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膜结构的形态和性能

膜结构的形态和物理性能与大多数建筑采用的传统刚性构架结构有很大差异。膜结构设计人员主要关心的三个方面是:曲面形状的选取、预应力的施加水平和曲面的变形能力。此外,还需要考虑膜结构室内空间环境和所采用膜材的种类及等级的选择。

预应力

预应力对膜曲面的刚度起重要作用,这归因于曲面自身两方向相反曲率的相互制约,否则在平面或曲率很小的曲面中就会发生很大的变形。荷载引起的A区域悬挂部分的变形会受到B区域“拱形”部分的张力约束。工程中实际施加的预应力值一般只是膜材极限强度的一小部分。

预应力水平的确定通常需要权衡多种因素——为了便于安装,预应力水平应尽量地低——为了使膜材在长期荷载作用下发生徐变后仍能保持足够的预应力水平就需施加较高的预应力。实际应用中的预应力水平将在第7章——设计荷载中给出。

负高斯曲面初始边界的选择可以遵循关系式:T=p ·R,其中,T为膜材拉力,p为作用于曲面的法向力,R为膜面的曲率半径。该关系式非常适用于“鞍形曲面”和“双曲抛物面”。因此,—旦确定了外荷载和膜材应力的控制值,则很容易确定膜面的曲率或曲率半径,进而可与初选的边界几何形状相协调。

进行上述分析时尽管采用了很多简化和假定,例如外荷均布且沿曲部羽法线方向,但仍然是初步设计时可以采用的有效方法,也是校核数值计算的一个简单手段。

设计中几何形状受到制约时,如需要采用更平坦即曲率半径更大的曲面,则需要施加更大的预应力以控制膜面的变形。但为了长期安全地使用,施加的预应力值应有所限制。在膜面成为平面(曲率半径= 工o)的极限情况下,控制膜面位移的参数就只有预应力值和材料刚度(EA)两个了。

很多结构采用在经向和纬向施加相同预应力的方案。然而,在向上和向下的荷载具有显著差异时,可以用较小曲率半径(或较大预应力)来承担较大的外力,用较大曲率半径(更平坦的曲面)来承担较小的外力,这样可使设计更经济。也可以使膜材在两个方向上承受的最大张力值处于相近的水平。

预应力的施加水平还应保证承担局部荷载的区域在经、纬两个方向都不过多损失张力,预应力的确定应与形状的选择相适应。