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膜結構工程

用于膜結構建筑中的膜材是一種具有強度，柔韌性好的薄膜材料，是由纖維編織成織物基材，在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固定而成的材料，中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維，而作為涂層材使用的樹脂有聚樹脂（PVC），硅酮（silicon）及聚四氟乙烯樹脂（PTFE），在力學上織物基材及涂層材分別具有影響下列的功能性質。由于充分發揮了材料抗拉強度高的特性,使得膜結構建筑具有以下優點:1。織物基材——抗拉強度，抗撕裂強度，耐熱性，耐久性，防火性。涂 層 材——耐候性，防污性，加工性，耐水性，耐品，透光性。

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膜結構設計主要包括以下內容：

1，初始態分析：確保生成形狀穩定、應力分布均勻的三維平衡曲面，并能夠抵抗各種可能的荷載工況；這是一個反復修正的過程。

2，荷載態分析：張拉膜結構自身重量很輕，僅為鋼結構的1/5，混凝土結構的1/40；因此膜結構對力有良好的適應性，而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。由于目前觀測資料尚少，故對膜結構的設計通常采用安全系數法。

3，主要結構構件尺寸的確定，及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時，應注意不同設計方法間的系數轉換。

4，連接設計：包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。

5，剪裁設計：這一過程應具備必要的試驗數據，包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值（應通過雙軸拉伸試驗確定）。

膜結構建筑特點

膜結構建筑是用輕質高強度柔性薄膜材料與支撐體系相結合形成的具有一定剛度的穩定曲面、可承受一定荷載、能夠覆蓋大空間的結構形式。由于充分發揮了材料抗拉強度高的特性,使得膜結構建筑具有以下優點:

1.1 跨度大

據有關資料推測,跨度越大的建筑,采用膜結構越能體現其經濟性。目前充氣結構建筑的無內柱空間路度可做到200m以上。

1.2 結構重量輕

膜材本身質輕,支承膜材的鋼桿、鋼架與鋼索比相應的鋼筋混凝土也減輕不少重量。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。

膜結構設計步驟

常用的計算機找形方法：

（3）有限單元法

有限單元法（FiniteElementMethod）初是用來計算索網結構的非線性迭代方法，但現在已成為較普遍的索膜結構找形方法。尤其在膜材方面，中國起步晚，技術水平低，大部分膜材還主要依靠進口。其基本算法有兩種，即從初始幾何開始迭代和從平面狀態開始迭代。顯然，從初始幾何開始迭代找形要比從平面狀態開始來得有效，且所選用的初始幾何越是接衡狀態，計算收斂越快，但初始幾何的選擇并非容易之事。兩種算法中均需要給定初始預應力的分布及數值。在用有限元法找形時，通常采用小楊氏模量或者干脆略去剛度矩陣中的線性部分，外荷載在此階段也忽略。

有限元迭代過程中，單元的應力將發生改變。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多，所以要使每一個膜片具有良好的剛度，就應盡量形成負高斯曲面，即沿對角方向分別形成“高點”和“低點”。求得的形狀除了要滿足平衡外，還希望應力分布均勻，大小合適，以保證結構具有足夠的剛度。因此，找形過程中還有個曲面病態判別和修改的問題，或者叫形態優化（包括幾何形態優化、應力形態優化和剛度形態優化等）。用有限元法找形的軟件有澳大利亞FABDES等。

經過找形確定的結構初始形狀滿足了初應力平衡條件并達到預想的形狀，但其是否滿足使用的要求，還必須進行荷載效應分析。