5.薄膜结构(中)

《大跨空间结构》之5.薄膜结构(中)MembraneStructures主讲人：钱宏亮哈尔滨工业大学1/114§5.3膜结构选型膜结构空气支承式骨架支承式整体张拉式索系支承式2/1141.充气式膜结构PneumaticStructures充气膜结构是靠膜内外的气压差来抵抗外荷载并维持形状稳定的。1%的大气压可产生1kN/m2的均布压力气承式气肋式气枕式混合式充气膜结构3/114（1）气承式（Air-supportedMembraneStructure）室内外气压差通常为200～300N/m2。由膜材围合成相对密闭的建筑空间，通过对室内充气形成气压差来抵抗荷载、维持形状稳定。4/114气承式膜建筑系统室外大气湿度控制系统温度控制系统空气净化系统备用能源系统增氧系统控压系统照明控制系统制冷采暖系统内部气压为确保安全性和舒适性，除膜材蒙皮外，充气膜建筑还包括若干起辅助作用的智能控制系统。5/114气承式膜结构的优点•易于建造、抗震性能好•对地质条件依赖小、要求低•易于营造相对独立的小环境6/114加拿大BC体育场B.C.PlaceStadium,Canada,1983190mx231m•当时世界最大。•由双层PTFE膜材和双向稳定索系统构成。•矢高27m，内压240N/m2。7/114思考：稳定索的作用？•增加膜表面曲率、减小膜内力；•提高膜结构抵抗局部荷载的能力•降低环梁的弯矩。8/114充气膜结构事故1.SilverDome，Pontiac,19751975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。244m×183m215m×180m2.MetroDome,Minneapolis,19821981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。1986年以后，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。9/114东京棒球馆TokyoDome–“BigEgg”,1988膜材：PTFE跨度：202m内压：300N/m2•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。主要特点：10/114（2）气肋式(InflatedMembraneStructure)由管状构件组成，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。内部气压通常为2～7个大气压。11/114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TheFujiExhibitionHallatOsakaExpo’70SectionElevation12/1142008年奥运会鸟巢顶上的气肋式膜结构•长33m，跨度20m，室内高度10m•从设计到竣工只用了12天13/114（3）气枕式(AirCushionMembraneStructure)由若干气囊状构件与钢框架组成。主要用于ETFE膜材。14/114（4）混合式通过将充气膜结构与索结构相结合，形成的新型、高效结构系统。15/114日本熊本市公园穹顶ParkDomeKumamoto,1997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。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。16/114•TENSAIRITY®=Tension+Air+Integrity•Tensairity结构是由低内压充气梁、柔性索、刚性杆件上弦所组成的轻型混合结构体系受压:充气支承结构受拉：螺旋型索低压圆管张弦充气结构(TENSAIRITY)17/114充气梁的工作原理18/114张弦充气结构的工作原理下弦柔性索承担了结构中的拉力，上弦刚性杆件承担了结构中的压力，实现了拉压分离。19/11420/114Tensairity结构的特点•和张弦桁架相比，使用充气梁替换了撑杆，使得上弦刚性杆件的稳定性大大提高。•与气肋式膜结构比较，Tensairity梁的内气压很小，但是其承载力可以达到张弦桁架的承载力。•在结构受力上，Tensairity结构是一种自支撑，自平衡的结构体系。对边界约束的要求很低。21/114Tensairity工程应用停车场的外景图停车场的夜景图Tensairity梁吊装就位2004年在瑞士蒙特勒建成世界上第一座Tensairity结构。该停车场由十二根Tensairity梁组成主要受力构件，其中最大跨度为28m。支座节点22/114“Skier”桥日景图“Skier”桥安装就位2005年在法国的阿尔卑斯地区，建成了世界上第一座使用Tensairity体系的桥梁。该桥跨度52m，由两个Tensairiy梁并列放置，其上弦刚性构件使用的材料是木材。“Skier”桥23/114气承式膜结构的发展与创新197019881997真正的主动控制结构特别适合于超大跨度建筑气承式膜结构落伍了吗？24/114不同形式的充气膜结构25/114悬浮结构①Expo’02,Switzerland②深圳龙岗商业中心方案③08奥运主体育场方案①②③26/1142.整体张拉式膜结构TensionMembraneStructures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。张拉式膜结构鞍形伞形脊谷式拱支式受力特点曲面构成27/114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；•刚性边界、柔性边界•f/L:1/8~1/12•景观类建筑HPHPLPLP28/114鞍形膜结构的支承方式29/114伞形膜结构•高点支承设计立柱、飞柱、悬吊•高点应力释放设置脊索、可浮动30/114沙特哈吉国际机场TheHajTerminal，1982thelargestroofstructureintheworld430,000m231/114脊谷式膜结构•跨中设计注意排水问题•边跨设计设置加劲索圣迭戈会议中心,1991丹佛国际机场,199432/114圣迭戈会议中心SanDiegoConventionCenter,1990Membrane:PTFEMembranecoveredarea:8400m2MembraneSpan:91.5mMastHeight:27m33/114拱支式膜结构•拱的设计拱是主要受力构件，为膜材提供了连续的支承点•索网设计通常在拱与边缘构件之间布有索网，对膜加强。WhiteDragonDome,1990Span:46mM&GResearchLaboratory,199134/114不同的拱支承方式35/1143.骨架支承式膜结构Frame-SupportedMembraneStructures•膜的作用：–降低屋面自重；–增大支承骨架的网格尺寸；–形成明亮通透的室内空间效果。膜材作为覆面材料，支承在钢结构骨架上。优点是，造型自由，可跨越较大跨度。36/114山口穹顶YamaguchiDome,Japan,2001椭圆抛物面，由大小两个穹顶组成，跨度230×176m。采用张拉整体桁架体系(TensegricTruss)，由边长4m的方形网格单元组成。单元高度2m。PTFE膜材覆面，采用带弹簧的立杆体系支承。37/114弹簧-立杆体系Spring-StrutSystem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。形状适应性。当在风荷载作用下膜面鼓起时，弹簧立杆体系也可随之伸长，避免索应力松弛，维持体系的形状稳定性。38/114山口穹顶39/114迪拜酒店TheArabianTowerHotel,Dubai1999高320米，采用双层PTFE膜，是世界上最高的膜结构建筑。40/1144.索系支承式膜结构Cable-SupportedMembraneStructures由空间索系作为主要承重结构，在索系上敷设张紧的膜材，此时膜材主要起围护作用。CableDomeMast-SupportedDomes41/114BuckminsterFuller&Tensegrity•富勒(1895—1983)2000多项发明专利，25本著作。•设计科学(DesignScience)人类的发展需求与全球的资源、发展中的科技水平结合在一起，用最高效的手段解决最多的问题。•Tensegrity(Tensile+integrity)“全张力体系”或“张力集成体系”一组不连续的受压构件与连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格结构。R.B.Fuller，1895-198342/114DavidGeiger&CableDome盖格(1935—1989)，美国工程师。创造性地把B.Fuller提出了“张拉整体”概念运用到以索、膜与压杆组成的“索穹顶”（cabledome）设计上。Geiger体系Levy体系43/114汉城奥运会体操馆和击剑馆OlympicGymnasticsArena&FencingArena,Seoul,1986体操馆，D=120m击剑馆，D=93m44/114索穹顶结构的施工张拉过程索穹顶的施工过程就是结构的成形过程，同时也是结构各杆件建立预应力的过程。当索穹顶结构中的杆件被提升至各自的设计位置后，杆件中的预应力即达到设计值。1-安装拉环、竖杆和环索2-张拉最外圈斜索3、4-张拉第二、三圈斜索5-张拉完毕45/114佐治亚穹顶GeorgiaDome,Atlanta,Georgia,1992椭圆形平面，是世界上最大的索膜结构。PTFE膜材覆面，屋盖用钢量仅30kg/m2。240m×192m46/114改进：1）将脊索由辐射状布置改为联方形网格的形式；2）取消起稳定作用的谷索，斜索和压杆的布置也作了相应调整。优点：1）膜单元呈菱形双曲抛物面，可自然绷紧成形2）整体空间作用加强，在不对称荷载或局部荷载作用下刚度有较大提高。Geiger体系Levy体系47/114千年穹顶MillenniumDome,Greenwich,UK,1999Membrane:PTFECoveredarea:100000m2DomeHeight:50mMastHeight:100mSpan:320m48/114千年穹顶施工过程49/1145.可开启式膜结构RetractableMembraneStructures50/11451/114海洋穹顶OceanDome,Miyazaki,Japan,1993世界上最大的室内水上公园。可开启屋面采用PTFE膜材，固定屋面采用钛合金板。100m300m52/114OceanDome,Miyazaki,Japan,1993-InteriorviewOpenTime:10min53/114卢森堡网球场RothenbaumTennisStadium,German，1993PVC膜材54/114ToBeContinue……