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正高斯曲率的张力膜结构 

正高斯曲率膜结构靠膜面内外的气体或液体形成的压力差成形、施加预应力和保持稳定。膜面内力与其曲率成比例,曲率半径越大,内力越大。按照流体静力学原理形成的结构是自然界中最有效的荷载分配体系,比如水滴和活细胞就显示出这样的特性,静水压力随着高度而逐渐增大,从而形成曲率半径连续变化的形状。另外,自然大气中的气枕式充气结构可以认为是均勾受力的图3-10)。

气承结构

气承结构是由膜面内外压差来稳定形状的正高斯张力曲面的膜结构。内外压差可通过鼓风机向气密膜材覆盖的空间内送风而实现。气承结构不需要诸如墙、柱、拱等刚性构件作为支承,从而使其成为建筑史上最轻质、最简约的人工结构,其理论跨度可以达到几千米。

气承结构的表面张力与其膜面曲率有关,例如半径为r的球内压力为p,则膜面张力为M= pr/2。这个公式话用于各种尺度的气承结构。

对于主要承受风荷载的结构,扁平球冠受压面积较小,因而是一种十分有效的结构形式。然而气承结构在不均勾非对称风荷载、雪荷载作用下会产生很大变形(图3-11)。

图3-11 膜面曲率与张力水平(左)及风压分布(右)示意图

内压为正的气承结构主要为正高斯曲面。通过鞍形曲面将多个正高斯曲面连接起来可构成较为复杂的结构形态。

根据气动原理可通过改变膜面曲率来控制膜面应力使其保持稳定,因而气承结构可以具有许多不同的形态。它们均可利用三维物理或数值模型加以研究。

也可以通过负压对膜面施加张力来形成气承结构。此时,利用机械方法将室内空气向外排出,使膜内气压较膜外气压低,以使结构保持稳定。此时需要设置抵抗膜面内力的构件,该构件可以是管状的金属构架,也可是薄膜气肋,即:内充高压气体而具有一定抗弯刚度的管状构件。