膜结构(3)-结构体系

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1、主讲人：武主讲人：武 岳岳 哈尔滨工业大学 Structural System of Membrane Structures 6.3 6.3 膜结构体系膜结构体系 膜结构体系划分膜结构体系划分 A Taxonomy of Membrane StructuresA Taxonomy of Membrane Structures 膜结构膜结构 膜结构膜结构 空气支承式空气支承式 空气支承式空气支承式 骨架支承式骨架支承式 骨架支承式骨架支承式 整体张拉式整体张拉式 整体张拉式整体张拉式 索系支承式索系支承式 索系支承式索系支承式 1.1.1.1.充气充气充气充气式式式式膜结构膜结构膜结构膜结构 P

2、neumaticPneumatic StructuresStructures ? 充气膜结构充气膜结构是靠膜内外的气压差来维持形状稳定。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 由由Walter Bird设计的直径设计的直径 15m的雷达罩 （的雷达罩 （1946） 充气式膜结构分类 充气式膜结构分类 （1）气承式）气承式 加拿大BC体育场 B.C. Place Stadium, Canada, 1983 世界上最大的气承式膜结构。世界上最大的气承式膜结构。 由双层由双层PTFE膜材和双向稳定索 系统构成。 膜材和双向稳定索 系统构成。 矢高矢高27m，内

3、压，内压240N/m2。 190 m x 231 m ?以建筑室内气压差来支 承膜材并维持其形状稳 定。 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。 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。呈正高斯曲面。 ?室内气压通常为室内气压通常为200 300N/m2。 稳定索系统的作用 稳定索系统的作用 ? ? 增加膜表面曲率、减小增加膜表面曲率、减小增加膜表面曲率、减小增加膜表面曲率、减小 膜内力；膜内力；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提高膜结构抵抗局部荷提高膜结构抵抗局部

4、荷 载的能力载的能力载的能力载的能力 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。 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。降低环梁的弯矩。降低环梁的弯矩。 充气式膜结构分类 充气式膜结构分类 （2）气肋式）气肋式 ?一般由管状构件组成。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。 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。 适用于可快速拆装的临 时性建筑。

5、 ?内部气压通常为内部气压通常为 2000070000N/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。 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 The Fuji Exhibition Hall at Osaka Expo70 Section Elevation ? 充气膜结构事故充气膜结构事故 1. Silver Dome，Pontiac, 1975 1975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 P

6、TFE板撕裂，屋面下垂30m。 1975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。 244m183m 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。 215m180m 2. Metro Dome, Minneapolis, 1982 1981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

7、气外泄。 1981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 Tokyo Dome “Big Egg”, 1988 膜材：膜材：PTFE 跨度：跨度：202 m 内压内压：300N/m2 屋面为双层，其间有热空气循环以融雪，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。 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 Park Dome Kumamo

8、to, 1997 ? 混合充气膜结构形式。混合充气膜结构形式。 ? 膜结构直径107m，中心 部分设置高 14m的圆锥 形钢结构中心环。 膜结构直径107m，中心 部分设置高 14m的圆锥 形钢结构中心环。 ? 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。 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。 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 气承式膜结构的发展前景 1970

9、1988 ? 真正的主动控制结构真正的主动控制结构 ? 特别适合于超大跨度建筑特别适合于超大跨度建筑 1997 气承式膜结构 落伍了吗？ 气承式膜结构 落伍了吗？ 悬浮结构悬浮结构 Expo02 ,Switzerland 深圳龙岗商业中心方案 深圳龙岗商业中心方案 08奥运主体育场方案奥运主体育场方案 空间充气结构 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。 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。 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空间充气结构的工作

10、原理 柔性膜材 折叠存储 充气展开 材料刚化 工作状态 发射发射 ?3种结构状态3种结构状态 ?发射前，以高效率方式折叠存储发射前，以高效率方式折叠存储（零应力）（零应力） ?入轨后，以充气方式展开入轨后，以充气方式展开 （以反射面无褶皱为准，10Pa左右）（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。通过材料刚化，形成长寿命航天器结构。 （低应力，1Pa左右）（低应力，1Pa左右） 充气可展天线系统充气可展天线系统 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 反射面 馈源 充气展开刚化的抛物面反射器充气展开刚化的抛物面反射器 7米， LGard

11、e ESA-12米ISRS卫星充气展开反射面 充气展开支撑机构 18m，NASA，20027m，ESA，20059m，Japan，2004 遮阳罩 充气空间站和深空探测 ?轨道转移飞行器轨道转移飞行器 ?太阳能收集及传输器太阳能收集及传输器 ?太空旅馆太空旅馆 ?空间站及太空实验室空间站及太空实验室 2.2.2.2.整体整体整体整体张拉式膜结构张拉式膜结构张拉式膜结构张拉式膜结构 Tension Membrane StructuresTension Membrane Structures 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

12、结构。 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 张拉式膜结构张拉式膜结构 鞍形鞍形 鞍形鞍形 伞形伞形 伞形伞形 脊谷式脊谷式 脊谷式脊谷式 拱支式拱支式 拱支式拱支式 受力特点曲面构成受力特点曲面构成 ? 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； 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、柔性边界刚性边界、柔性边界 ?f/L: 1/81/12 ?景观类建筑景观类建筑 HP HP LPLP ? 伞形膜结构 ?高点支承设计高点支承设计 立柱、飞柱、吊环

13、立柱、飞柱、吊环 ?高点应力释放高点应力释放 设置脊索、可浮动设置脊索、可浮动 沙特哈吉国际机场 The Haj Terminal，1982 the largest roof structure in the world 430,000 m2 ? 脊谷式膜结构 ?跨中设计：跨中设计： 注意排水问题注意排水问题 ?边跨设计边跨设计 设置加劲索设置加劲索 圣迭戈会议中心, 1991丹佛国际机场, 1994 圣迭戈会议中心 San Diego Convention Center, 1990 Membrane: PTFE Membrane covered area: 8 400 m2 Membrane

14、 Span: 91.5m Mast Height: 27 m ? 拱支式膜结构 ?拱的设计拱的设计 拱是主要受力构件，为膜材提供了连续的支承点拱是主要受力构件，为膜材提供了连续的支承点 ?索网设计索网设计 通常在拱与边缘构件之间布有索网，对膜加强。通常在拱与边缘构件之间布有索网，对膜加强。 White Dragon Dome, 1990 Span: 46m M&G Research Laboratory , 1991 3.3.3.3.骨架支承式膜结构骨架支承式膜结构骨架支承式膜结构骨架支承式膜结构 FrameFrame- -Supported Membrane StructuresSuppor

15、ted Membrane Structures ? ? 膜材作为膜材作为膜材作为膜材作为覆面材料覆面材料覆面材料覆面材料，支承在平面或空间结构上，支承在平面或空间结构上，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。如拱、网壳等。如拱、网壳等。 ? ? 优点是优点是优点是优点是，造型自由，可跨越较大跨度。，造型自由，可跨越较大跨度。，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：膜的作用：膜的作用： ?降低屋面自重；降低屋面自重；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；增大支承骨架的网

16、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。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 Yamaguchi Dome, Japan, 2001 ? 椭圆抛物面椭圆抛物面，由大小两个穹顶组成，跨度，由大小两个穹顶组成，跨度230176m。 ? 采用采用张拉整体桁架体系张拉整体桁架体系(Tensegric Truss)，由边长，由边长4m的 方形网格单元组成。单元高度 的 方形网格单元组成。单元高度2m。 ? PTFE膜材覆面，采用膜材覆面，采用带弹簧的立杆体系带弹簧的立杆体系支承。支承。 弹簧-立杆体系 弹簧-立杆体系Spring-Strut System ?应力自动维持。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。 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