膜結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展及力學(xué)原理

時(shí)間：2019-07-02作者：宿遷麗景膜結(jié)構(gòu)有限公司瀏覽：256

一、膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展
膜結(jié)構(gòu)作為居住空間的外表面的結(jié)構(gòu)形式,在很遙遠(yuǎn)的古代就已經(jīng)有在,將草席和獸皮、毛織物等皮樓用簡(jiǎn)單的木柱等**起,用繩子固定在地面上構(gòu)成穩(wěn)定的簡(jiǎn)單住宅,這種建造方式在上古時(shí)代就開始應(yīng)用了。皮膜質(zhì)量較輕且堅(jiān)固,富含柔軟性,搬運(yùn)、臨時(shí)設(shè)置、重復(fù)使用都比較便利,現(xiàn)在游教民中仍然還有應(yīng)用,可以說,源于皮膜的應(yīng)用.
近代的膜結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于雜技團(tuán)的帳篷。*二次世界大戰(zhàn)后,不使用柱子而采用空氣膨脹方式的充氣膜結(jié)構(gòu)也開始出現(xiàn),并大范圍地普及開。膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是,只有價(jià)格較低,短間內(nèi)建造出大空間,這井不是只存在于雜技團(tuán)的帳篷,現(xiàn)代的膜結(jié)構(gòu)也同樣有這種特征。由于近年來新材料的進(jìn)一步開發(fā),有很多此類結(jié)構(gòu)在恒久建筑物上應(yīng)用的例子。
在二戰(zhàn)后.膜結(jié)構(gòu)戲團(tuán)帳篷的嘗試著擺脫舊馬戲團(tuán)帳篷的面貌并成為現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)體系,以空氣膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為標(biāo)志:較初的嘗試開始于美國(guó)的*設(shè)施。


從美軍的雷達(dá)穹**及兵營(yíng)、倉率等建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)積累中認(rèn)識(shí)到充氣膜結(jié)構(gòu)的有用性的沃爾特·伯德,在1957年,采川充氣賡結(jié)構(gòu)建造了私家游泳池簡(jiǎn)易棚。通過《生活雜志》和其他的媒體的介紹,此結(jié)構(gòu)在世界上廣為人知,世界各地也開始進(jìn)行各種嘗試。
美國(guó)館(建筑設(shè)計(jì):L戴蜂斯;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):藍(lán)格)是典型的充氣穹**。在具有近似于長(zhǎng)軸142m,短軸83.5m的橢圓的平面形狀的壓環(huán)的內(nèi)側(cè),用索張拉剛度加強(qiáng)的皮膜《用聚飄乙烯嘎涂的玻穗纖緣布),室內(nèi)的氣壓相對(duì)于外側(cè)氣壓要稍微高(用水柱為30mm、用水銀柱為2.3mm由于值較小。通常用水柱表示).所以這種方式構(gòu)成屋面結(jié)構(gòu)。與跨度相比,此穹**的特征是垂度非常低〔6.lm)。垂度低的穹**中,風(fēng)荷載分布比較均勻(吸力),這對(duì)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常有利。此性質(zhì)較大促進(jìn)了之后的低垂度充氣穹**的發(fā)展

二、充氣膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理
在膜結(jié)構(gòu)中,利用氣壓使膜產(chǎn)生張力,以此來抵抗外力的結(jié)構(gòu),稱為充氣膜結(jié)構(gòu)。根據(jù)充氣膜結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的不同進(jìn)行分類,可分為氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)和氣脹式管狀充氣膜結(jié)構(gòu)。氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)是把大面積的膜材周邊固定,利用膜內(nèi)外兩側(cè)的氣壓差使膜產(chǎn)生張力而形成的結(jié)構(gòu)。較典型的結(jié)構(gòu)是將空氣充入裁剪成穹**形狀的膜面內(nèi)部,使膜面鼓起形成穹**結(jié)構(gòu)這種穹**被稱為充氣穹**圖1(a)。將空氣充入周邊牢固固定的2片膜之間,2片膜各自的力學(xué)性質(zhì)與充氣穹**基本相同。這類結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱為氣承式。充氣膜結(jié)構(gòu)(air: supported structure)。
為使膜產(chǎn)生張力,不一定要使穹**內(nèi)部的氣壓比外部氣壓高。只要具備應(yīng)有的支承條件,穹**內(nèi)部氣壓**外部氣壓,也可以使膜面產(chǎn)生張力。
氣脹式管狀充氣膜結(jié)構(gòu),是在制作成管狀的膜材內(nèi)充人空氣而形成的結(jié)構(gòu),可形象地理解為用空氣代替香腸肉來塞滿管狀膜。筆直的管狀膜充氣鼓脹水平放置,可得到梁[充氣梁,圖2(a);彎曲的管狀膜充氣鼓脹形成拱[充氣拱。把多根這樣的充氣梁或拱并排連接起來,可創(chuàng)造出建筑空間。并列的梁或拱并不是相互獨(dú)立的,而是用連接構(gòu)件連接成整體使用。管狀的充氣膜結(jié)構(gòu),被稱為氣脹式充氣膜結(jié)構(gòu)( air-inflated structure)。
如上所述,充氣膜結(jié)構(gòu)需要在膜的內(nèi)部和外部氣體之間產(chǎn)生氣壓差,此時(shí)所需的氣壓差值,在氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)和氣脹式管狀充氣膜結(jié)構(gòu)中有很大不同。
通常,在氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)中,采用0.002-0.010kg/cm2、(水柱20~100mm)的氣壓差,此氣壓差值不需要根據(jù)建筑物規(guī)模的大小而改變。與此相對(duì),氣脹式管狀充氣膜結(jié)構(gòu)中,所需的氣壓差為01~1kg/cm2(水柱1000~10000mm),在同樣形狀的梁(或者拱)中, 隨著建筑物規(guī)模的增大,所需要的氣壓差也隨之增大。也就是說,氣脹式管狀充氣膜結(jié)構(gòu)與氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)相比力學(xué)效率較低。為了弄清楚效率較低的原因,對(duì)氣壓差產(chǎn)生張力的平面膜與空氣梁上施加相同荷載作用下的狀況進(jìn)行研究(圖3)。拿出荷載作用下產(chǎn)生變形的膜的一部分進(jìn)行研究(圖4),膜的張力由于膜的變形會(huì)產(chǎn)生向上的力,膜有回到原先狀態(tài)的趨勢(shì)。相同條件下對(duì)充氣梁的一部分進(jìn)行研究(圖5),充氣梁的膜外皮,會(huì)產(chǎn)生與平面膜相同的向上的力,但是梁內(nèi)壓縮空氣的壓力反而產(chǎn)生方向向下的力,使得充氣梁的膜回到原先形態(tài)的趨勢(shì)被抵消。這就是氣脹式充氣膜結(jié)構(gòu)與氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)相比效率較低的原因。將平面膜與充氣梁彎曲,即做成充氣穹**和充氣拱,這種關(guān)系一點(diǎn)也沒改變,也就是說,與充氣穹**相比,充氣拱不得不說是效率較低的結(jié)構(gòu)。盡管這樣,使用充氣拱結(jié)構(gòu),是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)具有特定的優(yōu)點(diǎn)。充氣穹**必須經(jīng)常保持穹**內(nèi)部與外部空氣的氣壓差,出人穹**時(shí),一定要通過空氣密閉出入口(旋轉(zhuǎn)門與前室等),會(huì)感覺非常不方便。與此相對(duì),充氣拱結(jié)構(gòu)的室內(nèi)氣壓與室外氣壓相同,出入口完全自由地開放。并且,以前述富士群館為例可以看出,氣脹式充氣拱結(jié)構(gòu)可以形成與氣承式充氣穹**結(jié)構(gòu)完全不同的建筑造型。由于以上這些理由。


三、非充氣膜結(jié)構(gòu)
充氣膜結(jié)構(gòu)作為用皮膜覆蓋空氣的方法,具有多種優(yōu)點(diǎn),但也有缺點(diǎn)。較大的問題是維護(hù)管理。簡(jiǎn)而言之,此結(jié)構(gòu)在建筑物存在期間,需要時(shí)時(shí)刻刻用送風(fēng)器進(jìn)行鼓氣。相對(duì)于平常情況,在積雪時(shí)和暴風(fēng)時(shí),許多的空氣穹**需要增加室內(nèi)氣壓。并且,需要有應(yīng)對(duì)偶爾停電的機(jī)制。近年,這種轉(zhuǎn)換大多完全是自動(dòng)進(jìn)行,為了確保如通常情況那樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換,需要不斷地維護(hù)管理,經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)非常可觀。
因此,對(duì)于不使用充氣的膜結(jié)構(gòu)的需要,自古以來就源源不絕。對(duì)不使用充氣的膜面施加張力的方法,從古代就已經(jīng)開始,如雜技團(tuán)的帳篷。用柱子**起底部固定的膜面**部,在馬鞍形曲面的邊界之間張拉膜面等,這些對(duì)膜施加預(yù)應(yīng)力的方法,在目前還是較普遍的方法(被稱為懸置膜)。與充氣膜結(jié)構(gòu)相比,以這種方法形成的膜造型較有鮮明的緊繃感。
并且,也存在這么一種結(jié)構(gòu)(被稱為骨架膜結(jié)構(gòu)):主要受力由鋼結(jié)構(gòu)等的骨架承擔(dān),膜僅作為骨架構(gòu)件間張拉過渡的角色。

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  詞條說明

• 如何辨別膜結(jié)構(gòu)材料好壞？

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