膜結(jié)構(gòu)工程實例

膜結(jié)構(gòu)在中國也不乏工程實例，其中規(guī)模很大、有影響力的膜結(jié)構(gòu)要數(shù)1997年竣工的上海八萬人體育場看臺罩棚張拉膜結(jié)構(gòu)工程。但該膜結(jié)構(gòu)為美國Weidlinger公司設(shè)計制作，由此也可以看出中國在該領(lǐng)域與國外先進(jìn)國家的差距很大。膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景隨著工業(yè)的發(fā)展與計算技術(shù)的進(jìn)步,膜結(jié)構(gòu)也從臨時建筑邁入持久性建筑行列,并成為當(dāng)代充滿活力的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。影響中國膜結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的主要因素有：國產(chǎn)膜材料性能差，而進(jìn)口膜材料價格高；尚無商業(yè)性的膜結(jié)構(gòu)計算南輔助設(shè)計系統(tǒng)；人們對膜結(jié)構(gòu)缺乏足夠的認(rèn)識等。

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1970年日本大阪萬國博覽會上的美國館和富士館均采用了膜結(jié)構(gòu)建筑，在建筑行業(yè)引起了不小的轟動。1996年亞特蘭大奧運會的“佐治亞穹頂”，擬橢圓形的尺寸達(dá)240m*193m。膜結(jié)構(gòu)建筑屋面的膜材透光性好,能透過大量柔和的自然光,降低白天的照明費用以及整個建筑的供熱與空調(diào)費用。為了慶祝新千年的到來，英國在倫敦建成了直徑達(dá)320m的“千氣穹頂”。整個展覽大廳總面積為8萬平方米。覆蓋其上的是72塊聚（PVC）涂層的玻璃纖維織物板，千年穹頂以其獨特的膜結(jié)構(gòu)，顯示了當(dāng)今建筑技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展水平。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟

常用的計算機(jī)找形方法：

（3）有限單元法

有限單元法（FiniteElementMethod）初是用來計算索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的非線性迭代方法，但現(xiàn)在已成為較普遍的索膜結(jié)構(gòu)找形方法。其基本算法有兩種，即從初始幾何開始迭代和從平面狀態(tài)開始迭代。換句話說，不符合結(jié)構(gòu)的造型是不可能的，因為那樣的薄膜不是飄動的就是缺乏穩(wěn)定性的。顯然，從初始幾何開始迭代找形要比從平面狀態(tài)開始來得有效，且所選用的初始幾何越是接衡狀態(tài)，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(yù)應(yīng)力的分布及數(shù)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(yīng)力將發(fā)生改變。求得的形狀除了要滿足平衡外，還希望應(yīng)力分布均勻，大小合適，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。ETFE不僅具有優(yōu)良的抗沖擊性能、電性能、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性，而且機(jī)械強(qiáng)度高，加工性能好。因此，找形過程中還有個曲面病態(tài)判別和修改的問題，或者叫形態(tài)優(yōu)化（包括幾何形態(tài)優(yōu)化、應(yīng)力形態(tài)優(yōu)化和剛度形態(tài)優(yōu)化等）。用有限元法找形的軟件有澳大利亞FABDES等。

經(jīng)過找形確定的結(jié)構(gòu)初始形狀滿足了初應(yīng)力平衡條件并達(dá)到預(yù)想的形狀，但其是否滿足使用的要求，還必須進(jìn)行荷載效應(yīng)分析。

（1）靜風(fēng)壓體型系數(shù)的確定

風(fēng)荷載體型系數(shù)是描述風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)上不均勻特征的重要參數(shù)，一般結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)可以從荷載規(guī)范查得。但膜結(jié)構(gòu)形狀各異，不能從荷載規(guī)范直接獲得風(fēng)壓體型系數(shù)。由于索膜結(jié)構(gòu)是大變形問題，在推導(dǎo)有限元方程時，需考慮位移高階項對應(yīng)變的影響，即考慮幾何非線性。所以，較大的膜結(jié)構(gòu)基本都要求進(jìn)行風(fēng)洞試驗，以獲得比較正確的膜結(jié)構(gòu)的局部風(fēng)壓凈壓系數(shù)和平均風(fēng)載體形系數(shù)。由于風(fēng)洞試驗要滿足一系列的相似準(zhǔn)則，如幾何相似、雷諾數(shù)相似等，通常要完全滿足這些相似條件是不可能的，因此風(fēng)洞模擬實驗結(jié)果有時會超過實測值很多。