膜结构较于其他结构形式的屋面有着较大的优势。膜结构一般由于其自重轻,设计跨度大,且薄膜材料下班具有一定的透光性而被广泛运用于大跨度的结构体系之中。

膜结构,又可以称之为张拉膜结构。膜结构是由多种高强薄膜材料和加强构件(例如钢架、钢柱或者钢索)通过一定的方式使其内部结构构件产生一定的预张应力,用以形成某种空间形状。正由于膜结构有着造型突出,轻质且跨度大的特点,才被广泛百富策略白菜网到体育建筑、大型商场、展览馆等一系列大跨度的建筑中。

膜结构作为一种空间结构,一般被用于大跨度结构的屋面结构,可以承受一定的外力荷载作用。关于膜结构的分类,以屋面结构构架为例,大致可分为三类:骨架式膜结构、张拉式膜结构和充气式膜结构。骨架式膜结构这种结构形式其实更类似于钢结构桁架结构,是以钢结构构件或者是其他集成材料先构成屋顶骨架,并在其上方张拉膜材料的构造形式;张拉式膜结构并不需要屋顶骨架,它一般由薄膜材料、钢索及支柱构成,通过张拉成型,相对于骨架式膜结构,能够百富策略白菜网的跨度范围更大;充气式膜结构顾名思义,就是通过充气来保证结构的稳定性。一般充气式膜结构是靠向室内不断地充气,使建筑室内外的气体产生一定量的压力差,这种压力差使得膜结构的膜面受到一个向上的浮力,正好可以用以抵消部分外部荷载和结构自身重力荷载,正是由于充气式膜结构的这种特殊的结构受力形式,充分地利用了气压差来支撑自身结构重力荷载和外加荷载,所以可以仅靠钢索作为辅助性质的拉结,在整个结构体系中并不需要梁柱支撑。因此,充气式膜结构相对于其他类型的膜结构形式,可以实现较大跨度的屋面构架。

膜结构的设计一般分为四个步骤,分别为形体设计、初始平衡形状分析、荷载分析和裁剪分析。膜结构的设计从来就不是按部就班,而且一个不断尝试不断实验的过程。

(1)形体设计。形体设计是设计的根本,也是设计的初始,在形体设计的时候,应确定建筑平面的形状、尺寸、三维造型以及建筑平面各控制点的坐标。同时也应确定薄膜材料和施工方案。

(2)初始平衡形状分析。初始平衡形状分析又等同于膜结构找形分析。薄膜材料本身比较特殊,薄膜材料本身是不具有抗压和抗弯强度的,而且,薄膜材料本身的抗剪能力也是十分的差。在膜结构中,为了让薄膜材料可以承受一定的荷载,需要对薄膜材料进行一定的预张拉。对于膜结构而言,整体结构的稳定性都是需要靠膜曲面的曲率变化和其中的预应力来提高。那也就是说,膜曲面的形状的确定是需要在特定的边界条件铁定预应力条件下的一种力学平衡。由于薄膜材料不具备抗压抗弯强度,抗剪强度又很差,所以,在正常使用过程中,在受到风荷载或者雪荷载的影响下,薄膜材料会产生形变,一旦薄膜材料发生了变形就会导致应力重分布,膜结构受到的荷载形式就与之前不同。所以,应该说,膜结构的应力状态是一种变化值,在对膜结构进行力学分析时宜采用几个非线性的方法进行分析。再找形分析中要确保生成的三维空间曲面是形状稳定、应力均匀分布、能抵抗在使用过程中各种可能产生的荷载工况的平衡曲面。

(3)荷载分析。由于薄膜材料自重比较低,比较轻柔,自振频率低,这会导致膜结构之中的在风荷载作用下,非常容易产生风振,破坏薄膜材料,所以要对薄膜材料进行张拉使其有一定的强度储备。但如果薄膜材料张拉过大,对受力构件强度的要求也会变大,无疑是增加了现场施工安装的难度。所以要通过荷载计算来确定张拉时所需要的初始预应力大小。在设计的过程中还应该考虑风荷载,对于会下雪的区域还应该考虑雪荷载[4]。

(4)裁剪分析。之前的各种计算都是在一个三维空间进行的各项计算,包括通过找形分析的初始平衡状态而形成的膜结构,也一般都是三维的不可以展开的空间曲面。但如何实现这个空间曲面的建设,这就需要将二维的薄膜材料进行裁剪,再经过张拉,最后变成所需要的预设的三维空间曲面。这个如何将三维空间曲面裁剪成二维薄膜裁剪的拼接则是整个膜结构工程中最重要的部分。

现阶段,膜结构工程中一般采用动力松弛法、力密度法以及有限元法等来进行荷载分析设计和裁剪分析设计,在设计过程中,要对膜结构主要的构件尺寸进行计算确定,对膜结构的支承结构进行有限元分析,并且对于可靠连接方式也需要进行计算,确定螺栓、焊缝和其他次要构件的尺寸,为实现膜结构的施工提供计算依据。

实际上,膜结构在设计上不仅需要考虑的膜结构的各项计算,在膜结构的方案设计时就需要考虑各种方面的问题,在进行膜结构方案设计阶段时,设计师根据工程经验在了解该项膜结构的跨度,使用时会遇到的荷载工况来进行预判和进行概念设计,大致确定预应力的大小和张拉方式,初步拟定膜片的大小和索的布置,对于关键节点设计的时候,要尽量避免应力集中。一般在考虑膜面和固定构件的形状的时候,要避免积水,造成对膜结构产生积水荷载,增加膜结构设计难度。膜结构在设计过程中,还要考虑薄膜材料和加强构件的运输和吊装,要简化膜于支承的连接节点,不宜设置过于巨大或者复杂的结构造成运输或者现场安装施工造成困难,降低现场施工量。对于膜结构本身,也要要进行耐久性和防火和造型美观的考虑。

近年来,随着膜结构的广泛百富策略白菜网,膜结构在使用中也产生了不少的损坏乃至于破坏事故。

根据膜结构损坏或者破坏的程度来分,膜结构的破坏主要分为局部区域性破坏和整体性破坏两种情况[1]。局部破坏一般是指该膜结构整体保存较为完整,经过合理适当的修复就可以继续安全可靠的继续正常使用。而整体性破坏则不同,整体性破坏是指该膜结构已经无法仅仅依靠简单的修复便可继续正常使用,而是需要重置膜面或者重建的严重的破坏。

根据膜结构损坏或破坏的位置来区分,膜结构的破坏主要是分为膜面破坏、膜节破坏以及膜结构整体破坏三大类:

(1)膜面破坏就是膜面的薄膜材料的性状发生改变,膜面破坏再往下细分分为膜面材料性损伤和膜面结构性破坏两种形式。膜面材料性损伤一般是因为薄膜材料涂层的老化剥落等,导致薄膜材料的力学性能发生了改变,大大降低了结构的安全性。而膜面的结构性破坏一般是指膜面产生裂口和褶皱,导致应力集中,也降低了结构的安全性[2]。

(2)膜节破坏,顾名思义,就是指膜节点的破坏。膜节点作为膜结构中较为薄弱的位置,本身就属于应力集中且受力较为复杂,一旦膜节点遭到破坏,特别容易引起连锁反应,导致与膜节点相连接的膜面也遭受到损伤或破坏,从而影响到整个膜结构的正常使用。

(3)膜结构的整体性破坏的原因比较多,也较为复杂,除了因为突然间的强烈荷载(例如台风)下荷载变化巨大,受力复杂,可能会导致结构整体性破坏,更多的情况是膜面破坏和膜节点破坏的发展导致的膜结构整体性破坏[2]。这是因为在膜面破坏过程中和膜节点破坏过程中都非常容易产生应力集中,如果当上述两种情况之一发生后,却没有得到及时有限的处理,那么,在膜面破坏或者膜节点破坏的后期发展中应力集中,破坏进一步加剧导致膜结构的整体性破坏。

在正常使用过程中膜结构常发生损坏或者破坏,但是实际上,由于膜结构造型复杂多变,结构形式受力特点的特殊性,在膜结构的设计过程中或者施工安装的过程中也往往会造成膜结构的不牢靠、损伤或破坏。例如当设计师设计过程中荷载分析过裁剪分析不准确时,往往特别容易导致膜结构的初始预应力不准确,导致施工现场对膜结构的张拉不到位,不具备较高的强度储备。还有一种情况是,由于薄膜材料本身就比较轻柔,膜结构中的薄膜材料在加工过程或者安装过程中如果施工不当,也极易产生膜面破坏,产生裂口,导致应力集中。

随着经济的发展和计算机模拟计算软件计算的发展,这种大空间的膜结构的作用会更加广泛,但膜结构在设计建造过程中以及建成后的使用维护过程中,任何步骤的错误或者疏忽都有可能影响到膜结构的施工质量。因此,需要膜结构设计师在设计过程中完善认真地考虑膜结构在各种可能的荷载工况下的受力状态,避免初始张拉预应力不足的问题,保证强度储备,根据膜结构在使用过程中容易遭受到的破坏来加强膜结构设计的设计注意点。