膜结构是一种极具活力的空间结构形式, 以性能优良、造型多样而得到广泛百富策略白菜网, 但是由于自身轻质、刚度小等缺陷, 对外荷载十分敏感。因此, 膜结构引起了诸多学者的关注。

膜结构起源于远古时代的帐篷, 1946年美国的Water Bird设计的世界上第一座充气膜结构建成标志着膜结构建筑正式出现。1967年, 第一届国际充气结构会议在德国斯加图召开, 促进了充气膜结构的发展, 随后1970年的大阪世界博览会上便出现了各式各样的充气膜结构, 其中美国馆 (图1) 和富士馆 (图2) 尤为突出[1]。

20世纪70年代, 索膜结构得到迅速发展, 出现了整体张拉式膜结构。1967年, Otto创造性地结合了索和膜, 设计出加拿大蒙特利尔博览会德国馆 (图3) , 这是历史上首个真正意义的张拉式膜结构。20世纪80年代开始兴起骨架支承式膜结构, 中国香港大球场 (图4) 和科隆坡国家体育综合体室外体育场极具代表性。早在20世纪50年代, 美国建筑师Fuller就提出张力集成体系的概念, 后来David Geiger在此基础上提出了索穹顶的概念。最著名的当数伦敦格林威治半岛上的千年穹顶 (图5) 。

中国膜结构发展起步较晚。1995年建成的北京房山游泳馆和鞍山农委游泳馆, 是中国空气支承膜结构在工程中的第一次百富策略白菜网, 标志着中国膜结构工程建设正式启动。1997年建成的上海八万人体育场 (图6) , 首次将PTFE膜材用于体育场看台的挑蓬, 成为中国历史上首座永久性大型骨架支承式膜结构建筑。随后大型膜结构建筑不断涌现。纵观膜结构的发展历史, 膜结构以其优越的实用性和美观性得到越来越多人的青睐, 必将随着中国科学技术理论的不断发展而得到更加广泛的百富策略白菜网。

膜结构的设计选型应根据建筑造型需要和支承条件等因素综合考虑, CECS 158:2015《膜结构技术规程》[2]将膜结构选型分为以下4类:空气支承式膜结构、整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构和索系支承式膜结构。

空气支承式膜结构具有密闭的充气空间, 并设置维持内压的充气装置, 保证结构内外的气压差。膜材通过气压差产生一定的张力, 从而具有一定的刚度, 满足设计所需的曲面形状。具有包括气承式、气肋式和气枕式 (图7) 。

气承式膜结构由单层膜材组成, 结构内部鼓吹的空气使膜材受到向上气压而起拱, 同时产生一定的张力使结构体系具有一定的刚度。必要时还可在膜面添加钢索, 增强结构抵抗外荷载的能力。

气肋式和气枕式膜结构都是向单个封闭的膜内充气, 使构件保持一定内压从而维持特定的形状, 再由多个膜构件组合成一定规模的结构形状。二者的主要区别在于单个膜构件的形状不同, 前者一般由管状膜构件组成, 后者一般由枕式膜构件组成。

整体张拉式膜结构由桅杆等构件提供支撑点, 并在周边设置锚固点, 通过张拉而形成稳定的体系。此类膜结构的形态一般为负高斯曲面, 膜材作为主要受力构件, 与索共同承担外部荷载。张拉式膜结构造型多样, 实际工程中百富策略白菜网广泛 (图8) 。

骨架支承式膜结构以刚性构件为承重骨架, 在骨架上铺设膜材, 向膜面施加的预应力为膜材提供一定的刚度。此类结构体系一般百富策略白菜网于各类大跨度空间刚性结构, 如网壳结构、网架结构等。膜材支承点位于骨架上, 骨架作为主要承重构件, 膜材仅为辅助维护构件参与受力 (图9) 。

索系支承式膜结构以空间索系为主要承重结构, 在索系上铺设张紧的膜材。索穹顶膜结构就是该类体系的典型代表。索杆部分组成索穹顶结构, 这是一种预应力索杆结构体系, 由连续的拉索和少数不连续的压杆组成, 膜材与索杆共同承担外部荷载作用 (图10) 。

膜材应根据建筑功能、膜结构所处环境和使用年限、膜结构承受的荷载以及建筑物防火要求选择不同类别的膜材。现行CECS 158-2015《膜结构技术规程》将膜材分为三大类:G类、P类和E类。

G类膜材是在玻璃纤维织物基材表面涂覆聚合物连续层的涂层织物, 涂上聚四氟乙烯树脂的PT-FE玻璃纤维基布膜就是典型的代表。聚四氟乙烯是一种惰性材料, 因此, PTFE膜材化学稳定性较强, 阻燃性能良好, 并且在紫外线照射下不易降解, 抗老化性能强, 耐久性可达30年。膜材表面张力较小, 空气中灰尘附着力低, 因此, 自洁性能是所有膜材中最好的, 但是其柔韧性差, 施工过程中需要采用专门的施工工艺, 造价高昂。

P类膜材也属于涂层织物类膜材, 是在聚酯纤维织物基材表面涂覆聚合物连续涂层并附加面层的涂层织物。最常见的就是在聚酯纤维基材表面涂覆聚氟乙烯的PVC膜材, 此类膜材色彩多样、柔韧性好、易于张拉, 透光率大于95%, 对施工中出现的裁剪误差也有很好的适应性, 且价格低廉;但是其强度低, 抗紫外线性能、自洁性能和耐久性能较差, 使用年限仅5-8 a。

E类膜材是由乙烯和四氟乙烯共聚物制成的ETFE薄膜, 属于非涂层类织物膜材。ETFE膜材为化学惰性, 防火性能好、自洁性和抗老化能力强, 使用寿命可到25年。该类膜材质量轻、透光率高, 柔韧性也极好, 工程制作方便。

目前, 国内外对膜结构的动力响应研究主要集中在平面膜结构振动求解和空间膜结构在风荷载作用下的耦合问题。对薄膜振动求解包括理论计算、数值模拟和试验研究, 对空间膜结构在风荷载下的动力响应研究主要有风洞试验和数值模拟。随着研究的深入, 理论求解方法将更加丰富, 数值模拟更加真实, 试验方法也更加精准。

Irwin和Wardlaw[3]采用风洞试验方法研究了蒙特利尔奥林匹克体育场索膜屋盖在风荷载作用下的气动弹性动力响应, 发现空气动力质量对轻型屋面的振动有显著影响, 甚至起到控制作用。Kimoto和Kawamura[4]研究了单向悬挂膜结构的气动稳定性, 并分别研究了垂直跨比、质量比和湍流强度对结构气动稳定性的影响, 结果表明, 风速的增大导致结构幅值出现一定的峰值, 并且各峰值的临界风速不同。Matsumoto[5]表明, 膜结构对脉动响应的均方根 (Rms) 迅速增大, 另外, 在一定风速下, 结构前缘向移动商务的后缘产生逐渐分离涡, 分离涡与膜表面反对称模态的相互作用导致单向悬挂膜结构的气动不稳定性。Minami等[6]由风荷载引起的膜结构不稳定性与膜表面的预张力之间的关系, 对膜结构进行了研究, 分析了不同初始应力和支撑条件下单向悬挂膜片的风振情况, 结果表明, 膜中预张力不足是膜结构气动失稳的必要条件。Yasui[7]基于Monte Carlo (蒙特卡罗) 分析方法, 利用谐波合成或线性滤波技术, 生成给定的风速谱和空间相干函数, 从而生成风速空间分布的时程, 在结构运动方程中加入几何非线性项, 采用时域逐步积分法求解膜结构在自然风作用下的响应时程。

Jenkins等[8]对薄膜振动试验做了回顾, 并结合圆膜振动的试验结果对现行振动理论做了验证。Han[9,10]利用ADINA等软件分析风荷载作用下膜结构的流固耦合响应, 结果表明流固耦合效应不可忽略;同时通过小波变换方法得出了膜结构在风荷载作用下的阻尼比, 并通过算例证明小波变换方法是非常适用于大空间结构的阻尼分析方法。Reutskiy[11]提出了一个针对任意形状非均质薄膜振动的新的数值求解方法, 非均质薄膜复杂的边界值问题可以运用该方法的基本解有效求得。Hansheminejad等[12]首次提出用修正Mathieu (马修) 函数求解均质弹性椭圆薄膜的时域振动响应, 使用数值方法计算了椭圆薄膜在多种瞬态荷载下的位移时程响应, 与已有方法得到的结果一致。Michalski等[13,14]利用有限元软件研究了伞形膜结构在自然风作用下的非线性强流固耦合, 克服了已有简化方法的局限性, 将结果与实测结果比对之后, 证明了数值分析方法的有效性。Soares等[15]提出了预张拉环膜非线性振动的数学模型, 并通过数值求解得到了线性振动方程的模态和频率, 并采用Galerkin方法和非线性振动分析方法对降阶模型进行了求解, 所得结果与有限元比较一致。Alsahlani等[16]研究了偏心约束圆膜的动力响应, 利用数值模拟方法研究了任意初始条件下约束膜的振动, 提出了一种能为动力学仿真模拟提供准确的固有频率、振型和模态系数的方法。Khan等[17]对聚二甲基硅氧烷膜电磁能量计的非线性振动特性进行了研究, 研究结果为实际工程百富策略白菜网提供了依据。同年, Wetherhold等[18]提出了一种通过测试正交异性矩形膜振动频率推测薄膜预张力的方法, 并与ABAQUS有限元数值模拟对比, 结果表明:当薄膜挠度较小时两种方法有很好的一致性, 当薄膜挠度与厚度之比大于25时, 二者计算结果差异较大。Bahrami等[19]提出了一种求解非均质圆形和环形薄膜自由振动的波传播方法, 该方法得到的固有频率与经典方法得到的结果一致。

国内关于膜结构动力响应的研究起步较国外稍晚。沈世钊、向阳和武岳等[20,21,22,23,24,25]率先研究了膜结构风致动力响应。采用风洞试验, 对鞍形和伞形张拉膜结构进行风振响应研究, 结果表明, 膜结构的振动形式为受迫振动, 由随机脉动风场激励, 影响膜结构振动的因素包括风向、风速、矢跨比、膜张力、边界条件等。杨庆山和刘瑞霞等[26,27,28,29,30,31]系统研究了薄膜结构的风致动力效应、气弹动力效应、失稳临界风速问题, 最终提出了一系列防止膜结构气弹失稳的措施。毛国栋等[32]采用格林函数法和薄型机翼理论分别推导了敞开式膜结构和平坦封闭式的附加空气质量表达式, 并采用虚功原理推导出封闭式膜结构膜单元的气承刚度矩阵表达式。周骥等[33,34]利用伞形膜结构的有限元流体计算模型进行了风荷载数值模拟, 与风洞试验得出的风荷载分布基本一致。秦敬伟等[35]研究了矢跨比、预应力和支承体系对张拉膜结构动力特性的不同影响, 为工程百富策略白菜网提供了参考。武岳等[36]研究了基于简化气动弹性模型的鞍形膜结构风洞气动弹性试验, 得出了附加质量和气动阻尼对结构振动的影响。Zheng等[37]利用大挠度理论建立了正交异性薄膜振动方程组, 求解出四边固支的正交异性矩形薄膜的非线性振动频率, 为测量薄膜预张力提供了理论基础。Yang等[38]研究了膜结构的静力耦合与动力耦合作用, 提出了一种从总质量、总阻尼中分离附加质量和气动阻尼的方法及其对薄膜动力特性的影响。汪大绥等[39]运用风洞非稳态数值方法计算了世博轴索膜结构的表面风压时程, 结果表明, 用该方法计算的阵风系数优于《建筑结构荷载规范》给出的阵风系数, 将计算得到的风荷载时程输入到动力分析的有限元模型中, 结果与等效静力法相比, 能更好地反映结构的实际风阵情况。乔磊等[40]利用动力分析的Newmark法以及非线性分析的Newton-Rapson迭代法对马鞍形薄膜结构进行风荷载动力响应分析, 同时讨论了褶皱对薄膜结构动力响应的影响。Zheng等[41]采用摄动法求解了正交各向异性矩形薄膜在均布荷载作用下的动力响应的方程, 为解决工程实际中综合考虑几何非线性、材料非线性、粘滞阻尼的正交各向异性矩形膜动力响应问题提供了理论依据。Liu等[42]进一步考虑空气阻尼的影响, 采用KBM摄动法对矩形张拉膜结构在冲击荷载作用下的非线性有阻尼振动方程进行求解, 得到了有阻尼动力响应的近似解析理论结果。Zhou等[43]采用边界元法对薄膜振动进行了数值分析, 验证了理论的正确性, 并使用模态置信准则对比了薄膜振动模态振型在空气和真空中的差异。Guo等[44]进行了矩形张拉膜结构在冲击荷载作用下的动力响应试验, 并与理论结果进行对比, 验证了理论结果的可靠性。Wu等[45]对封闭鞍形张拉膜结构进行风洞试验, 研究了鞍形张拉膜结构的气弹响应特性和气弹失稳机理。Zheng等[46]在随机振动理论和摄动法基础上求解了正交各向异性膜结构在随机冲击载荷作用下的动力响应方程, 并通过数值模拟验证了理论解的正确性。Li等[47]使用多重尺度摄动法求解了矩形正交异性薄膜在均布冲击荷载下的动力响应方程, 得到的理论解与试验结果吻合较好。

纵观国内外学者的研究, 膜结构动力响应研究大多致力于风致动力响应或者风雨流固耦合。风荷载研究主要包括风洞试验、数值分析、理论计算, 并且3种方法都已经非常成熟, 在膜结构设计荷载也仅仅对风荷载、雪荷载作了明确规定。但目前膜结构对风雨流固耦合研究基本依赖于数值计算, 其他荷载效应的研究也基本处于初步探索阶段。而随着科学技术的发展和人民生活水平的提高, 膜结构建筑必将继续蓬勃发展。因此, 了解膜结构在不同荷载下的动力响应, 对工程结构设计提供可靠依据, 有利于膜结构的发展。