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张拉膜结构设计原理介绍

张拉膜结构修建为广阔的结构工程师供给了一个发挥高科技规划技能的全新空间。

1.概略

近十几年来，张拉膜结构修建以其外型共同的外观，梦幻般的内部空间，充满了张力的曲线、变幻的膜体、规范化加工的结构构件，高度灵敏的支承办法，为广阔的结构工程师供给了一个发挥高科技规划技能的全新空间，因而也备受新一代结构规划师的关注。

张拉膜结构规划时首先应思考张拉膜结构体系的特殊性，即因为张拉膜、索结构所运用的首要资料自身不具有根本刚度和形状，只有对膜材施加预张拉应力才能取得结构承载一切必要的刚度和形状，因而要经过调整改动膜材的预张力分布来取得抱负的结构外型，又或许经过改动膜或索的预张拉力比值来完成，然后得到形状各异的结构。例如，坚持索之中的预拉应力不变，增大膜的预张力与索的预拉力的比值，即添加膜的预张力，所得结构的曲率增大；反之，减小膜的预张力与索的预拉力的比值，即下降膜的预张力，所得结构的曲面及鸿沟较平整。在张拉膜修建规划进程傍边，结构师一直起首要作用，只有这样才能使结构、功用及审美三方面在规划之中有机联系，充分发挥结构方法所具有的特性。

2.结构选型

张拉膜结构的选型，应依据修建外型需要和支撑条件等，经过归纳剖析断定。通常可选用下列结构方法：全体张拉式、索系支承式、骨架支承式和空气支承式，或以上方法组合成的结构方法。

3.结构规划

膜结构规划应选用以概率理论为根底的极限状况规划办法，以分项系数规划表达式进行核算。结构重要性系数应依据结构的等级、规划运用年限断定。依据运用进程在结构上能够一同呈现的荷载，按承载才能极限状况和正常运用极限状况别离进行荷载（效应）组合，并应取各自的晦气效应组合进行规划。膜结构规划应思考恒、活、风、雪、顶张力、气压力、温变和支座沉降等作用。膜面的活载规范值可取0.3kN/?。

风载体型系数可按国家规范《修建结构荷载规范》的规则选用。关于形状杂乱或重要的修建物，应经过风洞试验或专门研究断定风载体型系数。有条件时也可经过剖析研究断定。

膜结构规划时，应在满意膜面应力平衡的条件下，使结构体系坚持安稳。为防止在风的吸、压力作用下发生变形而致使结构的全体张力体系失效，有必要在膜结构的谷部外表添加安稳压索；又或许为了防止膜结构的脊部应力过大，能够在脊部紧贴底面添加脊索。安稳索和脊索有必要参加相应工况下的全体受力和变形验算。此外，还应思考运用期间部分膜片损坏或部分索退出作业，以及不一样部位膜单元进行第二次张拉或更换对全体结构的影响。

膜结构规划时，可选用下列办法合理施加预张力：在边际直接张紧膜面【图a】;l拉紧周围边索【图b】；拉紧安稳索【图c】；顶升中心支柱【图d】。

4.资料挑选

膜结构应依据规划需求，选用不一样种类和代号的膜材。当有足够的依据时，膜材的经、纬向抗拉强度规范可选用出产企业供给的数据。拉索可选用热挤聚乙烯高强钢丝拉索、钢绞线或钢丝绳，也可依据详细状况选用钢棒等。钢丝绳宜选用无油镀锌钢芯钢丝绳。钢绞线、钢丝绳、热挤聚乙烯高强钢丝拉索及其锚具的质量应契合中国有关规范和现行行业规范的规则。锚具与索衔接的抗拉强度，浇铸式不得小于索抗拉强度的95%；压接式不得小于索抗拉强度的90%。

5.结构核算

膜结构应进行初始形状剖析(找形)、荷载效应剖析、裁剪剖析，必要时换应进行施工进程验算。初始形状剖析可选用非线性有限元法、动力松懈法和力密度法等；荷载效应剖析可选用非线性有限元法和动力松懈法。核算时应思考结构的几许非线性，可不思考资料非线性。结构核算中可思考膜材的各向异性。核算模型的鸿沟支承条件应与支承点的实践结构项契合，关于能够发生较大位移的支承点，在核算中应思考支座位移的影响，或与支承结构一同进行全体剖析。

对膜结构中的索、膜构件，可不思考地震作用的影响；支承结构的抗震规划，应按照国家有关规范的规则执行。初始形状剖析应满意鸿沟条件和合理预张力的需求，并满意修建外型和运用功用的需求。

索、膜构件的预张力值应依据膜材类型、膜面荷载、能够发生的变形以及施工等要素断定。预张力值有必要确保在类荷载效应组合下，一切索、膜构件均处于受拉状况。

膜结构的荷载效应剖析，应在初始形状剖析断定的几许形状和预张力的根底上，思考各种能够的荷载组合状况对膜结构内力和变形的影响。当核算结果不能满意需求时，应从头断定初始形状。

核算膜、索的内力和位移时，应思考风荷载的动力效应。关于形状较为简略的膜结构，可选用乘以风振系数的办法思考结构的风动力效应。对骨架支承式膜结构，风振系数可取1.2～1.5；对全体张拉式伞形、鞍形膜结构，风振系数可取1.5～2.0。

关于跨度较大、风荷载影响较大的或重要的膜结构，应经过动力剖析或气弹性模型风洞试验断定风荷载的动力效应。

在各种荷载组合下，膜面各点的主应力应满意下列需求：

式中 在各种荷载组合作用下的主应力值；

膜材抗拉强度规范值；

强度折减系数；对处于通常部位的膜材 =1.0；对处于衔接点处和边际部位的膜材 =0.75；

膜材抗力分项系数，对类荷载效应组合 =5.0；对第二类组合 =2.5。

6.取舍规划

膜结构的裁剪剖析应在初始平衡曲面的根底上，在空间曲面上断定膜片间的裁剪线，然后取得与空间膜片接近的平面打开膜面。断定膜结构的裁剪线，可选用测地线法和平面相交法等。断定裁剪线时应思考下列要素：裁剪线安置的漂亮性；依据膜材幅宽，尽量有用运用资料；习惯膜材正交异性的特色，使膜材的纤维方向与核算的主受力方向共同。膜结构的裁剪剖析中有必要思考初始预张力和膜材徐变特色的影响。应依据所用膜材的材性，合理断定各膜片的收缩量，并对膜片的裁剪尺度进行调整。当选用搭接办法时，规划的裁剪片应预留搭接宽度。

7.空气支承膜结构规划关键

空气支承膜结构的内部压力，应确保在各种荷载作用下满意结构的强度和安稳性需求。规划时应合理断定膜结构的、小作业内压和正