大空間張拉膜結(jié)構(gòu)體系的受力特征和構(gòu)造

關(guān)鍵詞：大空間；建筑結(jié)構(gòu)；張拉膜結(jié)構(gòu)；受力特征；構(gòu)造體系 

　　張拉膜結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑工程項(xiàng)目中一個(gè)全新的空間結(jié)構(gòu)體系，其伴隨科技的進(jìn)步施工日益成熟。這一結(jié)構(gòu)無論是從工程的施工工藝、材料特性、結(jié)構(gòu)受力特征哪一方面分析，與傳統(tǒng)的大空間覆蓋結(jié)構(gòu)體系逐漸都存在著明顯的區(qū)別。為此，在這里我們有必要對(duì)工程結(jié)構(gòu)的受力體系，受力特點(diǎn)和構(gòu)造情況進(jìn)行研究和分析。 

　　一、張拉膜結(jié)構(gòu)概述 

　　張拉膜結(jié)構(gòu)是目前建筑工程項(xiàng)目中較為常見的工程結(jié)構(gòu)之一，其在施工中是由穩(wěn)定性好、支撐桅桿體系可靠的施工優(yōu)勢(shì)。在目前的工程項(xiàng)目中，它主要是由抹面、支撐桅桿體系以及索結(jié)構(gòu)等多個(gè)環(huán)節(jié)組成的。 

　　1.張拉膜結(jié)構(gòu)組成 

　　張拉膜結(jié)構(gòu)是由表面膜布、基層共同組成的，其中膜布主要是化學(xué)纖維織物薄膜生產(chǎn)的，其又分為了基層化學(xué)纖維織物和外層化學(xué)纖維織物兩種�；鶎踊瘜W(xué)纖維織物主要是以玻璃纖維為主構(gòu)成的，它最大的作用在于決定著整個(gè)膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、材料的抗拉強(qiáng)度等；其中外層膜層主要是由有機(jī)硅樹脂組成的，它主要是用來解決材料半身存在的物理性質(zhì)，提高材料的耐火、防水以及耐久性的作用。一般來說，張拉膜結(jié)構(gòu)的整體性都是有膜布特性決定的，它既是結(jié)構(gòu)的主要原材料，也是工程結(jié)構(gòu)的主要維護(hù)材料，是一個(gè)將自由曲線的造型、透明質(zhì)感有機(jī)統(tǒng)一起來，然后進(jìn)行工作的結(jié)構(gòu)維護(hù)材料。 

　　2、張拉膜結(jié)構(gòu)的作用 

　　張拉膜結(jié)構(gòu)是依靠膜材自身的張拉應(yīng)力與支撐桿、拉索共同組成的一個(gè)結(jié)構(gòu)體系，在陽光的照射下它可以反射出建筑結(jié)構(gòu)的陽光要求，是一個(gè)充滿著自然光，不存在任何強(qiáng)反差的著光面。同時(shí)，這一結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得室內(nèi)空間視覺效果極為良好，有著開闊視野和和諧結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。在夜間，建筑物內(nèi)的燈光通過膜材結(jié)果投射到夜空中，從而使得建筑物體型美觀變的更加突出和明顯。在現(xiàn)代化建筑工程項(xiàng)目中，張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用極為廣泛，特別是城市標(biāo)志性建筑結(jié)構(gòu)屋頂施工中，更為常見。 

　　二、張拉膜結(jié)構(gòu)受力特征分析 

　　膜結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代化建筑工程施工技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上形成的一種結(jié)構(gòu)形式，它以性能優(yōu)良為代表，以組織結(jié)構(gòu)科學(xué)為前提構(gòu)成的，是利用空氣壓力支撐膜面為基礎(chǔ)，或者是利用柔性鋼索、剛性支撐結(jié)構(gòu)將面層繃勁而形成的一種具備著一定剛度、能夠覆蓋大空間、大跨度、大開間結(jié)構(gòu)面的一種結(jié)構(gòu)體系。張拉膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代化建筑工程項(xiàng)目中應(yīng)用極為廣泛，已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型工作中的主要方案。 

　　1、張拉膜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性分析 

　　膜布是一個(gè)由橫向、豎向相互交錯(cuò)的纖維織物組成的，由于纖維織物本身是一個(gè)柔性材料，是一個(gè)自身強(qiáng)度好且依靠著張拉力產(chǎn)生的剛度、穩(wěn)定性好的預(yù)應(yīng)力靜態(tài)結(jié)構(gòu)。為此其在應(yīng)用中存在著良好的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時(shí)膜布結(jié)構(gòu)在平衡狀態(tài)下存在著兩個(gè)突出的作用，一個(gè)是凸出，另外一個(gè)是凹下，而纖維股則剛好是一個(gè)方向上與這兩邊平行的模式，應(yīng)對(duì)這些問題在工作中必須要考慮其平衡狀態(tài)穩(wěn)定性要求。 

　　2、張拉膜基本形態(tài)分析 

　　張拉膜結(jié)構(gòu)由于膜受到張拉是一個(gè)空間受力狀態(tài)，其形態(tài)是空間上的自由曲面形態(tài)。這種形態(tài)在數(shù)學(xué)上定義是一個(gè)雙曲拋物面，從根本上改變了傳統(tǒng)建筑物基于壓力學(xué)原理上的空間、形態(tài)特征分布，是張拉作用下的一個(gè)直線型工作形態(tài)模式。自從1970年代以來， 膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。 膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型中的一個(gè)主要方案。成為化纖紡織品應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來在中國建筑 結(jié)構(gòu)中也有長足的進(jìn)展。 

　　張拉膜結(jié)構(gòu)體系的空間曲面的建筑屋面本身需要具備著良好的穩(wěn)定性基礎(chǔ)，同時(shí)要求能夠在外荷載的作用下具備優(yōu)異的結(jié)構(gòu)抵抗能力。張拉膜結(jié)構(gòu)體系是利用鋼索或骨架結(jié)構(gòu)懸掛或支撐膜布形成的空間結(jié)構(gòu)體系。其形式在不斷發(fā)展，根據(jù)膜布張拉方式不同，一般分為三類：（1）懸掛式膜結(jié)構(gòu)；（2）支撐式膜結(jié)構(gòu)；（3）懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)。其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的特點(diǎn)，決定界面的圍合方式。 

　　1、懸掛式膜結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系 

　　懸掛式膜結(jié)構(gòu)是人們從帳篷結(jié)構(gòu)得到啟示發(fā)展而來的，利用索網(wǎng)將膜布繃緊作為承重結(jié)構(gòu)，或是利用桅桿（支柱或壓桿）將鋼索和膜布張掛起來的構(gòu)造體系。懸掛式膜結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)特征為在脊索、谷索處和拉索之間均可以形成曲率相反的雙曲拋物面形態(tài)，形成完整而連續(xù)的空間結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，受拉優(yōu)于受壓，受壓優(yōu)于受彎。拉索充分張拉，支柱充分受壓，使材料的力學(xué)特性得以充分發(fā)揮，最大限度地利用了材料。 

　　2、支撐式膜結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系 

　　支撐式膜結(jié)構(gòu)以剛性支撐（拱、桁架、梁）為骨架，面材采用膜布，充分發(fā)揮了不同材料特性而形成的構(gòu)造體系。支撐膜結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)用了已經(jīng)成熟的大空間結(jié)構(gòu)技術(shù)，而且構(gòu)造簡單，施工方便，是一種膜材與傳統(tǒng)大空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。其具體的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為在剛性張拉構(gòu)件之間膜布形成曲率相反的雙曲拋物面，形成相間的空間結(jié)構(gòu)單元。隨著技術(shù)、材料的發(fā)展，拱、桁架、梁的構(gòu)造方式也在發(fā)生變化，其中受拉的構(gòu)件，正漸漸被拉索取代。更充分地利用了材料，形成了更為輕盈的形體和空間。 

　　3、懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系 

　　懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)是近十年發(fā)展起來的適用于巨型體育場館的新型構(gòu)造體系。由連續(xù)的張拉鋼索和不連續(xù)的壓桿構(gòu)成，荷載從中心環(huán)通過放射狀的徑向脊索，環(huán)向拉箍、中間的對(duì)角線鋼索傳向周圈的受壓環(huán)梁，是一種結(jié)構(gòu)效率極高的全張拉體系，整體索穹頂除少數(shù)幾根壓桿外都處于受拉狀態(tài)。懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)對(duì)膜布進(jìn)行張拉的力學(xué)原理是張力結(jié)構(gòu)。張力結(jié)構(gòu)是由拉索和壓桿組合成各種形態(tài)，索的拉力經(jīng)過一系列中介壓桿而轉(zhuǎn)變方向，使拉索與壓桿交織產(chǎn)生空間剛度。 

　　四、結(jié)束語 

　　大空間張拉膜結(jié)構(gòu)建筑是膜布、拉索和支撐體所形成的綜合體，整體結(jié)構(gòu)遵循膜結(jié)構(gòu)的受力特征，形成合理的構(gòu)造體系。作為一種大空間覆蓋體系，大空間張拉膜結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用前景。 

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