是不能抗彎的，只能靠薄膜曲面的曲率變化，從而引起膜表面中內力重分布來抵抗垂直于曲面的外荷載。如果還是采用這種只有平面內應力的板單元，則應變的線性部分將不反映平面外z方向位移的影響，這導致單元不包含z方向節點反力，就每個單元來說靜力是不平衡的。所幸的是應變的非線性部分考慮了z向位移的影響，使得各單元合并起來的總的平衡方程通過不斷迭代能近似達到平衡，缺點是需要過多的平面內位移來滿足平衡的要求，而實際情況是只需要一定的平面外和平面內的位移及曲率變化就可以了。

考慮到以上因素，采用曲面膜單元，應變的線性部分引入了z向位移及單元的曲率和扭率，非線性部分仍然保留z向位移的影響項。這樣無論是每個單元還是各單元合并后的平衡方程都能很容易滿足，迭代次數大為減少，而變形結果也更符合真實情況。而且由于單元內各點應力都不相同，據此判斷皺折是否出現會更為精確。最后求出的每個單元的曲率和扭率對于判斷初始找形的正誤和優劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。用曲面有限單元建立的膜結構找形及內力計算方法極小曲面具有非常完美的表面形狀和應力狀態，是膜結構最合理的理想初始狀態。

2．2 膜結構設計模型分析

對于兩邊的膜結構，每個架間由一片雙圓錐膜組成。中間的膜結構仍由一片雙圓錐組成。所有的膜都將會有放射性接縫的設計，這是一種最完美的雙圓錐膜結構設計。

2．3對膜結構進行以下幾種荷載工況分析：

（1） 預應力

（2） 均布雪荷載0.4KN/sqm

（3） 均布風壓力q＝0.4KN/sqm，Cp=0.6

（4） 均布風吸力q＝0.4KN/sqm，Cp=1.0

（5） 風荷載Y+Ve（正面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

（6） 風荷載Y—Ve（背面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

（7） 風荷載Y+Ve（側面），q＝0.4KN/sqm，Cp不定

風荷載和雪荷載分析依據中國建筑規范要求，在負載的情況下，不會有積水產生。

2．4支撐結構

支撐結構包括一根懸臂構架和桅桿的組合，高點是由短桅桿支撐在構件上，以便膜結構以下的空間不阻隔。使用膜結構的反力來分析支撐結構并且選用相應的材料。

2．5膜材選擇

在選擇膜材時，采用國際上通用的安全系數5，無論任何工況下的最大膜應力均可適用。參照上海膜結構技術規范（DGJ08-97-2002，J10209-2002）從膜應力分布中可以看出，最大的應力集中于高點位置。為了優化材料的選擇，在這一區域使用補強片來增強它的強度。通過使用補強片，可以計算出這一部分的強度為通常強度的1.5倍。

2．6安裝程序

首先，鋼結構將被全部安裝完成，由于膜結構是獨立的部分，因此膜結構的安裝可以同時進行。對于兩邊的膜結構，首先中間的架間將被安裝，然后再安裝兩邊，這樣可以最小限度對鋼結構造成損害。

膜材料的裁剪制作

膜材料的裁剪拼接過程是有誤差的，這是因為首先用平面膜片拼成空間曲面就一定會有誤差，其次膜布是各向異性非線性材料，在把它張拉成曲率變化多端的空間形狀時，不可避免的會與初始設計形狀有出入。所以就有可靠性、靈活性和完成時間這三個標準來判斷裁剪方法是否實用。布置膜結構表面裁剪縫時要考慮以下幾個因素：

表面曲率。采用的是曲面膜單元分析法，得到每個單元的曲率。如果相鄰單元曲率相差很大，說明在這個位置，曲面扭曲得很嚴重，如果裁剪縫在此處不切斷重新開始，那么裁剪膜塊的邊界在此處就會有很大的弧形。

（2） 膜材料的幅寬。找形分析過程中的平面網格劃分時，就要考慮到膜材料的幅寬。盡量使一塊膜布中包含的膜單元是完整的，否則還要通過插值計算確定膜塊邊界點的位置。

（3） 邊界的走向。如果邊界比較平直，可以考慮用一個膜塊的長邊作為這條邊界。否則只能用多個膜塊的短邊拼接成這條邊界。

（4） 美觀。

4膜結構的安裝

4．1施工順序

（1） 鋼結構進行到一定階段時膜結構進場，并且依照施工順序來進行膜結構安裝。

（2） 正確卸料，膜材的每個角于出廠前都會貼上標識注明位置，確認所需的膜材及預安裝的位置是否符合，以避免膜材錯裝或重復搬運的工時浪費。

（3） 小心拆除包裝箱，避免膜材受損，拆箱后依照膜材的展張的方式圖對膜材進行最優化的吊裝及展張工作，吊運時要求多人在不同角度觀察，以避免不必要的災害發生。

（4） 膜材安裝時，先安裝中間部分的膜材，并將膜材從中間高點向外延展，施工人員同時于雙向隨時與之固定。

（5） 將兩邊的膜部分固定就位，然后各點同步實施平均拉伸，確保膜材達到設計要求。

4．2施工注意問題

（1） 施工安裝前應對膜體及零配件的出廠報告、產品質保書、檢測報告以及品種、規格、色澤、數量進行驗收。安裝前檢查的項目有：膜體外觀質量；膜體上所有的拼縫及結合處的質量；螺栓、墊圈及鋁合金、不銹鋼壓條無拉傷和銹蝕；索、錨具無涂層破壞及銹蝕；纜繩無污損。

（2） 工程現場的膜體應安放在搭設的輔助架之上，保證安全，防止膜體污損。

（3） 膜的緊固夾板再安裝前必須倒角打磨平整，不應有銳角銳邊。螺栓不應有飛刺，所有與膜體接觸的金屬件不應有尖銳棱角。

（4） 膜結構安裝時，應在膜面上安設爬用安全網，作業人員在膜面上行走時應穿軟底鞋，不應佩帶鑰匙等硬物。不應破壞膜面。膜面與支撐結構間必須設隔離層，不得直接接觸。

（5） 膜結構安裝宜在風力不大于四級的情況下進行。在安裝過程中應充分注意風速和風向，避免顫動現象。發生強風時，應終止作業。

（6） 膜結構的構件施工必須嚴格按照規范、工藝標準和施工組織設計執行。

膜結構范文第3篇

關鍵詞：索模結構；找形；方法；設計策略

中圖分類號：C33 文獻標識碼：A 文章編號：

1 引言

對于索膜這樣的柔性結構來說，由于索膜材料不能承受彎距和壓力，在施加預應力之前，其幾何外形具有不確定性，而且柔性結構的幾何外形變化會引起結構性能的較大變化，因而索膜結構的承載能力與其幾何外形密切相關。索膜結構的幾何外形、所承受的外荷載與其內應力三者之間以一種非線性的方式相互作用，相互影響。索膜結構的幾何外形設計必須確定結構的幾何外形及其預應力，這就是所謂的找形問題，這也是索膜結構設計中最基本也最為困難的問題。[ 倪志軍.索膜結構找形和裁剪方法研究[D].浙江大學，2005年。]找形分析的基本任務就是確定索膜結構的初始形狀并判斷其能否張成，即曲面形狀的合適度及求出維持該曲面的特定預應力分布并將預應力控制于指定的范圍之內。

2 索膜結構找形分析的基本方法

找形過程中存在兩個未知因素：其一是結構的初始形狀，其二是結構的預應力分布狀態。從而產生兩種找形思路：第一種是給定初始形狀，把初始預應力作為外荷載施加到結構上，求解達到平衡時結構的狀態。此方法可以得到近似結構，但會改變初始給定的預應力分布，特別是復雜不規則的曲面的預應力分布將很不均勻，從而給結構施工和受力性能造成不利影響。[ 劉吉敏，歐陽龍.索膜結構找形分析方法研究[J].山西建筑，2007年。]第二種思路是將初始預應力分布作為已知參數，把與之對應的平衡形狀作為未知數來求解。為了保證得到的預應力分布即是初始的預應力分布，必須舍棄變形協調關系和材料本構關系。

索膜結構的全過程分析包括找形分析、荷載分析和裁剪分析。其中，找形分析是全過程分析的最初階段，也是荷載分析和裁剪分析的基礎。最早的膜結構找形分析方法是物理模型法，包括肥皂模型法和絲網模型法，但是用物理模型法確定初始曲面，其設計量測極為不便，測量精度難以保證。20世紀70年代以來，隨著計算機技術的迅猛發展，美國、英國、日本等外國學者提出并發展了以計算機技術為依靠的張力結構的找形分析，逐步取代了傳統的模型量測法。目前所提出的有關膜結構找形分析的方法基本上都是以力密度法、動力松弛法和非線性有限元法為理論基礎的。[ 劉吉敏，歐陽龍.索膜結構找形分析方法研究[J].山西建筑，2007年。]

2 不同結構形式膜結構找形設計方法

索膜結構按照結構形式的不同可以分為：充氣膜結構、骨架膜結構、張拉膜結構、動力松弛格式，力密度格式和非線性有限元格式。不同結構形式的膜結構其找形方法也不同。

2.1 充氣膜結構找形設計方法

充氣膜結構的找形分析過程是尋找壓差、預應力和形態三者間對應關系的過程，是結構中的預應力尋求自平衡態的過程。其實質是一個靜力平衡狀態的求解過程。在其找形過程中,所要確定的基本參數包括：結構表面拓撲關系、幾何邊界條件、表面幾何形狀、膜面內外氣壓差值、膜應力大小及分布。在一定大小的氣壓值作用下，求解滿足平衡條件的膜曲面幾何形狀及相應的應力分布是充氣膜結構找形分析中所要解決的根本問題。

2.2 張力膜結構找形設計方法

張力膜結構是預先對索和膜施加一定的預應力，使結構在張拉力的作用下，形成具有一定幾何形狀的空間曲面來承受荷載的結構形式。其找形設計用的最多的方法是力密度法、非線性有限元法及兩者的綜合。目前已經研究了三角形膜單元和曲面四邊形單元張力膜結構的找形分析。綜合分析的思想，即先采用力密度法進行形狀確定，再以其近似解作初始值進行非線性分析，也有著較多的應用。

2.3 三種方法的比較

動力松弛格式，力密度格式和非線性有限元格式這三種形態分析方法均己被用于諸多成熟的薄膜結構設計軟件的計算內核。近三十年來，這三種方法在不斷地發展和完善，有各自的適用范圍。

對力密度格式而言，只要已知了離散后結構各桿件的幾何拓撲、設定的力密度值和邊界節點坐標，就可建立關于節點坐標的線性方程組。該方法計算速度快，便于對結構方案進行修改。但因其誤差大，更適合于結構方案的初始確定階段使用。

動力松弛格式是將靜力平衡問題擬為動力問題進行求解，該方法以節點為研究對象，在迭代計算過程中對結構總動能和各節點殘余力值進行控制，同時也考慮了節點變位對節點平衡的影響，避免了有限元法的整體剛度矩陣組裝和相應方程的求解。該法對于處理靜力索網膜和受壓松弛褶皺單元很有效，采用的計算機數值法簡單，迭代技術也較為穩定，更適合于對大型結構的計算分析。[ 倪志軍.索膜結構找形和裁剪方法研究[D].浙江大學，2005年。

]

3 改進方法

在實際的膜結構找形設計中，發現需要結合工程實際在原有三種基本方法的基礎上進行一定的改進。

3.1 具有T單元的力密度法

在用力密度法進行張拉膜結構的找形設計時，膜與邊索的預應力值是其中的主要因素。為了確保其邊索的連續光滑，防止鋸齒形狀的出現，常采用T單元對邊索進行強化處理。此時，可以通過對邊界索進行T單元處理，建立索邊界主結點、膜網內部T單元結點和膜網內部一般結點的靜力平衡方程，求解這些平衡方程得到各結點的坐標，從而確定膜結構的空間曲面形狀。

3.2 混合力密度法

在實際的張拉膜結構中，膜需要拉索及壓桿張拉成形。這部分桿件是由彈性變形控制內力的，必須滿足一定的約束條件，而這些約束條件是非線性的，所以線性的力密度法就發展成為非線性的混合力密度法。混合力密度法就是將部分單元力密度控制，部分單元彈性控制，力密度控制采用線性求解，彈性控制采用非線性求解，通過迭代計算混合找形求出各結點的坐標。

3.3 改進的動力松弛法

動力松弛法與非線性有限元法相比避免了結構整體剛度矩陣的組裝與分解，減少了內存的占用，加快了運算速度，與力密度法相比提高了計算精度，能獲得更為準確的初始平衡形狀。并且它可以從任愈假定的初始狀態開始迭代得到最終的平衡狀態。因此動力松弛法是一種求解幾何非線性結構體系的有效數值方法，它對于大型索膜結構的分析具有更大的優越性。對動力松弛法的研究，都是將膜單元轉換為三個首尾相連的直桿單元，這樣處理意味著膜單元只能沿三個邊長的方向進行伸縮變形。故這種分析僅適用于三邊單元，有很大的局限性。文獻采用了平面膜元改進計算模型，解決了動力松弛法中膜單元網格劃分僅限于三邊單元的缺點，但它需要同時設定時間增量和虛擬阻尼兩個計算參數，以致迭代運算呈現較大的隨機性，甚至不收斂。對此，本文采用運動阻尼的概念，對一般的動力松弛法進行了改進。改進后的計算方法避免了迭代中阻尼系數的取值，并且對曲

線索單元、曲面膜單元也同樣適用。[ 王建華.索模結構找形方法及自振性研究[D].河海大學，2005年。]

3.4 動力松弛法與非線性有限元法的混合

這是一種將力密度法的簡化形式結合到非線性有限元法中進行找形的設計方法，它實現了動力松弛法與非線性有限元法的結合。這種用動力松弛法進行找形，然后直接用非線性有限元法進行荷載分析的混合法，能夠棄弊從利，在大大縮短設計周期的。同時，又保證了分析的精度，從而實現了工程的快速選型和下部結構的準確分析。

4 有限元軟件在找形分析中的實現

為了充分發揮支座移動法和節點平衡法的優點，并盡量克服它們的缺點，本文借助于有限元分析軟件ANSYS采用了一種效率較高的實用找形方法。該方法的基本分析過程是：先采用小彈性棋t技術，用支座移動法進行初步找形，得到結構的近似平衡形狀。在此幾何位形上更新節點坐標釋放預應力，然后重新設定索膜結構真實的材料常數和預應力分布進行自平衡迭代求解，直至迭代求解的結果滿足給定的梢度，此時得到的幾何位形即為所求的初始平衡形狀。[ 王建華.索模結構找形方法及自振性研究[D].河海大學，2005年。]

膜結構范文第4篇

【關鍵詞】綠色建筑；綠色能源；紫蠶島

一、綜述

膜結構建筑具有“輕、快、好、省、靈”五個優異性能。自重輕、施工周期塊、抗震性能好、省地基處理、具有建筑靈性可與其他建筑形式隨意組合。它是對城市環境影響最小的建筑結構，是綠色建筑的最高應用形式之一。其中最先端的ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）充氣式膜結構，近年來隨著成熟技術的引進，在諸多“高、大、上”的建筑中獲得采用。綠色能源是利用現代技術開發干凈、無污染新能源，這些能源消耗之后可以恢復補充，無污染。綠色能源與“綠色建筑”的結合及在具體項目中的實際運用，體現了建筑領域的一種發展新趨勢。

二、應用案例

2010上海世博會是各參展國家的建筑博覽會，其中將綠色建筑與綠色能源結合的最徹底的無疑是日本國家館。它有一個可愛的中國名字“紫蠶島”。其核心設計理念是“心之和，技之和”，寓意通過科學技術的進步來創造和諧的生存環境。因此光、水、空氣等自然資源被最大限度利用。采用一整套相輔相成的動態節能系統，將尖端科技融合入于這個會呼吸的建筑。建筑本身來說，它一個最強的理念就是以大自然來使它正常的運行。利用太陽能，雨水，還有風能這些元素使場館像一個生命體一樣可以來呼吸，可以來自動調節體溫，同時也能自行發電供日常使用。

1、會呼吸的建筑。這是一座“會呼吸的建筑”，建筑弧形穹頂上“長著”三個角、三個洞，其作用是強化冷暖空氣的流通，減少空調能耗。接收雨水并循環利用，引入陽光減少照明用電。使用循環式呼吸孔道技術，保持建筑物內的持續新風更換。建筑物室外人員集中處設置噴霧設施，降溫卻不會濕衣。這三個角、三個洞，我們稱之為“循環式呼吸柱”是利用“光、水、風”等自然要素的循環系統。光： 弧形穹頂頂部，三根向外突出的“觸角”（又稱“煙突”）和三個向內凹陷的“鼻孔”，組成“循環呼吸柱”，它們與6根建筑內部的垂直“循環呼吸柱”分別連通，構成了空氣和雨水循環系統，呼吸柱向館內引入太陽光，呼吸柱的內部與室外相連接，成為將外部陽光引入室內的通道，實現大進深空間的自然采光、向下導光。白天，外部光線通過這些循環呼吸柱導入建筑物內部，形成了一束束柔和的白色光柱，實現了建筑物中央部分室內空間的自然采光水：利用呼吸柱作為收集雨水的通道.降落到屋面的雨水沿著呼吸柱匯集到建筑底部的蓄水池，而收集到的雨水又被送回到屋面膜外側作為夏季建筑降溫用的噴淋水，噴淋水再次通過呼吸柱收集，從而又構成一個完整的水循環系統. 循環呼吸柱的“鼻孔”將雨水引入展館底層的儲水空間，通過水的蒸發，降低館內溫度。而柱內匯聚的一部分雨水又可以通過場館外部安置的水噴系統對建筑物整體降溫。灑落的水會再次通過循環呼吸柱進行循環再利用。風：通過呼吸柱將風引入建筑內。建筑底部經過冷卻的新鮮空氣利用呼吸柱的拔風效果加速上升，向室內送風，降低夏季的空調負荷，而展廳內聚集的熱空氣則通過呼吸柱頂端的開口直接向室外排出，形成自然的空氣循環。循環呼吸柱的“觸角”則可以有效地使地板下的冷空氣上升，為館內通風換氣，以此降低空調負荷，還可以有效解決挑高展示廳的排風換氣問題。

2、會自潔的建筑。這是一座“會自潔的建筑”，首先建筑護采用雙層氣枕式ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）膜結構形式，ETFE膜材是一種耐擦傷性、耐磨性、耐高溫、耐腐蝕，絕緣性、高安全性材料。其具備超輕重量：膜材薄輕。抗震性優越，施工便利。耐久性好：氣候適應：-200～150攝氏度，15年以上惡劣氣候，力學和光學性能不改變。抗拉強度高：破斷伸長率達300%以上。高安全性：阻燃材料，熔后收縮但無滴落物。如遇火災其危害性較小，冰雹氣候，即使玻璃碎了，ETFE也僅留下小小凹痕。材料表面經過特殊處理，非常光滑，具有極佳的自潔性能，及時表面由于外周環境、氣候影響而產生的灰塵積累、污跡殘留等現象，通過雨水沖刷或自發性的清水沖洗都可去除大部分的污染，回復建筑外立面的光滑、清潔狀態。連接ETFE氣枕之間的金屬扣件上設置了許多小噴頭，能夠持續噴灑形成一層流動的水膜，加上薄膜表面涂了一層光觸媒，在帶走熱量的同時也實現了自我清潔其次循環呼吸柱內匯聚的一部分雨水又可以通過場館外部安置的水噴系統對建筑物整體清潔、沖刷表面灰塵，灑落的水會再次通過循環呼吸柱進行循環再利用。

3、會發電的建筑。這是一座“會發電的建筑”，建筑護ETFE雙層氣枕內采用了可彎曲的富士電機非晶硅太陽能電池，太陽能電池板設置在氣枕單元內部，單個單元根據大小，設置5-2塊。共設置395塊薄膜太陽能電池板。每塊太陽能電池板所產生的電能通過匯流箱、集合轉換箱，轉換為交流電能，大約可產生20到30千瓦的電能，成為整個日本館供電系統的一部分。館內局部通道地面設置了最新研發的人工動能發電系統，俗稱發電地板。其由面積50平方厘米“發電瓷磚”組成，能把壓力轉化為能量，點亮周圍發光二極管燈泡。預示著在實際大面積采用后，可以將設置部位人員流動轉化為可使用電能。

膜結構范文第5篇

關鍵詞：鹽海神湯；膜結構；施工技術

中圖分類號： TU74文獻標識碼：A 文章編號：

一、天樂城鹽海神湯項目簡介

1、鹽海神湯項目介紹

天樂城鹽海神湯項目，位于山東省泰安市岱岳區石膏工業園區內，緊鄰104省道。本項目建筑面積約6000平方米，建筑高度15.5米，包含鹽水漂浮體驗館、水療養生館、紅花浴、黑泥療等二十余項養生保健理療項目。項目充分利用了泰山鹽化工豐富的鹵水資源，傾力打造具有放松身心、舒緩減壓等理療效果的“人造鹽海”。

2、膜結構簡介

該項目使用了PCV充氣膜結構，該結構是通過壓力控制系統向膜內充氣，是內部產生一定的預張應力，使其成為結構穩定、簡潔實用的充氣式膜結構體系。外膜材料采用美國seman 8028品牌產品，膜材幅寬1.8米，投影面積4059平方米，膜頂部最大設計高度15m，膜內容積約4萬立方米。

二、膜結構系統設計說明

1、氣膜主體

1）外膜材料采用美國seman 8028品牌產品，膜材幅寬1.8米，廠家質保10年，該材料具有高強、自潔、耐久、耐火等特點。

2）氣膜主體規格尺寸：99米(長)*41米（寬）*15米（高）。

2、機械單元成套設備

1）能夠滿足自動控制的具體要求

配備手動調壓和自動調壓兩種調壓方式，手動調壓是通過觸摸屏和PLC的內部程序來實現；自動調壓是通過壓差傳感器和PLC的內部程序來實現。

2）程序設計的安全性：(第一道安全保障)

密閉空間內恒壓控制，通過觸摸屏將密閉空間壓力值設定為D（280Pa-可抗12級風），1.當壓力高時，風機降頻運行；2.當壓力低時，風機工頻運行；3.當壓力為設定值D的值域范圍時（值域范圍：D±10Pa），風機保持當前頻率運行。

3）硬件設備的安全性：（第二道安全保障，只有當第一道安全保障失效時才會激活）

4）運行模式的安全性：每套系統設置變頻運行、工頻運行兩種模式，變頻發生故障，工頻啟動；工頻發生故障，變頻運行。

5）配備聲光報警裝置。

6）通道采用雙重電氣互鎖設計，能夠完全保障密閉空間的安全特性，智能控制：壓力手動、自動調節智能控制，報警智能控制，顯示操作畫面智能控制。

3、主進門

1）旋轉門2套，通道1套，滿足人員和機具設備的進出需要。

2）本方案能夠滿足此項要求：（1）氣密（2）開門執行器。

4、應急門

1）應急門5套，前方設置一道方便人員進出的旋轉門。

2）能夠滿足此項要求：（1）專業氣壓平衡門。（2）材質為鋁制內外門板，鋼制門框。（3）易于開啟和關閉，具有自動回彈功能，可自行關閉，密封良好，能夠很好的維持膜內氣壓。

5、基礎錨固系統

抗拔基礎采用鋼筋混凝土條形基礎，基礎頂面預埋鋁合金鑄件，鋁合金鑄件斷面形式為U形，兩側為抗拔肋，與外膜連接簡單，通過防腐木楔將膜面繩邊固定，良好的氣密性可有效阻止膜內空氣的泄露，使氣膜更加節能。鋁合金鑄件具有優越的抗老化、耐腐能力，與膜材連接時也不會損壞膜材，在實際工程中已得到良好運用。

三、膜結構施工技術方案分析

1編制說明及編制依據

1．編制說明

本施工組織設計為雙層充氣膜建筑工程安裝方案。根據工程的實際情況的要求，確保工程質量、施工進度、施工安全，最終達到合格工程。

2.編制依據

2.1.基本技術條件和圖紙資料。

2.2 國家有關規范、規程、技術標準等。

3.施工目標及承包范圍

3.1. 施工目標：以安全施工為前提，按國家現行的有關規范、規定及膜結構技術規程進行施工，保證施工質量，確保施工工期，膜結構成品質量達到的合格標準。

3.2. 承包范圍：氣膜制品及通道門、設備安裝、燈具安裝等。

4.主要采用的新技術

本工程采用以歐美等發達國家同步的先進材料及工藝，以向室內密閉空間不斷充氣為主要手段，使其成為結構穩定、簡潔實用的充氣式膜結構體系，以抵抗不同工況的荷載；配有受力合理、技術先進的索網抗風結構體系；滿足頻繁開啟、大尺寸紅外自鎖感應大門。

2膜結構工程概況

雙層氣膜建筑平面投影為長方形，長99米寬41米，投影面積4059平方米，膜頂部最大設計高度15m，膜內容積約4萬立方米，該建筑物附屬設備含2套通道門，5套應急門，2套旋轉門，充氣系統、照明系統、智能管理系統、變配電系統。

根據建設方的要求和場地的實際情況，結合充氣膜結構體系的特點，經過反復論證和深入分析，最終確定建筑方案。下圖為結構平立面圖。

平面圖

立面圖

本建筑方案中，氣膜四周邊均與地面埋件直接連接，地面下部基礎采用鋼筋混凝土“倒T型”條形基礎，基礎底板寬度1.2米，頂部寬度0.5米；基礎高度1.5米，頂面突出地坪高度0.45米，地下埋深1.05米。埋件采用預制鋁合金槽鑄件，精巧耐用，抗拉強度高，安裝時只須將膜繩邊埋入槽內，然后在槽內插入木楔塊即可，操作簡單實用。

索網中的鋼索采用高強鍍鋅Φ16鋼鉸線。

膜裁剪熱合均在工廠完成，為解決超大面積膜制作、運輸及安裝困難，設計將膜在工廠分塊制作，最大塊面積均在1000 m2左右，在現場用鋁合金專用夾板將膜塊連接成一個整體。

主通道供載重卡車和翻堆機同時出入，門體采用互鎖型自動門；緊急出口設置2個，以備工作人員在使用過程中臨時使用，或在有緊急事件發生時疏散人群采用。

設備控制室是充氣膜建筑物的一個重要組成部分，考慮到本工程充氣膜室內密閉空間容積約為8.5萬m 3，初始充氣時，利用3臺鼓風設備對室內持續送風，使室內外形成一定的壓力差，整個膜面逐漸鼓起至設計空間曲面。通常情況下，室內外壓力差達到設定數值時，即可轉換為2臺鼓風設備低頻運行，另外1臺停止工作。如果因建筑物封閉不嚴或其他原因而出現漏氣現象，導致室內壓力虧損；或者當外界風速大于8m/s（約五級風）時，為使膜面有足夠的剛度來維持其穩定狀態，以抵御外部荷載的作用，室內壓力會迅速加大，室內外壓力差至少達到300Pa。這時通過安裝在室內的壓力傳感器就會將檢測到的壓力值實時的傳輸到PLC控制系統，經其處理后通過變頻控制器指令，調整鼓風設備的運行頻率，迅速加大室內壓力。在正常情況下，2臺鼓風設備1備1用，24h轉換一次，可有效降低設備的有形損耗。工程的充氣自控系統是由兩臺鼓風設備、壓力傳感器、PLC控制系統、發電機組、配電控制柜及報警系統組成，是充氣膜結構的“大腦中樞”，保證充氣自控系統的良好運行，對整個充氣膜結構有著重要的意義。

3施工技術方案

1.氣膜結構的安裝

1.1 安裝總體思路

平整場地，在安裝區域鋪設鋪地膜，在鋪地膜上按設計圖紙將膜單元整體展開；現場連接夾板鏈條，將膜單元連成一整體；連接索網，并固定；確認膜面完全密閉后，啟動自動控制通風系統及備用風機對膜結構進行充氣，直到膜面達到設計形狀為止。

1.2 安裝工藝流程

安裝前期準備土建預埋件復測驗收自控設備安裝充氣膜邊界安裝主出入大門、緊急門安裝下壓索網安裝膜充氣膜面清理清理現場竣工驗收

1.3安裝步驟

1.3.1檢查預埋件位置，確保準確無誤；

1.3.2將場地清理干凈，展開鋪地保護膜；

1.3.3將各膜單元大包按順序放置在鋪地保護膜上，根據包裝上的標識方向打開膜單元；

1.3.4通過夾板鏈將膜單元連接；局部穿膜邊角處夾板，便于大繩拉結；

1.3.5連接并固定下壓索網體系；

1.3.6將安裝膜面的手工工具分發到班組。手工工具包括人力鉗、扳手、羊角錘、美工刀及帶安全提鉤的工具袋

1.3.7將鋁合金夾板、螺栓、止水橡膠帶等按順序依次安裝在膜面四邊上，安裝過程中應做到：螺栓無漏擰、欠擰，止水橡膠帶排放平整，不間斷，無起拱；

1.3.8 通過自動控制系統對膜結構充氣；

1.3.9膜結構自檢，安裝結束.

2、自動控制設備系統的安裝

2.1圖紙設計

根據現場工藝設計風機柜體尺寸，設計電氣原理圖。

2.2前期準備

依據設計加工風機箱，依據電氣圖紙裝配PLC、變頻柜，設計工藝程序。采購充氣風機、發電機組，對所有電氣設備進行系統調試。

2.3現場安裝

先期將電氣成套設備運送到現場，清理設備擺放空間，使用吊車將電氣設備就位，然后進行固定，電氣接線，風口對接。儀表設備就位， 電氣檢查，最后進行通電測試。測試完畢，等待充氣。

3、氣膜出入口系統的安裝

3.1工程準備

設計尺寸，焊接預埋件，加工門體，門框就位。調試門鎖，安裝防爆觀察窗。

3.2現場安裝

安裝工藝流程：安裝前期準備門體就位氣膜充氣成形焊接預埋連接氣膜加強片調整門體形狀調試門的功能調試門的氣密性撕開膜體粘扣，驗收使用。

結語

充氣膜結構是輕型空間結構的一個重要分支，在建造過程中沒有濕作業、沒有揚塵、沒有施工噪音、沒有對環境任何污染，充氣膜全部材料均可回收再利用，在使用壽命終止后不形成任何建筑垃圾。同時膜結構具有豐富多彩的造型、優異的建筑特性、結構特性、和適宜的經濟型等其他傳統建筑無法比擬的優勢，具有廣闊的應用前景。