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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。

变形能力

与传统的建筑结构形式不同,变形能力是膜结构的重要特性。由于其平面内外的刚度均较低,曲面几何形状的改变与相应的膜面应力的改变是膜结构在外荷载作用下的两个主要反应。此外,外荷载在膜材内产生的应变值远比在钢材等其他材料中产生的应变值大几个量级。因此,膜结构表现出比传统构架结构大得多的位移和几何变形能力。在满足整体稳定性要求的前提下,支承结构的柔性也增加了膜结构的变形能力。

曲面的整体变形使得结构应力并不随荷载的增加而线性增长,这对结构的受力性能是十分有益的。

例如,锥形膜结构受到风荷载作用会使饺接的桅杆发生倾斜,并使迎风面的曲率发生变化以减弱该区域膜材内应力的增长;同时,背风面的膜面曲率则能起到稳定桅杆的作用。

当有较大的局部荷载如房檐和屋脊处的风荷载作用时,由于膜面几何形状的改变,这部分荷载不是仅由受荷区域承担而是由更大的区域共同承担。

如果曲面在荷载作用下发生变形后仍能保持良好的受力性能,膜面的适度变形对其承受荷载是有利的。平坦曲面的内在隐患是雪或冰的堆累会导致局部凹陷,使其形状从“负高斯曲面”变为“正高斯曲面”,进而形成融水和雨水积聚(“积水”效应)(图2-16)。积水进而又导致凹陷加深且范围扩大,这又使得积水量更大,从而进入恶性循环。由于天气情况的差异,这些积水可能保持液态也可能冻结成冰。由于雪荷载可以逐步累积,作用在薄膜结构上的雪荷载水平可能比作用于较大刚度结构上的更大[”。曲面的设计形状应能保证其在可能的最不利工况下仍能保持一定的排水坡度。

因此,在建筑的每个设计阶段都必须认真研究和测试其在雪荷载作用下的变形。边界几何形状选择和支承构件柔度(即弹簧刚度)的确定对此均具有重要影响。

世界降雪较大的地区,如加拿大、美国、日本,采用倾斜的“脊—谷”体系和“拱—谷”体系已经成功地应用在许多大型建筑。

跨度方向上的荷载主要通过脊索、谷索曲率的改变来承担,膜片可看作脊一谷索之间的预应力腹板。膜片有轻微的弯曲,但由于其长宽比较大,无论是雪荷载还是风荷载其绝大部分均由膜片向短向传递。如的德国Cargolifter Airship飞机库就是一例。