膜结构(3)-结构体系

主讲人：武主讲人：武岳岳哈尔滨工业大学StructuralSystemofMembraneStructures6.36.3膜结构体系膜结构体系膜结构体系划分膜结构体系划分ATaxonomyofMembraneStructuresATaxonomyofMembraneStructures膜结构膜结构空气支承式空气支承式骨架支承式骨架支承式整体张拉式整体张拉式索系支承式索系支承式1.1.充气充气式式膜结构膜结构PneumaticPneumaticStructuresStructures¾充气膜结构是靠膜内外的气压差来维持形状稳定。1%的大气压可产生1kN/m2的均布压力由WalterBird设计的直径15m的雷达罩（1946）★充气式膜结构分类（1）气承式加拿大BC体育场B.C.PlaceStadium,Canada,1983•世界上最大的气承式膜结构。•由双层PTFE膜材和双向稳定索系统构成。•矢高27m，内压240N/m2。190mx231m„以建筑室内气压差来支承膜材并维持其形状稳定。„是最轻质、最简约的结构形式，理论跨度可达数千米。„呈正高斯曲面。„室内气压通常为200～300N/m2。★稳定索系统的作用„„增加膜表面曲率、减小增加膜表面曲率、减小膜内力；膜内力；„„提高膜结构抵抗局部荷提高膜结构抵抗局部荷载的能力载的能力非均匀荷载会造成屋面局部凹陷，甚至膜撕裂；为此需增加加劲构件，以便将荷载传到更大范围。„„降低环梁的弯矩。降低环梁的弯矩。★充气式膜结构分类（2）气肋式„一般由管状构件组成。„管状构件可传递一定的横向力，其作用如同梁、拱、空间构架等。„适用于可快速拆装的临时性建筑。„内部气压通常为20000～70000N/m2。由16个气胀式拱构成，每个拱直径为4m，长度为72m，连接在直径为50m的钢筋混凝土环梁上。1970大阪博览会富士馆TheFujiExhibitionHallatOsakaExpo’70SectionElevation¾充气膜结构事故1.SilverDome，Pontiac,19751975年，金属护板被风吸起;1985年在暴风雪天气中，融雪设备有一半未发挥作用，导致7块PTFE板撕裂，屋面下垂30m。244m×183m这些事故引起了公众的关注，甚至对气承式膜结构是否安全也产生了疑问。1986年以后，在美国建造的大型体育馆没再采用过气承式膜结构，对于有些已建成的体育馆，其膜材达到使用年限需改建时，也不再考虑采用气承式膜结构。215m×180m2.MetroDome,Minneapolis,19821981年在施工过程中融雪设备尚未使用时，因雪载发生过两次空气泄漏；1982年在投入正常使用后又因雪载发生过空气外泄。东京棒球馆TokyoDome–“BigEgg”,1988膜材：PTFE跨度：202m内压：300N/m2•屋面为双层，其间有热空气循环以融雪，•设有风速、雪压、织物变形及钢索拉力记录仪，并与中央计算机相连接，形成屋面状态自动控制系统。主要特点：日本熊本市公园穹顶ParkDomeKumamoto,1997z混合充气膜结构形式。z膜结构直径107m，中心部分设置高14m的圆锥形钢结构中心环。z中心环与周围的环状桁架之间由上下各48根钢索连接并覆盖以膜材。★混合充气索膜结构由于膜有索的附加支承，即使膜漏气，也不会有结构物坠落，从而形成安全度极高的穹顶结构。★气承式膜结构的发展前景19701988¾真正的主动控制结构¾特别适合于超大跨度建筑1997气承式膜结构落伍了吗？悬浮结构①②③①Expo’02,Switzerland②深圳龙岗商业中心方案③08奥运主体育场方案★空间充气结构„是以柔性薄膜材料制造的,可充气展开的一种新型太空结构。„具有重量轻、储存体积小、折叠效率高、成本低等优点。空间充气结构的工作原理柔性膜材折叠存储充气展开材料刚化工作状态发射„3种结构状态‰发射前，以高效率方式折叠存储（零应力）‰入轨后，以充气方式展开（以反射面无褶皱为准，10Pa左右）‰通过材料刚化，形成长寿命航天器结构。（低应力，1Pa左右）充气可展天线系统充气硬化撑杆充气硬化周边支架张拉调整装置反射面馈源充气展开刚化的抛物面反射器7米，L’GardeESA-12米ISRS卫星充气展开反射面充气展开支撑机构•18m，NASA，2002•7m，ESA，2005•9m，Japan，2004遮阳罩充气空间站和深空探测„轨道转移飞行器„太阳能收集及传输器„太空旅馆„空间站及太空实验室2.2.整体整体张拉式膜结构张拉式膜结构TensionMembraneStructuresTensionMembraneStructures用桅杆或拱等刚性构件提供吊点，将钢索和薄膜悬挂起来，通过张拉索对膜施加预张力，使膜材绷紧形成形状稳定的结构。张拉式膜结构张拉式膜结构鞍形鞍形伞形伞形脊谷式脊谷式拱支式拱支式受力特点曲面构成¾鞍形膜结构„由四个不共面的角点和连接角点的边缘构件围合而成；„刚性边界、柔性边界„f/L:1/8~1/12„景观类建筑HPHPLPLP¾伞形膜结构„高点支承设计立柱、飞柱、吊环„高点应力释放设置脊索、可浮动沙特哈吉国际机场TheHajTerminal，1982thelargestroofstructureintheworld430,000m2¾脊谷式膜结构„跨中设计：注意排水问题„边跨设计设置加劲索圣迭戈会议中心,1991丹佛国际机场,1994圣迭戈会议中心SanDiegoConventionCenter,1990Membrane:PTFEMembranecoveredarea:8400m2MembraneSpan:91.5mMastHeight:27m¾拱支式膜结构„拱的设计拱是主要受力构件，为膜材提供了连续的支承点„索网设计通常在拱与边缘构件之间布有索网，对膜加强。WhiteDragonDome,1990Span:46mM&GResearchLaboratory,19913.3.骨架支承式膜结构骨架支承式膜结构FrameFrame--SupportedMembraneStructuresSupportedMembraneStructures„„膜材作为膜材作为覆面材料覆面材料，支承在平面或空间结构上，，支承在平面或空间结构上，如拱、网壳等。如拱、网壳等。„„优点是优点是，造型自由，可跨越较大跨度。，造型自由，可跨越较大跨度。„„膜的作用：膜的作用：‰‰降低屋面自重；降低屋面自重；‰‰增大支承骨架的网格尺寸；增大支承骨架的网格尺寸；‰‰形成明亮通透的室内空间效果。形成明亮通透的室内空间效果。山口穹顶YamaguchiDome,Japan,2001z椭圆抛物面，由大小两个穹顶组成，跨度230×176m。z采用张拉整体桁架体系(TensegricTruss)，由边长4m的方形网格单元组成。单元高度2m。zPTFE膜材覆面，采用带弹簧的立杆体系支承。★弹簧-立杆体系Spring-StrutSystemz应力自动维持。当膜材因徐变导致应力降低时，可通过弹簧立杆自动调节；因此设计时不需施加很大的预张力，也不需二次张拉。z形状适应性。当在风荷载作用下膜面鼓起时，弹簧立杆体系也可随之伸长，避免索应力松弛，维持体系的形状稳定性。山口穹顶山口穹顶迪拜酒店TheArabianTowerHotel,Dubai1999高320米，采用双层PTFE膜，是世界上最高的膜结构建筑。4.4.索系索系支承式膜结构支承式膜结构CableCable--SupportedMembraneStructuresSupportedMembraneStructures„由空间索系作为主要承重结构，在索系上敷设张紧的膜材，此时膜材主要起围护作用。CableDomeMast-SupportedDomesBuckminsterFuller&Tensegrity„富勒(1895—1983)2000多项发明专利，25本著作。„设计科学(DesignScience)人类的发展需求与全球的资源、发展中的科技水平结合在一起，用最高效的手段解决最多的问题。„Tensegrity(Tensile+integrity)“全张力体系”或“张力集成体系”„一组不连续的受压构件与连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。R.B.Fuller，1895-1983DavidGeiger&CableDome„盖格(1935—1989)，美国工程师。创造性地把创造性地把B.FullerB.Fuller提出了提出了““张拉整体张拉整体””概念运用到以索、膜与压杆组成的概念运用到以索、膜与压杆组成的““索穹顶索穹顶””（（cabledomecabledome）设计上。）设计上。Geiger体系Levy体系汉城奥运会体操馆和击剑馆OlympicGymnasticsArena&FencingArena,Seoul,1986体操馆，D=120m击剑馆，D=93m索穹顶结构的施工张拉过程索穹顶结构的施工过程就是结构的成形过程，同时也是结构各杆件建立预应力的过程。当索穹顶结构中的杆件被提升至各自的设计位置后，杆件中的预应力即达到设计值。1-安装拉环、竖杆和环索2-张拉最外圈斜索3、4-张拉第二、三圈斜索5-张拉完毕佐治亚穹顶GeorgiaDome,Atlanta,Georgia,1992z椭圆形平面，是世界上最大的索膜结构。zPTFE膜材覆面，屋盖用钢量仅30kg/m2。240m×192mz改进：1）将脊索由辐射状布置改为联方形网格的形式；2）取消起稳定作用的谷索，斜索和压杆的布置也作了相应调整。z优点：1）膜单元呈菱形双曲抛物面，可自然绷紧成形2）整体空间作用加强，在不对称荷载或局部荷载作用下刚度有较大提高。Geiger体系Levy体系千年穹顶MillenniumDome,Greenwich,UK,1999Membrane:PTFECoveredarea:100000m2DomeHeight:50mMastHeight:100mSpan:320m★千年穹顶施工过程5.5.可开启式可开启式膜结构膜结构RetractableMembraneStructuresRetractableMembraneStructures海洋穹顶OceanDome,Miyazaki,Japan,1993z世界上最大的室内水上公园。z可开启屋面采用PTFE膜材，固定屋面采用钛合金板。100m×300mOceanDome,Miyazaki,Japan,1993-InteriorviewOpenTime:10min卢森堡网球场RothenbaumTennisStadium,German，1993PVC膜材TheEndThankYou！