现代膜结构的应用与研究

(成都理工大学 四川 成都 610059)

膜结构在二十世纪八十年代开始出现在中国内地，最初仅仅借鉴国外的膜结构技术建造了规模不大的挑棚膜结构，随着膜结构在国内的发展，其优异的外观形状和自身自洁性收到了广大人民的喜爱。膜结构开始大规模出现在国内，在1997年在上海更是开创性的建造了面积高达36100平米的体育场挑棚。根据工况的不同膜结构的种类和形式的选择也不同。

一、膜结构的类型

依据膜结构的受力特点和其结构形式可以将膜结构分为空气支承式膜结构和张拉式膜结构。空气支撑式膜结构利用膜内外空气的的压强差对膜面施加预应力进行支撑。采用空气支撑式膜结构由于自重轻其跨度可以发挥到最大。空气支撑式常见于一些大型的体育场。张拉式膜结构通过刚性杆构件和柔性的拉锁支撑膜面，在对膜面施加预张力使膜面具有一定的刚度能抵御外荷载对它的影响。张拉式膜结构常见于体育场、停车场和飞机场。空气支承式膜结构根据其功能特性又可以分为气肋式膜结构、气枕式膜结构和气承式膜结构。张拉膜结构根据结构形式又可以分为骨架支撑式膜结构、索系支撑式膜结构和张拉式膜结构。

二、膜结构的研究

膜结构在世界各地都开始成为主流建筑，随着膜结构的建筑增多相应的，膜结构发生的事故也越来越多。由于膜结构自重轻、跨度大、刚度小对外界荷载十分敏感受到风/雨/冰雹等冲击荷载的影响较大，这些荷载作用在膜面上，导致膜面内力松弛使膜面发生变形，严重时甚至会破坏膜面。因此对于膜结构的研究是非常重要的。

选择比较典型的张拉膜结构作为分析，张拉膜结构在受到冰雹冲击荷载作用下会发生非线性振动相应。首先采用数值模拟ANSYS软件建立模型，并对整个膜面施加温度荷载进行找形分析，在膜面分析完成后，将张拉膜结构的有限元模型导入到LS-DYNA中模拟冰雹冲击膜面后发生的动力响应。在参数设置完成后模拟冰雹冲击膜面，设置不同直径的冰雹冲击膜面的动力响应如图示：

取膜面的一个微单元并使用拉梅系数建立膜面微单元。假设膜面的弯矩为零，则膜面的平衡微分

N12ABdαdβ-N21ABdαdβ=0

其中N12，N21为微单元剪切应力N1，N2为微单元应力，α，β为经线和纬线。ρ为膜材料的密度，h为横截面的高度，A和B为拉梅系数。

其中膜面的几何方程为

协调方程为

冰雹在下落过程中达到的最大末速度：

由上式看出冰雹在下落的过程中由于其直径的不同所受到的阻尼也不同：

当0.5cm≤d≤5.0cm时，Cd=0.41d0.185；

当5.0cm≤d≤7.5cm时，Cd=0.575-0.0208(d-4)2；

当6.4cm≤d≤16.0cm时，Cd=0.109d0.253。

将求解得到的冰雹荷载带入到膜结构非线性振动方程中解得魔免在冰雹冲击荷载下的非线性振动解。

三、膜结构的应用

膜结构近几年越来越受欢迎，20世纪60年代建筑师从帐篷建筑中找到了灵感。联想到了运用帐篷的结构形式去修筑建筑。引发了新的建筑概念。当时一提出就受到了大部分人的关注和研究，到目前为止膜结构已得到广泛应用。

1967年奥托为德国设计了世界著名的膜结构建筑，蒙特利尔世博会的德国馆。其建筑面积高达8000平方米，使用了8根钢铁的桅杆和50厘米直径钢缆结成的索网支撑起半透明的白色涤纶帐篷。世博会德国馆的建立奠定了膜结构的发展也引领着膜结构飞速发展它时第一座使用膜结构的大跨度建筑，同时也标志膜结构进入了新的发展阶段。在1972年又建立了Munich奥林匹克中心，该结构的形式与德国馆类似，但是，在该设计中解决了柔性索网屋面与3223、3235、3208、3226，平均值：꾴单次实验标准偏差：

核查常数：H=RSD6(定量)±2×s(RSD6(定量))=0.32%±0.10%，

即0.22%≤H≤0.42%(P=95%)。

(二)第二次进行核查时

(三)核查数据分析

第二次进行核查时单次实验标准偏差：s2=0.38%，其核查结果处于0.22%≤H≤0.42%区间之内，因此核查结果处于核查控制区间范围，核查结果满意[3]。

五、结束语

检测和校准实验室通过期间核查实施分析仪器质量控制状态，当发现质量控制数据将超出预先确定的判据时，应遵循已有的计划采取措施来纠正出现的问题，并防止报告错误的结果。期间核查是实验室测量数据可信性、可靠性和可比性的一部份，当发现数据超出预先确定的判据时，实验室应采取有计划的措施来纠正出现的问题，防止量值溯源失准，比如从环境条件控制、人员技术水平、增加核查次数等方面进行[4]。