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膜結構設計

膜結構的設計主要包括體形設計、初始平衡形狀分析、荷載分析、裁剪分析等四大問題。通過體形設計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量，確定各控制點的坐標、結構形式，選用膜材和施工方案。初始平衡形狀分析就是所謂的找形分析。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度，抗剪強度很差，因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預應力來提高，對膜結構而言，任何時候不存在無應力狀態(tài)，因此膜曲面形狀終必須滿足在一定邊界條件、一定預應力條件下的力學平衡，并以此為基準進行荷載分析和裁剪分析。由膨化PTFE纖維織成的基布兩面貼上氟樹脂薄膜即得膨化PTFE建筑膜材。

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膜結構找形分析的方法主要有動力松弛法、力密度法以及有限單元法等。膜結構考慮的荷載一般是風載和雪載。在荷載作用下膜材料的變形較大，且隨著形狀的改變，荷載分布也在改變，因此要準確計算結構的變形和應力要用幾何非線性的方法進行。荷載分析的另一個目的是一確定索、膜中初始預張力。在外荷載作用下膜中一個方向應力增加而另一個方向應力減少，這就要求施加初始張應力的程度要滿足在不利荷載作用下應力不致減少到零，即不出現(xiàn)皺褶。因為膜材料比較輕柔，自振頻率很低，在風荷載作用下極易產(chǎn)生風振，導致膜材料破壞，如果初始預應力施加過高，膜材涂變加大，易老化且強度儲備少，對受力構件強度要求也高，增加施工安裝難度。因此初始預應力的確定要通過荷載計算來確定。經(jīng)過找形分析而形成的摸結構通常為三維不可展空間曲面，如何通過二維材料的裁剪，張拉形成所需要的三維空間曲面，是整個膜結構工程中關鍵的一個問題，這正是裁剪分析的主要內(nèi)容。2008年北京奧運會、2010年上海世博會和廣州亞運會的舉行，以及各種類型的展覽館建設，使得我國迎來了膜結構建筑的發(fā)展高峰期，這幾年間我國膜結構建筑的建造規(guī)模擴張非常迅速。

膜結構在方案階段需要考慮的問題有：

1，預張力的大小及張拉方式；

2，根據(jù)控制荷載來確定膜片的大小和索的布置方式；

3，考慮膜面及其固定件的形狀以避免積水（雪）；

4，關鍵節(jié)點的設計，以避免應力集中；

5，考慮膜材的運輸和吊裝；

6，耐久性與防火考慮。

在張拉膜結構設計階段所要考慮的要點有：

1，保證膜面有足夠的曲率，以獲得較大的剛度和美學效果；

2，細化支承結構，以充分表達透明的空間和輕巧的形狀；

3，簡化膜與支承結構間的連接節(jié)點，降低現(xiàn)場施工量。

膜結構設計步驟

2.風荷載作用

膜結構區(qū)別于傳統(tǒng)結構的兩個顯著特點是輕和柔。輕，意味著結構自身重量和慣性力小，自重不是主要荷載，力可以忽略不計，而風是主要荷載；1970年日本大阪世界博覽會中的美國館,屋面重量每平方米僅1122kg。柔，意味著結構無抗彎剛度，結構對外荷載的抵抗是通過形狀改變來實現(xiàn)的，表現(xiàn)出幾何非線性特征。膜結構的特點決定了膜結構是風敏感結構，抗風設計在膜結構設計中處于主要地位。

膜結構輕、柔、飄的顯著特點決定了膜結構抗風計算的內(nèi)容也有自身特點。