摘要:近年來,隨著科技的日新月異,我國建筑事業(yè)也有了長足的進(jìn)展,以大空間、大跨度、大開間為主的建筑結(jié)構(gòu)在社會發(fā)展的今天不斷增多,有關(guān)施工工藝和施工技術(shù)日趨成熟。膜結(jié)構(gòu)作為工程項目中普遍存在的現(xiàn)代化工程結(jié)構(gòu),如何在工程施工中做好其受力特征和構(gòu)造分析至關(guān)重要。本文從張拉膜結(jié)構(gòu)的組成進(jìn)行分析,著重探討了其受力特征和構(gòu)造,以供同行參考。
關(guān)鍵詞:大空間;建筑結(jié)構(gòu);張拉膜結(jié)構(gòu);受力特征;構(gòu)造體系
張拉膜結(jié)構(gòu)是當(dāng)前建筑工程項目中一個全新的空間結(jié)構(gòu)體系,其伴隨科技的進(jìn)步施工日益成熟。這一結(jié)構(gòu)無論是從工程的施工工藝、材料特性、結(jié)構(gòu)受力特征哪一方面分析,與傳統(tǒng)的大空間覆蓋結(jié)構(gòu)體系逐漸都存在著明顯的區(qū)別。為此,在這里我們有必要對工程結(jié)構(gòu)的受力體系,受力特點和構(gòu)造情況進(jìn)行研究和分析。
一、張拉膜結(jié)構(gòu)概述
張拉膜結(jié)構(gòu)是目前建筑工程項目中較為常見的工程結(jié)構(gòu)之一,其在施工中是由穩(wěn)定性好、支撐桅桿體系可靠的施工優(yōu)勢。在目前的工程項目中,它主要是由抹面、支撐桅桿體系以及索結(jié)構(gòu)等多個環(huán)節(jié)組成的。
1.張拉膜結(jié)構(gòu)組成
張拉膜結(jié)構(gòu)是由表面膜布、基層共同組成的,其中膜布主要是化學(xué)纖維織物薄膜生產(chǎn)的,其又分為了基層化學(xué)纖維織物和外層化學(xué)纖維織物兩種;鶎踊瘜W(xué)纖維織物主要是以玻璃纖維為主構(gòu)成的,它最大的作用在于決定著整個膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、材料的抗拉強度等;其中外層膜層主要是由有機(jī)硅樹脂組成的,它主要是用來解決材料半身存在的物理性質(zhì),提高材料的耐火、防水以及耐久性的作用。一般來說,張拉膜結(jié)構(gòu)的整體性都是有膜布特性決定的,它既是結(jié)構(gòu)的主要原材料,也是工程結(jié)構(gòu)的主要維護(hù)材料,是一個將自由曲線的造型、透明質(zhì)感有機(jī)統(tǒng)一起來,然后進(jìn)行工作的結(jié)構(gòu)維護(hù)材料。
2、張拉膜結(jié)構(gòu)的作用
張拉膜結(jié)構(gòu)是依靠膜材自身的張拉應(yīng)力與支撐桿、拉索共同組成的一個結(jié)構(gòu)體系,在陽光的照射下它可以反射出建筑結(jié)構(gòu)的陽光要求,是一個充滿著自然光,不存在任何強反差的著光面。同時,這一結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得室內(nèi)空間視覺效果極為良好,有著開闊視野和和諧結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。在夜間,建筑物內(nèi)的燈光通過膜材結(jié)果投射到夜空中,從而使得建筑物體型美觀變的更加突出和明顯。在現(xiàn)代化建筑工程項目中,張拉膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用極為廣泛,特別是城市標(biāo)志性建筑結(jié)構(gòu)屋頂施工中,更為常見。
二、張拉膜結(jié)構(gòu)受力特征分析
膜結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代化建筑工程施工技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上形成的一種結(jié)構(gòu)形式,它以性能優(yōu)良為代表,以組織結(jié)構(gòu)科學(xué)為前提構(gòu)成的,是利用空氣壓力支撐膜面為基礎(chǔ),或者是利用柔性鋼索、剛性支撐結(jié)構(gòu)將面層繃勁而形成的一種具備著一定剛度、能夠覆蓋大空間、大跨度、大開間結(jié)構(gòu)面的一種結(jié)構(gòu)體系。張拉膜結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代化建筑工程項目中應(yīng)用極為廣泛,已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型工作中的主要方案。
1、張拉膜結(jié)構(gòu)強度、剛度與穩(wěn)定性分析
膜布是一個由橫向、豎向相互交錯的纖維織物組成的,由于纖維織物本身是一個柔性材料,是一個自身強度好且依靠著張拉力產(chǎn)生的剛度、穩(wěn)定性好的預(yù)應(yīng)力靜態(tài)結(jié)構(gòu)。為此其在應(yīng)用中存在著良好的剛度、強度和穩(wěn)定性。同時膜布結(jié)構(gòu)在平衡狀態(tài)下存在著兩個突出的作用,一個是凸出,另外一個是凹下,而纖維股則剛好是一個方向上與這兩邊平行的模式,應(yīng)對這些問題在工作中必須要考慮其平衡狀態(tài)穩(wěn)定性要求。
2、張拉膜基本形態(tài)分析
張拉膜結(jié)構(gòu)由于膜受到張拉是一個空間受力狀態(tài),其形態(tài)是空間上的自由曲面形態(tài)。這種形態(tài)在數(shù)學(xué)上定義是一個雙曲拋物面,從根本上改變了傳統(tǒng)建筑物基于壓力學(xué)原理上的空間、形態(tài)特征分布,是張拉作用下的一個直線型工作形態(tài)模式。自從1970年代以來, 膜結(jié)構(gòu)在國外已逐漸應(yīng)用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務(wù)設(shè)施等大跨度建筑中。 膜結(jié)構(gòu)已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計選型中的一個主要方案。成為化纖紡織品應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。近年來在中國建筑 結(jié)構(gòu)中也有長足的進(jìn)展。
三、張拉膜結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造分析
張拉膜結(jié)構(gòu)體系的空間曲面的建筑屋面本身需要具備著良好的穩(wěn)定性基礎(chǔ),同時要求能夠在外荷載的作用下具備優(yōu)異的結(jié)構(gòu)抵抗能力。張拉膜結(jié)構(gòu)體系是利用鋼索或骨架結(jié)構(gòu)懸掛或支撐膜布形成的空間結(jié)構(gòu)體系。其形式在不斷發(fā)展,根據(jù)膜布張拉方式不同,一般分為三類:(1)懸掛式膜結(jié)構(gòu);(2)支撐式膜結(jié)構(gòu);(3)懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)。其強度、剛度及穩(wěn)定性的特點,決定界面的圍合方式。
1、懸掛式膜結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系
懸掛式膜結(jié)構(gòu)是人們從帳篷結(jié)構(gòu)得到啟示發(fā)展而來的,利用索網(wǎng)將膜布繃緊作為承重結(jié)構(gòu),或是利用桅桿(支柱或壓桿)將鋼索和膜布張掛起來的構(gòu)造體系。懸掛式膜結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)特征為在脊索、谷索處和拉索之間均可以形成曲率相反的雙曲拋物面形態(tài),形成完整而連續(xù)的空間結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中,受拉優(yōu)于受壓,受壓優(yōu)于受彎。拉索充分張拉,支柱充分受壓,使材料的力學(xué)特性得以充分發(fā)揮,最大限度地利用了材料。
2、支撐式膜結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系
支撐式膜結(jié)構(gòu)以剛性支撐(拱、桁架、梁)為骨架,面材采用膜布,充分發(fā)揮了不同材料特性而形成的構(gòu)造體系。支撐膜結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)用了已經(jīng)成熟的大空間結(jié)構(gòu)技術(shù),而且構(gòu)造簡單,施工方便,是一種膜材與傳統(tǒng)大空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。其具體的空間結(jié)構(gòu)特點為在剛性張拉構(gòu)件之間膜布形成曲率相反的雙曲拋物面,形成相間的空間結(jié)構(gòu)單元。隨著技術(shù)、材料的發(fā)展,拱、桁架、梁的構(gòu)造方式也在發(fā)生變化,其中受拉的構(gòu)件,正漸漸被拉索取代。更充分地利用了材料,形成了更為輕盈的形體和空間。
3、懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系
懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)是近十年發(fā)展起來的適用于巨型體育場館的新型構(gòu)造體系。由連續(xù)的張拉鋼索和不連續(xù)的壓桿構(gòu)成,荷載從中心環(huán)通過放射狀的徑向脊索,環(huán)向拉箍、中間的對角線鋼索傳向周圈的受壓環(huán)梁,是一種結(jié)構(gòu)效率極高的全張拉體系,整體索穹頂除少數(shù)幾根壓桿外都處于受拉狀態(tài)。懸索穹頂膜結(jié)構(gòu)對膜布進(jìn)行張拉的力學(xué)原理是張力結(jié)構(gòu)。張力結(jié)構(gòu)是由拉索和壓桿組合成各種形態(tài),索的拉力經(jīng)過一系列中介壓桿而轉(zhuǎn)變方向,使拉索與壓桿交織產(chǎn)生空間剛度。
四、結(jié)束語
大空間張拉膜結(jié)構(gòu)建筑是膜布、拉索和支撐體所形成的綜合體,整體結(jié)構(gòu)遵循膜結(jié)構(gòu)的受力特征,形成合理的構(gòu)造體系。作為一種大空間覆蓋體系,大空間張拉膜結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用前景。
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