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膜结构怎么设计呢?膜结构的设计流程了解一下!

时间:2019-07-11 11:06:53 点击:234 次 来源:洛阳七色膜结构工程有限公司
  膜结构因为好看、经济、安全、适用广并且工期还短的优点,被广泛的应用。例如用膜结构停车棚来保护爱车,膜结构遮阳棚给夏日带来一抹阴凉,膜结构雨棚给雨中无助的你遮风挡雨。那么是怎么设计出这种实用且美观的膜结构的呢? 请随七色小编一起来看看膜结构的设计流程吧!

  一、膜结构的设计流程

  膜结构的设计由于其自身的特点不同于一般传统结构形式,技术上必须经过如下几个步骤。

  1、建筑方案设计:

  一般由建筑师根据业主的意图、功能要求、环境条件等初步确定建筑的平面形状尺寸、空间形式及三维造型、净空体量等,基本确定各控制点的坐标。考虑经济和施工工艺等技术条件,与膜结构工程师、业主及施工技术人员等一起确定经济合理的初步设计方案。

  2、找形分析:

  膜结构的形状确定问题就是确定初始状态的问题,在许多专著上被称为“找形”(FormFinding)。对于索膜结构而言,在没有施加预应力之前,是没有结构刚度的,也就是说膜结构任何时候不存在无应力状态。由于膜材料本身没有抗弯刚度,其曲面形状与预应力值的大小和分布是一一对应的,因此在控制点坐标确定后,给定一合理的预应力值及其分布,才能确定合适的膜曲面形状。

膜结构车棚效果图

  预应力值的大小与分布是需根据多方面的条件进行反复调整后综合确定的,这个过程叫做找形分析。此过程与方案设计过程往往密不可分,往往需反复调整方可即满足建筑形状的要求又保证结构的经济合理及安全可靠。
  膜结构的形状确定问题有两种类型:
  (1)给定预应力分布的形状确定问题:预先假定膜结构中应力的分布情况,在根据受力合理或经济原则进行分析计算,以得到膜的初始几何状态。
  (2)给定几何边界条件的形状确定问题:预先确定膜结构的几何边界条件,然后计算分析预应力分布和空间形状。
  肥皂泡就是最合理的自然找形的膜结构。最初的找形正是通过皂膜比拟来进行,后来发展到用其他弹性材料做模型,通过测量模型的空间坐标来确定形状,对于简单的外形也可以用几何分析法来确定,膜结构找形技术的真正发展来自计算机有限元分析方法的发展。为了寻求膜结构的合理的几何外形,需要通过计算机的多次迭代才能得到。
  常用的计算机找形方法有:力密度法、动力松弛法、有限元法。

  3、荷载分析:

  膜结构的荷载分析是在形状分析所得到的外形与初始应力分布的基础上进行的,检查结构在各种荷载组合下的强度、刚度是否满足预定要求的过程。在荷载作用下膜结构的变形较大,因此精 确计算结构的变形和应力分布要用几何非线性的方法进行。根据不同工况下计算出的索、膜、梁、杆等结构构件中的内力分布的最不利情况,来选定索、膜等材料的型号及尺寸,确定详细的节点做法及构造措施等。因此,经济安全的索膜建筑必须经过仔细的内力分析后才能完成,不是凭经验拍脑袋就能确定得了的。
  荷载分析的另一目的是检验确定索、膜中初始预应力,一般来说在找形分析时先根据经验假定一预应力值及其分布,然后经荷载分析来判定其合理性,即预应力的大小与分布应使在最不利工况下必须满足使用要求、整体和局部位移要求及排水功能等要求。
  膜结构的找形有不同的理论方法,但荷载分析基本上都采用非线性有限元法,即将结构离散为单元和结点,单元与单元通过结点相连,外荷载作用在结点上,通过建立结点的平衡方程,获得求解。
  由于索膜结构是大变形问题,在推导有限元方程时,需考虑位移高阶项对应变的影响,即考虑几何非线性。当然,膜材本身也是非线性的,在工程应用上时,材料的非线性问题一般不予考虑。
  (1)风荷载作用

  膜结构区别于传统结构的两个显著特点是轻和柔。轻,意味着结构自身重量和惯性力小,自重不是主要荷载,地震力可以忽略不计,而风是主要荷载;柔,意味着结构无抗弯刚度,结构对外荷载的抵抗是通过形状改变来实现的,表现出几何非线性特征。膜结构的特点决定了膜结构是风敏感结构,抗风设计在膜结构设计中处于主要地位。

  膜结构轻、柔、飘的显著特点决定了膜结构抗风计算的内容也有自身特点。

景观膜结构效果图

  (2)膜面褶皱问题
  结构上的褶皱是指因膜面在一个方向上出现压应力导致膜材屈服而产生的褶皱现象,而结构松弛是指膜面在两个方向上都呈现无张力状态,故松弛的膜面不能承受任何荷载。

  4、剪裁分析:

  剪裁分析就是在预应力状态下的曲面形体上寻求合理的裁剪线位置及其分布,然后按照一定的方法将三维曲面展开为二维平面。为物尽其用,一般要按照膜材料幅宽进行裁剪,但要兼顾到膜曲面曲率变化情况。由于膜材料具有双向异性性质,故裁剪线的布置要与计算时所设定的膜材经纬向一致,才能保证计算结果与实际相符。
  膜材料的裁剪下料通常是在无应力状态下进行的,如何在预应力的形体上进行无应力状态下的裁剪分析,国内外学者都已进行了较为深入的研究,提出了诸如几何法、最小二乘法、动态规划法与平面热应力原理相结合的有限单元法等多种方法,但在实际工程中还必须考虑以下几点:
  (1)确定膜的经纬向布置及膜片之间现场拼接缝位置,膜的经纬向布置会影响观瞻、膜材的利用率、制作的工作量等,还须与计算模型相吻合。现场拼接缝处理不当容易漏雨,所以一般在脊处作为现场拼接缝比较合适。
  (2)膜材与硬边界的连接点处,应考虑特殊的补偿值,以便于安装。
  (3)必须保证索边界的工作点不变,对于其它硬性边界,由于构件本身存在一定的空间尺度,可根据实际情况改变膜的工作点或保持膜的工作点不变,变换连接构件的做法,但一般说来后者较困难一些。另外,边角处膜的剪裁应严格按照实际结构构造做法尺寸进行裁剪。
  (4)膜的剪裁要充分利用膜材料的幅宽,即考虑了热合搭接长度、预应力伸缩补偿、边界做法等因素后,裁出的膜片要尽量接近膜材的幅宽,以提高膜材的利用率。
  我们知道了膜结构的设计流程,但是决定最 后设计是否合适,还要注意一点,那就是膜结构在设计中的注意事项,了解这些注意事项,才能更好的设计出好的膜结构,继续往下看吧!

  二、膜结构在设计中的注意事项

  1、预张力的大小及张拉方式。
  2、根据控制荷载来确定膜片的大小和索的布置方式。

  3、考虑膜面及其固定件的形状以避免积水(雪)。

膜结构建筑效果图

  4、关键节点的设计,以避免应力集中。
  5、考虑膜材的运输和吊装。
  6、耐久性与防火考虑。
  看完文章后,解开您心中的谜团了吗?知道那些好看实用的膜结构是怎么设计了吧,都是需要经过每一步的分析,仔细的思考确认,制作模型进行测试。那些好看的膜结构也都是每一位设计师的心血,膜结构设计、制作、安装及维护,请找洛阳七色膜结构工程有限公司,专业的设计,专业的施工,专业的服务,将最 好的膜结构工程呈现给您!
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