膜結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

膜結(jié)構(gòu)是以性能優(yōu)良的織物為基本材料，利用柔性索或剛性支承將織物張拉緊，利用空間形態(tài)形成具有良好剛度的結(jié)構(gòu)體系，是一種張力結(jié)構(gòu)，整個膜面只受拉力。根據(jù)其支承結(jié)構(gòu)及邊界約束的不同一般可分為三種類型:柔性體系、剛性體系及混合體系。膜結(jié)構(gòu)以膜面良好的采光性能和優(yōu)美的造型在住宅會所、停車場、入口雨棚、機場進出口等場所得到了廣泛的應(yīng)用。

一、形態(tài)找尋與確認(rèn)

膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)是表面張力結(jié)構(gòu)體系最為核心的要素，形態(tài)的好壞直接決定了體系的成立與否，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一步工作。膜材不具有抗壓、抗彎的能力，只具有抗拉能力，因此表面張力結(jié)構(gòu)必須充分利用結(jié)構(gòu)曲面空間形態(tài)以及預(yù)張緊力來維持自身穩(wěn)定并抵抗外部作用。

膜面的外形必須具有抵抗雙向外力的能力，當(dāng)?shù)挚瓜蛳碌淖灾丶坝晁奢d時，則上向的膜材提供抗拉能力；當(dāng)出現(xiàn)向上的風(fēng)荷載力時，下向的膜材提供抗拉能力，這種雙向互反曲面就是一種理想表面張力的曲面，該曲面在數(shù)學(xué)上稱為負高斯曲面，在日常生活中稱為馬鞍面。在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要求建筑與結(jié)構(gòu)在方案階段就緊密配合，找尋到一種即滿足建筑造型效果又滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡要求的馬鞍山形態(tài)。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一步即為找形分析。形態(tài)找尋的方法有力密度法、動力松弛法及非線性有限元法，形態(tài)找尋有兩個基木原則：1）必須是馬鞍面；2）盡量避免扁平區(qū)域；3）找形后膜面初始應(yīng)力應(yīng)盡量均勻。通過找形分析，確定膜面的初始形態(tài)和初始張拉應(yīng)力。

二、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

結(jié)構(gòu)體系的形態(tài)找尋確認(rèn)之后，結(jié)構(gòu)專業(yè)需進行一些列分析，包括膜材選擇、荷載確定、膜面計算，支撐體系的計算等。

1.膜材選擇

建筑領(lǐng)域所用的膜材有織物類膜材與非織物類兩大類，前者常用的有PVC涂層覆蓋聚酯纖維織物(PVC膜，規(guī)程Р類)、PTFE涂層覆蓋玻璃纖維織物(PTFE膜，規(guī)程G類)，后者中最具代表性的是乙烯-四氯乙烯共聚物(ETFE膜，規(guī)程E類)。

2.荷載與作用

膜結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)分析，是在初始形態(tài)確定后的幾何形態(tài)和初始張力的基礎(chǔ)上，考慮各種可能的荷載組合對膜結(jié)構(gòu)進行計算分析。荷載主要是恒載、活載、風(fēng)荷載，作用主要是溫度作用。恒載主要是包括膜材及其支撐結(jié)構(gòu)的自重，活載一般考慮的下雨或者降雪導(dǎo)致的積水積雪的荷載，一般都計0.3kN/m2。

膜結(jié)構(gòu)的輕柔必然導(dǎo)致其對風(fēng)荷載敏感，抗風(fēng)設(shè)計是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，特別是沿海強臺風(fēng)地區(qū)。規(guī)程給出了風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)，對骨架支承式建議取1.2~ 1.5。對特別復(fù)雜外形建議通過風(fēng)洞試驗方式確定風(fēng)荷載。

3.計算分析

膜結(jié)構(gòu)必須考慮幾何非線性進行計算，軟件可采用如國內(nèi)的3D3S，國際的ANSYS。膜結(jié)構(gòu)計算一般是支承結(jié)構(gòu)和膜面一起整體計算分析，也有先單獨計算膜面，再提出反力驗算支承結(jié)構(gòu)的算法。膜結(jié)構(gòu)的驗算包括膜面和支承結(jié)構(gòu)的驗算，驗算一般包含變形和應(yīng)力的驗算。

膜面驗算的具體內(nèi)容：在恒活荷載效應(yīng)組合下，驗算膜面應(yīng)力不超20Mpa，膜面不得出現(xiàn)松弛。在風(fēng)荷載效應(yīng)組合下，各膜單元內(nèi)膜面相對法向位移不大于單元名義尺寸的1/15，膜面由于松弛而引起的褶皺面積不大于膜面面積的10%，應(yīng)力不超過36Mpa。

膜面的荷載態(tài)積水分析，在積水工況下，膜面不能出現(xiàn)閉合的等高線，有條件的可通過現(xiàn)場的淋水試驗來驗證是否會出現(xiàn)積水。支承結(jié)構(gòu)的驗算要求按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017）驗算即可。

三、裁剪設(shè)計

膜結(jié)構(gòu)驗算完成后，結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容完成。膜面下料前還有一個裁剪設(shè)計，即將由形態(tài)找尋得到并經(jīng)荷載分析驗算的空間曲面，轉(zhuǎn)換成無應(yīng)力的平面下料圖，相當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的深化設(shè)計，以用于膜結(jié)構(gòu)裁剪下料。裁剪設(shè)計由膜材廠家深化完成，目前常用的裁剪設(shè)計方法有測地線裁剪法、平面相交裁剪法、動態(tài)規(guī)劃法、力密度法。完成裁剪設(shè)計后，可將裁剪圖紙交付工廠加工生產(chǎn)并用于現(xiàn)場施工。

五、結(jié)語

本文對膜結(jié)構(gòu)設(shè)計全過程進行了系統(tǒng)介紹，在簡述原理的基礎(chǔ)上，從其形態(tài)找尋，并在形態(tài)確定后選定膜材、確定荷載、選擇計算分析方法，從而分析驗算計算結(jié)果。完成上述步驟后，介紹了膜面的裁剪下料設(shè)計。

在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最重要是找形分析，是后續(xù)結(jié)構(gòu)荷載驗算的基礎(chǔ)，找形后膜面形態(tài)如果不合理，后續(xù)結(jié)構(gòu)驗算就不能滿足設(shè)計要求，這時可以重新找形再次驗算，直到結(jié)構(gòu)驗算滿足設(shè)計要求為止。