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膜结构建筑的发展及力学原理

时间:2019-04-09     【转载】

  现在膜结构在生活中运用的越来越多,也为我们的建筑带来了很多优势,下面就来说一下膜结构建筑的发展及力学原理。

  一、膜结构的发展

  膜结构作为居住空间的外表面的结构形式,在很遥远的古代就已经有在,将草席和兽皮、毛织物等皮樓用简单的木柱等顶起,用绳子固定在地面上构成稳定的简单住宅,这种建造方式在上古时代就开始应用了。皮膜质量较轻且坚固,富含柔软性,搬运、临时设置、重复使用都比较便利,现在游教民中仍然还有应用,可以说,源于皮膜的应用。

  近代的膜结构开始应用于杂技团的帐篷。第二次世界大战后,不使用柱子而采用空气膨胀方式的充气膜结构也开始出现,并大范围地普及开。膜结构的优点是,只有价格较低,短间内建造出大空间,这井不是只存在于杂技团的帐篷,现代的膜结构也同样有这种特征。由于近年来新材料的进一步开发,有很多此类结构在恒久建筑物上应用的例子。

  在二战后。膜结构戏团帐篷的尝试着摆脱旧马戏团帐篷的面貌并成为现代的结构体系,以空气膜结构的出现为标志:最初的尝试开始于美国的军用设施。

  从美军的雷达穹顶及兵营、仓率等建设的经验积累中认识到充气膜结构的有用性的沃尔特·伯德,在1957年,采川充气赓结构建造了私家游泳池简易棚。通过《生活杂志》和其他的媒体的介绍,此结构在世界上广为人知,世界各地也开始进行各种尝试。

  美国馆(建筑设计:L戴蜂斯;结构设计:蓝格)是典型的充气穹顶。在具有近似于长轴142m,短轴83.5m的椭圆的平面形状的压环的内侧,用索张拉刚度加强的皮膜《用聚飄乙烯嘎涂的玻穗纤缘布),室内的气压相对于外侧气压要稍微高(用水柱为30mm、用水银柱为2.3mm由于值较小。通常用水柱表示).所以这种方式构成屋面结构。与跨度相比,此穹顶的特征是垂度非常低〔6.lm)。垂度低的穹顶中,风荷载分布比较均匀(吸力),这对膜结构的设计非常有利。此性质极大促进了之后的低垂度充气穹顶的发展

  二、非充气膜结构

  充气膜结构作为用皮膜覆盖空气的方法,具有多种优点,但也有缺点。最大的问题是维护管理。简而言之,此结构在建筑物存在期间,需要时时刻刻用送风器进行鼓气。相对于平常情况,在积雪时和暴风时,许多的空气穹顶需要增加室内气压。并且,需要有应对偶尔停电的机制。近年,这种转换大多完全是自动进行,为了确保如通常情况那样进行转换,需要不断地维护管理,经济负担非常可观。

  因此,对于不使用充气的膜结构的需要,自古以来就源源不绝。对不使用充气的膜面施加张力的方法,从古代就已经开始,如杂技团的帐篷。用柱子顶起底部固定的膜面顶部,在马鞍形曲面的边界之间张拉膜面等,这些对膜施加预应力的方法,在目前还是最普遍的方法(被称为悬置膜)。与充气膜结构相比,以这种方法形成的膜造型更有鲜明的紧绷感。

  并且,也存在这么一种结构(被称为骨架膜结构):主要受力由钢结构等的骨架承担,膜仅作为骨架构件间张拉过渡的角色。

  

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  三、充气膜结构的力学原理

  在膜结构中,利用气压使膜产生张力,以此来抵抗外力的结构,称为充气膜结构。根据充气膜结构力学性质的不同进行分类,可分为气承式充气膜结构和气胀式管状充气膜结构(图1、2)。气承式充气膜结构是把大面积的膜材周边固定,利用膜内外两侧的气压差使膜产生张力而形成的结构。最典型的结构是将空气充入裁剪成穹顶形状的膜面内部,使膜面鼓起形成穹顶结构这种穹顶被称为充气穹顶图1(a)。将空气充入周边牢固固定的2片膜之间,2片膜各自的力学性质与充气穹顶基本相同。这类结构,统称为气承式。充气膜结构(air: supported structure)。

  为使膜产生张力,不一定要使穹顶内部的气压比外部气压高。只要具备应有的支承条件,穹顶内部气低于外部气压,也可以使膜面产生张力[图1(c)。

  气胀式管状充气膜结构,是在制作成管状的膜材内充人空气而形成的结构,可形象地理解为用空气代替香肠肉来塞满管状膜。笔直的管状膜充气鼓胀水平放置,可得到梁[充气梁,图2(a);弯曲的管状膜充气鼓胀形成拱[充气拱,图2(b)。把多根这样的充气梁或拱并排连接起来,可创造出建筑空间。并列的梁或拱并不是相互独立的,而是用连接构件连接成整体使用。管状的充气膜结构,被称为气胀式充气膜结构( air-inflated structure)。

  如上所述,充气膜结构需要在膜的内部和外部气体之间产生气压差,此时所需的气压差值,在气承式充气膜结构和气胀式管状充气膜结构中有很大不同。

  通常,在气承式充气膜结构中,采用0。002-0。010kg/cm2、(水柱20~100mm)的气压差,此气压差值不需要根据建筑物规模的大小而改变。与此相对,气胀式管状充气膜结构中,所需的气压差为01~1kg/cm2(水柱1000~10000mm),在同样形状的梁(或者拱)中, 随着建筑物规模的增大,所需要的气压差也随之增大。也就是说,气胀式管状充气膜结构与气承式充气膜结构相比力学效率较低。为了弄清楚效率较低的原因,对气压差产生张力的平面膜与空气梁上施加相同荷载作用下的状况进行研究(图3)。拿出荷载作用下产生变形的膜的一部分进行研究(图4),膜的张力由于膜的变形会产生向上的力,膜有回到原先状态的趋势。相同条件下对充气梁的一部分进行研究(图5),充气梁的膜外皮,会产生与平面膜相同的向上的力,但是梁内压缩空气的压力反而产生方向向下的力,使得充气梁的膜回到原先形态的趋势被抵消。这就是气胀式充气膜结构与气承式充气膜结构相比效率较低的原因。将平面膜与充气梁弯曲,即做成充气穹顶和充气拱,这种关系一点也没改变,也就是说,与充气穹顶相比,充气拱不得不说是效率较低的结构。尽管这样,使用充气拱结构,是因为这种结构具有特定的优点。充气穹顶必须经常保持穹顶内部与外部空气的气压差,出人穹顶时,一定要通过空气密闭出入口(旋转门与前室等),会感觉非常不方便。与此相对,充气拱结构的室内气压与室外气压相同,出入口完全自由地开放。并且,以前述富士群馆为例可以看出,气胀式充气拱结构可以形成与气承式充气穹顶结构完全不同的建筑造型。由于以上这些理由,

  预计气承式充气膜结构与气胀式充气膜结构今后将共同发展。


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