關于結(jié)構(gòu)膜
一般鋼結(jié)構(gòu)屋頂,是由橋梁支撐屋面板,上面覆蓋防水、隔熱層,這些屋面材料皆不承受結(jié)構(gòu)力。但膜結(jié)構(gòu)中的膜本身就承受活荷載包括風壓、溫度應力等,膜既是覆蓋物,亦是結(jié)構(gòu)的一部分。
以材質(zhì)分類,結(jié)構(gòu)膜有以下兩種:
1)平面不織膜:由各種塑料,在加熱液化狀態(tài)下擠出的膜,它有不同厚度、透明度及顏色,最通用的是聚乙烯膜。亦有以聚乙烯和聚氯乙烯熱熔后制成的復合膜,其抗紫外線及自潔性強,且使用年限可從7年延長到15年,此種膜因張力強度不大,而自跨度不大,屬于半結(jié)構(gòu)性的膜材。
2)織布合成膜:以聚酯絲織成的市心,雙面涂以PVC樹脂,再用熱熔法覆蓋上一層聚氟乙烯膜,制成復合膜,使用年限從 7年延長到15年。因布心的張力強度較大可以使用于多種的張啦力型結(jié)構(gòu),跨度可達8m-10m,在美、日、法等國皆生產(chǎn)多種品牌。
2.幾種膜結(jié)構(gòu) 與上述結(jié)構(gòu)膜結(jié)合的結(jié)構(gòu)大約有下述幾類: 1)純鋼拱形結(jié)構(gòu) 采用傳統(tǒng)的梁柱系統(tǒng),屋頂為圓拱式,柱梁間距一般為8m左右。 2)混凝土結(jié)構(gòu)主體加鋼拱 以上兩種最簡單的膜結(jié)構(gòu),依平面的形狀,如方形、菱形等,可有許多變化,拱的間距依使用的膜材強度、設計荷載、風力等確定。 3)混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼索 脊素為上彎,位于膜布下面,谷索為下彎,位于膜上面。兩種鋼索的彎向相反張拉后造成相反方向的垂直力,使膜市受到垂直方向的張力,膜布中水平方向的張力直接張拉形成。 4)混凝土主體結(jié)構(gòu)加鋼柱 5)張拉式帳篷膜結(jié)構(gòu) 6)大型(跨度在200m以上)氣撐式膜結(jié)構(gòu) 用扁鋼作的鋼索加上膜布,可以做成大跨度的巨型屋頂。
膜結(jié)構(gòu)的設計由于其自身的特點不同于一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,技術上必須經(jīng)過如下4個步驟:
1.建筑方案設計(architecture design)
一般同建筑師根據(jù)業(yè)主的意圖、功能要求、環(huán)境條件等初步確定建筑的平面形狀尺寸、空間形式及三維造型、凈空、體量等,并基本確定各控制點的坐標。綜合考慮經(jīng)濟和施工工藝等技術條件,與膜結(jié)構(gòu)工程師、業(yè)主及施工技術人員等一起確定經(jīng)濟合理的初步設計方案。
2.找形分析(form-finding)
對于膜結(jié)構(gòu)而言,在沒有施加預應力之前,是沒有結(jié)構(gòu)剛度的,也就是說膜結(jié)構(gòu)任何時候不存在無應力狀態(tài)。由于膜材料本身沒有抗彎剛度,其曲面形狀與預應力的大小和分布是一一對應的,因此在控制點坐標確定后,給定一合理的預應力值及其分布,才能確定合適的膜曲面形狀。預應力值的大小與分布是需根據(jù)多方面的條件進行反復調(diào)整后綜合確定的,這個過程叫找形分析。此過程與方案設計過程往往密不可分,需反復調(diào)整方可既滿足建筑形狀的要求又保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理及安全可靠。
3.荷載分析(load-analysis)
膜結(jié)構(gòu)的控制荷載通常是風載和雪載。在荷載作用下膜結(jié)構(gòu)的變形較大,因此精確計算結(jié)構(gòu)的變形和應力分布要用幾何非線性方法進行。根據(jù)不同工況下計算出的索、膜、梁、桿等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的內(nèi)力分布的最不利情況,來選定索、膜等材料的型號及尺寸,確定詳細的節(jié)點做法及構(gòu)造措施等。因此,經(jīng)濟安全的索建筑必須經(jīng)過仔細地內(nèi)力分析后才能完成,不是憑經(jīng)驗拍在腦袋就能確定的了的,是不能用搭帳篷的的傳統(tǒng)思想不設計膜結(jié)構(gòu)的。