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                膜結構建筑工程力學原理與發展歷程

                膜結構建筑工程力學原理與發展歷程

                作者:靚建小編????來源:靚建膜結構????發布時間:2021-01-12 08:51:16????瀏覽量:

                  1、 膜結構的發展

                  膜結構作為生活空間外表面的一種結構形式,自古就存在。它在古代被用于建造簡易房屋,用草席、獸皮、羊毛織物等皮革建筑,用簡單的木柱,用繩子固定在地面上。本發明的皮膜質輕而結實,富有柔軟性,便于搬運、臨時定形和重復使用?,F在它仍被用于旅游、教育和人們生活中??梢哉f,它來源于皮革薄膜的應用

                  現代薄膜結構開始在雜技團的帳篷中使用。第二次世界大戰后,以空氣膨脹代替柱的充氣膜結構開始出現并得到廣泛應用。膜結構的優點是價格低廉,短空間內可建造大空間。這口井不僅存在于雜技團的帳篷中,也存在于現代的膜結構中。由于近年來新材料的進一步發展,在永久性建筑中使用這種結構的例子很多。

                  二戰后,薄膜結構劇場帳篷試圖擺脫舊馬戲團帳篷而成為一種現代結構體系,標志著空氣膜結構的出現:很初的嘗試開始于美軍設施。

                  1957年,沃爾特·伯德從美軍雷達穹頂、營房和倉庫的建造經驗中認識到充氣膜結構的實用性,用彩川充氣膜結構建造了一個簡易的私人游泳池棚。通過《生活》雜志等媒體的引進,這種結構在世界上廣為人知,世界各地也進行了各種嘗試。

                  美國館(建筑設計:l大豐寺;結構設計:藍色網格)是一個典型的充氣穹頂。在長軸長約142m,短軸長約83.5m的橢圓平面形狀的壓縮環內側,采用索拉剛度強化的“玻璃纖維布-聚氯乙烯涂層”膜的內氣壓略高于外氣壓(水柱30mm)汞柱為2.3mm)。它通常用水柱來表示,所以屋頂結構就是這樣形成的。與跨度相比,穹頂的特點是垂度非常低[6.lm]。在低垂度穹頂結構中,風荷載是均勻分布的(吸力),這對膜結構的設計非常有利。這一特性極大地促進了低弧垂充氣穹頂的發展

                膜結構建筑工程

                  2、 充氣膜結構的力學原理

                  在膜結構中,利用氣壓使膜產生張力,以抵抗結構的外力,稱為充氣膜結構。根據充氣膜結構力學性能的不同,可分為氣承式充氣膜結構和管狀充氣膜結構(圖1和圖2)。充氣膜結構是將大面積的膜固定在膜的周圍,利用膜內外側的氣壓差產生張力而形成的結構。很典型的結構是將空氣充入被切割成圓頂形狀的膜表面,使膜表面凸起形成圓頂結構。這種圓頂叫做充氣圓頂。圖1(a)。兩種薄膜的力學性能與充氣圓頂基本相同。這種結構稱為氣承式結構??諝猓褐谓Y構。

                  為了使膜張緊,不必使圓頂內部的壓力高于圓頂外部的壓力。只要滿足適當的支承條件,穹頂的內壓就低于外壓,膜的表面張力也可以產生[圖1(c)]。

                  充氣管膜結構是在管膜中填充空氣形成的,可以理解為用空氣代替香腸肉填充管膜。直管膜水平膨脹形成梁[膨脹梁,圖2(a)],彎曲管膜膨脹形成拱[膨脹拱,圖2(b)]。將幾個這樣的充氣梁或拱門并排連接起來,可以創造出建筑空間。平行梁或拱不是相互獨立的,而是通過連接構件連接成一個整體。管狀充氣膜結構稱為充氣結構。

                  如上所述,充氣膜結構需要在內部和外部之間產生壓力差

                  此時,氣承式充氣膜結構和充氣管狀充氣膜結構所需的氣壓差相差很大。

                  氣承式充氣膜結構一般采用0.002-0.010kg/cm2(水柱20-100mm)的氣壓差,不需要根據建筑物的大小而改變。相比之下,充氣管膜結構所需的空氣壓差為01~1kg/cm2(水柱1000~10000mm)。在相同形狀的梁(拱)中,所需的風壓差隨著建筑規膜的增大而增大。換言之,充氣管膜結構的機械效率低于空氣支撐膜結構。為了找出效率低的原因,我們研究了在平板膜和空氣壓力差產生的空氣束上施加相同載荷的情況(圖3)。拿出一部分膜在荷載作用下的變形來研究(圖4),膜張力會因膜的變形而產生向上的力,而膜趨于恢復原狀。在相同條件下,對部分充氣梁進行了研究(圖5)。充氣梁的外皮產生與飛機膜相同的向上的力,但梁內壓縮空氣的壓力產生向下的力,從而消除了充氣梁膜恢復原狀的趨勢。這就是充氣膜結構的效率低于氣承式充氣膜結構的原因。平板面罩和充氣梁,即充氣穹頂和充氣拱門之間的關系沒有任何變化。也就是說,與充氣穹頂相比,充氣拱不得不說是一種效率較低的結構。然而,充氣拱結構由于其獨特的優點而被廣泛采用。必須保持充氣圓頂內外的氣壓差。出穹頂時,必須通過空氣關閉出入口(旋轉門、前室等),非常不方便。相比之下,充氣拱結構的室內空氣壓力與室外空氣壓力相同,進出口完全打開。此外,以富士館為例,可以看出充氣拱形結構可以形成與氣承式充氣穹頂結構完全不同的建筑形式?;谶@些原因,

                  充氣膜結構和充氣膜結構有望在未來共同發展

                  3、 非充氣膜結構

                  充氣薄膜結構作為一種用薄膜覆蓋空氣的方法,有許多優點,但也有缺點。很大的問題是維修管理??傊?,在建筑物存在的過程中,這種結構需要一直用風機吹風。與正常情況相比,許多空氣穹頂在雨雪天氣需要增加室內空氣壓力。此外,還需要有一個機制來應對偶爾的停電。近年來,這種轉換大多是自動的。為了保證改造如常進行,需要不斷的維護和管理,經濟負擔非??捎^。

                  因此,自古以來,人們就一直需要無曝氣的膜結構。在膜表面施加張力而不充氣的方法自古以來就被使用,如雜技團的帳篷。目前,很常用的方法(稱為懸式膜)是通過立柱將固定在底部的膜面頂部抬起,在鞍形曲面的邊界之間拉伸膜面來對膜施加預應力。與充氣膜結構相比,該方法形成的膜形具有更明顯的氣密性。

                  而且,還有這樣一種結構(稱為骨架膜結構):主要受力由鋼結構的骨架承擔,而膜只起骨架構件之間張力過渡的作用。

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