第1页：6.4膜结构设计理论
6.4膜结构设计理论
本页以图片形式呈现，给出计算模型与主要分析结果。
第2页：6.4膜结构设计理论（续）
6.4膜结构设计理论（续）
- 膜结构的主要力学特点
- 轻：质量仅为1kgm2左右
- 柔：只能受拉，不能受压、受弯
- 膜结构的两个基本构成要素
- 初始预张力
- 负高斯曲面
第3页：设计流程
设计流程
第4页：初始形态分析
初始形态分析
第5页：初始形态分析
初始形态分析
- 找形在力学上可以归纳为求解空间曲面的初始平衡问题
- 找形分析中的几个重要参数：结构拓扑关系—不同结构构件之间的连接关系；体力和面力—结构自重和外荷载，通常为零；结构几何形状—形；几何边界条件—支承条件；初始预张力的大小和分布—态
- 找形就是寻求以上诸多因素的平衡点
第6页：找形的基本流程
找形的基本流程
- 如下：根据建筑平、立面条件，确定支承方式和支承点的位置；根据支承点位置，确定边索和加强索的布置方式；根据经验，确定索和膜中的初始预张力；建立零状态下的结构有限元模型；进行找形分析，确定结构的初始平衡态。5零状态—找形起始时刻建立的有限元模型，其形状只是所要求解形状的近似，而且通常不满足结构平衡条件。初始平衡态—最终要求解的平衡形状，同时满足力与形的要求
第7页：找形结果的评判标准
找形结果的评判标准
- 满足建筑造型的要求
- 保证结构在设计荷载作用下不出现过大的变形和应力
- 避免膜和索因受压退出工作，即保证结构的稳定当找形结果不满足上述要求时，可采取的调整方案
- 调整支承点的位置
- 改变预张力的大小
- 改变索构件的布置方式膜结构的找形是一个反复试算过程
第8页：－沿膜主曲率方向的弦长－沿膜主曲
－沿膜主曲率方向的弦长－沿膜主曲
- 率方向的拱高20
- 找形的一般原则膜面应具有足够的曲率和坡度，以保证结构的刚度和排水性能
- 据国外研究资料，当膜面坡度大于0.4时，落雪一般会自动滑下而不产生堆积
- 曲率一般通过矢高和跨度的比值来衡量
第9页：优先选择柔性边缘构件和可移动支承
优先选择柔性边缘构件和可移动支承
- 方式（如桅杆）以使膜内应力尽可能均匀，避免在荷载作用下膜材出现应力集中和褶皱现象。结构应具有多道设防措施，以避免因膜材的破损造成整体结构的倒塌。单片膜的跨度不宜超过15米，覆盖面积不宜超过400平米；否则，应适当增设加强索。合理确定膜预张力的大小。PVC膜材：1～4膜材：3～8m
第10页：找形方法
找形方法
第11页：找形方法
找形方法
- 数值方法·力密度法将膜离散为由结点和线单元组成的索网结构，假定每个线单元中的力为，结点上作用荷载。根据静力平衡条件可得到节点在方向的平衡方程为：（10）
- —表示与节点邻接的各节点
第12页：定义杆单元中的内力与该单元的长度
定义杆单元中的内力与该单元的长度
- 之比为该杆单元的力密度：（
- ）
- 结点坐标列向量由杆件力密度组成的对称矩阵结点荷载列向量则所有节点平衡方程的矩阵形式为
第13页：开始输入数据形成单元节点
开始输入数据形成单元节点
- 几何拓扑关系矩阵形成力密度矩阵求解方程组DX输出数据结束力密度法形态分析程序框图12该式为一线性方程组，引入边界条件即可计算各自由节点的坐标值
- 力密度法评价力密度法避免了初始坐标输入和非线性收敛问题，特别适合于索网结构和张拉膜结构；但该方法要求外荷载与结构位形无关
第14页：动力松弛法基本原理：将结构体系
动力松弛法基本原理：将结构体系
- 系离散为节点和节点之间的连接单元，对各节点施加激振力使之围绕其平衡点产生振动，然后逐时、逐步地跟踪各节点的振动过程，直至各节点由于阻尼的影响最终达到静止平衡态。在振动过程中的任一时刻，离散结构上任一节点在坐标（=1，2，3）方向上的动力平衡方程为：13
- —节点在方向上振动时的虚拟质量；—节点在方向上振动时的虚拟阻尼
第15页：分析流程
分析流程
- 流程：将初始状态的结点速度和位移置零，在结点上施加激振力，使结点开始自由振动（假定系统阻尼为零）；跟踪体系的动能，当其达到极值时，将结点速度设为零；在节点不平衡力的作用下，结构在新的位置重新开始自由振动该过程一直重复到不平衡力满足收敛条件为止。优点是计算稳定性好，收敛速度快，而且在迭代过程中不需要形成结构的总刚矩阵，因此特别适用于大型结构的计算
第16页：非线性有限元法
非线性有限元法
- 从近似曲面开始迭代在找形之前先利用解析方法或某种数值拟合方法建立与所求解曲面近似的有限元模型，此时各控制点的坐标即为最终坐标；再在此基础上进行非线性有限元迭代，得到最终的初始平衡曲面
- 从平面状态开始迭代起始有限元模型为平面状态，此模型仅满足结构拓扑关系；在此基础上，利用非线性有限元程序，通过逐步改变控制点的坐标并进行平衡迭代，最终求得初始平衡曲面
第17页：非线性有限元法（续）
非线性有限元法（续）
- 小弹性模量假定KNL
- 非线性有限元法进行薄膜结构的形态分析时，不仅可以考虑各单元节点间的受力平衡和变形协调，同时还可考虑材料的正交异性影响。随着结构单元划分的不断加密和叠代计算次数的增加，该方法的计算结果总是不断向准确解收敛，所以说非线性有限元法是一种精确计算方法
第18页：初始形态分析实例（悬链曲面）
初始形态分析实例（悬链曲面）
本页以图片形式呈现，展示曲面几何形式与组合方式。
第19页：找形算例）确定计算
找形算例）确定计算
- 边界）划分计算网格）提升支座节点）完成曲面找形）安装支承构件）放松支承节点
第20页：裁剪设计19·裁剪分析
裁剪设计19·裁剪分析
- 是在平面膜材上放出大样，尽可能精确地拟合空间曲面上的相应条块。其实质是研究一定约束条件下的空间曲面的平面展开问题。·裁剪分析方法应包括以下四方面内容
- 确定裁剪线分布
- 将空间膜片进行平面展开
- 膜内预拉力的释放
- 膜材徐变影响的消除
第21页：测地线（短程线）法·测地线
测地线（短程线）法·测地线
- 又称短程线，是指曲面上两点间距离最短的曲线。对于可展曲面，展开平面上的测地线为直线；对于不可展曲面，展开平面上的测地线接近直线。由初始形态设计求得膜结构的空间曲面离散点坐标。根据建筑和结构上的要求确定测地线控制点的位置，计算出测地线轨迹坐标。在两条相邻的测地线间相互作垂线，将测地线和其间的垂线的中点的连线作为裁剪线。·测地线法可使膜片一条裁剪线为直边，且保证另一边界不会产生过大的弓形。主要适用于曲率较小的膜结构，当曲率较大时会不适用
第22页：为什么采用测地线
为什么采用测地线
本页以图片形式呈现，承接上一页「测地线（短程线）法·测地线」相关内容。
第23页：剪裁分析实例（鞍形曲面）
剪裁分析实例（鞍形曲面）
本页以图片形式呈现，展示曲面几何形式与组合方式。
第24页：裁剪线的确定应考虑以下因素
裁剪线的确定应考虑以下因素
- ·裁剪线布置的美观性；·根据膜材幅宽，尽量有效利用膜材；·根据膜材的正交异性特点，使膜材纤维方向与计算的主要受力方向一致
第25页：荷载分析荷载分析的目
荷载分析荷载分析的目
- 检查在各种荷载组合作用下结构的刚度是否足够，膜（或索）内的应力是否在许可范围内。·保证膜（或索）不会因变形过大导致应力松弛或因应力过大导致破坏·保证结构在风（或雪）的作用下不会因变形或振动过大而影响使用·保证结构的整体稳定·尽量减少膜面褶皱的出现
第26页：关于结构设计方法
关于结构设计方法
- 膜结构设计应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。容许应力设计法ASD极限状态设计法LRFD材料分项系数安全系数
- 荷载分项系数材料分项系数安全系数荷载组合材料5.07.0长期组合膜材2.53.5短期组合1.82.5——索
第27页：关于荷载组合膜结构设计
关于荷载组合膜结构设计
- 应考虑的荷载包括：恒荷载、预张力、活荷载、风荷载、雪荷载等。活荷载标准值取0.3m2。备注组合形式名称位移1.0恒+1.0预+1.0活（或雪）长期荷载组合位移内力1.0恒+1.0预+0.4风1.0恒+1.0预+1.4风短期荷载组合大型屋面1.2恒+1.0预+1.4雪+0.6×1.4风其它荷载组合
第28页：关于风荷载风荷载是膜结构设计
关于风荷载风荷载是膜结构设计
- 中的主要荷载。因风荷载导致的膜结构破坏在国内外均屡见不鲜
第29页：浙江苍南某收费站
浙江苍南某收费站
第30页：浙江临海化学药业基地膜结构
浙江临海化学药业基地膜结构
本页以图片形式呈现，展示结构形式与构件组成。
第31页：三亚美丽之冠膜结构顶部受损
三亚美丽之冠膜结构顶部受损
本页以图片形式呈现，展示结构形式与构件组成。
第32页：海南博敖膜结构破坏
海南博敖膜结构破坏
本页以图片形式呈现，展示结构形式与构件组成。
第33页：风荷载的确定·体型系数膜结构的风
风荷载的确定·体型系数膜结构的风
- 载体型系数应通过风洞试验或专门研究来确定；有条件时也可通过分析研究来确定。·风振系数0骨架支承式膜结构：1.2~1.50张拉式伞形和鞍形膜结构：1.5~2.0·流固耦合效应对于大型、复杂且较为重要的膜结构，其在风荷载下的动力效应，应通过风振分析或气弹模型风洞试验来确定
第34页：荷载态分析方法
荷载态分析方法
- ·膜结构的荷载响应具有大位移、小应变的特点，应采用几何非线性有限元法求解。（KLKNL）
- —外荷载向量；—节点等效力向量；KL—线性应变增量刚度矩阵；KNL—非线性应变增量刚度矩阵。非线性方程组的求解，可采用增量形式的法
第35页：对褶皱的处理·褶皱是膜材在单向拉
对褶皱的处理·褶皱是膜材在单向拉
- 应力状态下出现的平面外变形。·褶皱对膜结构的影响
- 影响美观
- 导致结构内力重分布（微风振动、应力集中）
- 导致结构局部积水、积雪，危及结构的安全。矩形膜片在面内剪切荷载作用下的褶皱
第36页：对褶皱单元的判定
对褶皱单元的判定
- ,20单元正常工作
- ,20单元退出工作
- ,20单元出现褶皱。·对褶皱单元的处理：通过修改褶皱单元的刚度矩阵来减小或忽略其对整体刚度矩阵的贡献。如果结构在荷载作用下产生较多褶皱，则说明结构的刚度不足，找形得到的曲面存在病态。此时应回到找形阶段，对曲面进行修正，即通过修改局部区域的边界条件或调整预应力的方法来修正结构的刚度
第37页：1/250（1/125）长期荷载
1/250（1/125）长期荷载
- 张拉式和索系支承式膜结构1/200（1/100）短期荷载1/250H桅杆顶点侧向位移相应规范规定骨架支承式膜结构1/15各膜单元的膜面法向位移
- 对计算结果的校核·位移控制条件·应力控制条件各种荷载作用下膜面各点的最大主应力应满足下列要求
第38页：膜结构节点具有传递荷载
膜结构节点具有传递荷载
- 载、将结构构件连成整体和提供初始预张力施加点等作用；·在进行节点设计时，应综合考虑结构、构造、施工张拉等方面的要求
- 节点设计
第39页：节点设计的一般原则
节点设计的一般原则
- 1结构强度要求应具有足够的强度、刚度和稳定性，以保证其在各种工况下均能可靠地传递荷载，不先于主体材料和构件破坏。2对结构大变形的适应能力节点和连接应具有一定的灵活性和自由度，以释放由于大变形所引发的附加应力作用。3避免节点连接部位的膜材出现应力集中
- 在连接处的钢构件不得有毛刺、尖点或尖角
- 应在接触面处设置膜衬垫
- 必要时还应对节点附近的膜材进行局部加强
第40页：对节点的防水防腐处理节点连接件的材料
对节点的防水防腐处理节点连接件的材料
- 宜选用不锈钢或铝材，对钢构件必须做镀锌或涂装处理。膜节点自身也应具有良好的防水性能，一般可通过在节点上面增加一层覆盖膜来解决。5施工张拉要求应考虑预张力施加方式和施力点位置等因素，保证施力点处的节点具有较高的强度、刚度且便于机具操作。还应考虑结构安装偏差与二次张拉的可能性，使某些节点部位具有一定的可调节性
第41页：膜膜连接
膜膜连接
- 缝合连接口缝合连接是一种传统的织物连接方式，主要在工厂内制作完成；其特点是比较经济，且质量容易得到控制。口由于缝合连接的强度较低，因此一般应用于不能采用其他连接方式，或膜内应力较小及非受力构造连接处。口此外，在结构的排水区也应慎用缝合连接
第42页：膜膜连接
膜膜连接
- 粘合或热合连接口粘结连接是通过粘合剂将膜片粘合在一起。这种连接方式的耐久性较差，一般用于强度要求不高、现场临时修补或无法采用其它连接方式的地方。口热合连接是将膜材迭合部分的涂层加热融合，并对其施加一定时间的压力，使两片膜材牢固地连接在一起。口热合连接强度可达到母材强度，因而是一种较为安全有效的膜材连接方式
第43页：膜膜连接
膜膜连接
- 束带连接口束带连接是利用束带穿过膜边的环圈从而将两片膜连在一起的一种可调解的膜材连接方式。口其优点在于安装时便于调整形状、根据情况分步增减拉应力；缺点是扎紧和放松束带将消耗大量的人工。口为保护束带节点免受气候影响，通常在其上面增加一层覆盖膜
第44页：膜膜连接
膜膜连接
- 螺栓连接口螺栓连接是是一种现场连接方式，一般适用于结构规模较大，需将膜材分成几个部分在现场拼接的情况。口螺栓连接的缺点是，由于膜材与金属连接件在荷载作用下的变形不一致，因此易导致相连膜片间的延性不连续，从而有可能在此部位出现应力集中。口此外，在螺栓连接中对金属件的防水、防腐处理也是需要注意的问题
第45页：膜索连接束带连接膜与谷索连接由于
膜索连接束带连接膜与谷索连接由于
- 索与膜之间的材料差异，应使两者之间留有一定的空隙，以适应在荷载作用下膜与索之间可能产生的相对滑动。索套连接螺栓连接
第46页：柱顶连接构造
柱顶连接构造
本页以图片形式呈现，展示构件细部构造做法。
第47页：膜与钢结构的连接
膜与钢结构的连接
本页以图片形式呈现，承接上一页「柱顶连接构造」相关内容。
第48页：
第49页：
第50页：索与钢结构的连接
索与钢结构的连接
本页以图片形式呈现，承接上一页「膜与钢结构的连接」相关内容。
第51页：
第52页：制作与安装·材料
制作与安装·材料
- 检查·确定裁剪线·展平·确定补偿系数·裁剪·焊接·检测·插入节点·运输·安装
第53页：开卷检查同一工程宜使用同一批号
开卷检查同一工程宜使用同一批号
第54页：材料检测
材料检测
本页以图片形式呈现，承接上一页「开卷检查同一工程宜使用同一批」相关内容。
第55页：确定裁剪线
确定裁剪线
本页以图片形式呈现，承接上一页「材料检测」相关内容。
第56页：确定裁剪线（续）
确定裁剪线（续）
本页以图片形式呈现，承接上一页「确定裁剪线」相关内容。
第57页：确定补偿系数
确定补偿系数
本页以图片形式呈现，承接上一页「确定裁剪线（续）」相关内容。
第58页：自动裁剪
自动裁剪
本页以图片形式呈现，承接上一页「确定补偿系数」相关内容。
第59页：自动裁剪（续）
自动裁剪（续）
本页以图片形式呈现，承接上一页「自动裁剪」相关内容。
第60页：热合强度检测
热合强度检测
本页以图片形式呈现，承接上一页「自动裁剪（续）」相关内容。
第61页：插入节点
插入节点
本页以图片形式呈现，展示节点连接做法与构造细节。
第62页：安装风力大于三级或气温低于4度时
安装风力大于三级或气温低于4度时
第63页：竣工验收
竣工验收
- 外观检查膜面应无明显污渍、串色现象，无破损、划伤；表面无积水凹坑，基本无褶皱
- 排水防水检查可采用自然或人工淋水实验检查排水是否顺畅
- 文件记录检查）结构施工图、竣工图和设计变更文件。2）有关材料的质量证书和试验报告。3）所有构件的制作过程质检记录。………
第64页：维修保养
维修保养
- 竣工后的第3、6、12个月，施工单位应对工程进行常规检查，包括必要的预应力补强和零部件加固
- 膜结构应定期清洗，并且选用专用清洗剂
- 膜结构应定期检查；检查内容包括：膜面是否出现较大变形，是否存在较大的预张力损失，膜面是否存在局部撕裂和涂层剥落现象，是否排水通畅等
- 在强降雪地区，应有必要的融雪、排雪应急措施
第65页：致谢与结束页
致谢与结束页
膜结构设计理论一节的结束页，位于膜结构维修保养要求之后。
