索膜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識課件

1、 索膜結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)的形式與選型懸索結(jié)構(gòu)的分析計算 懸索結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)造 膜結(jié)構(gòu)簡介 承重結(jié)構(gòu)的基本承重構(gòu)件采用受拉工作的懸索或張拉的薄膜，稱為懸索結(jié)構(gòu)或膜結(jié)構(gòu)。由于受拉構(gòu)件的承載能力決定于強度而不是穩(wěn)定性，因而能充分發(fā)揮鋼索和膜材受拉工作時強度高、自重輕的特點。同時，由于覆蓋材料自重輕，使承重結(jié)構(gòu)的重量較小，因而懸索結(jié)構(gòu)和張拉薄膜結(jié)構(gòu)更適合于在大跨度結(jié)構(gòu)中使用。第一節(jié) 懸索結(jié)構(gòu)的形式與選型 結(jié)構(gòu)特點施工方便，不需要大型起重設(shè)備； 懸索結(jié)構(gòu)是以只能受拉的索作為基本承重構(gòu)件，并將索按照一定規(guī)律布置所構(gòu)成的一類結(jié)構(gòu)體系。 受力合理，材料強度利用效率高；結(jié)構(gòu)重量輕，適作各式大跨建筑；邊緣構(gòu)件或支承構(gòu)件

2、受力較大，且其剛度對結(jié)構(gòu)受力影響較大；屬于柔性結(jié)構(gòu)，受力時大變位、小應變，計算復雜。懸索結(jié)構(gòu)的分類 懸索屋蓋結(jié)構(gòu)通常由懸索系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)和支承系統(tǒng)三部分構(gòu)成。單層懸索體系單層單向懸索結(jié)構(gòu) 由許多平行的單根拉索組成，構(gòu)成單曲下凹屋面，拉索兩端懸掛在穩(wěn)定的支承結(jié)構(gòu)上。單層輻射狀懸索結(jié)構(gòu)單層網(wǎng)狀懸索結(jié)構(gòu) 受力特點 單層懸索結(jié)構(gòu)的形狀穩(wěn)定性不好，是一種可變體系，其平衡形狀隨荷載分布方式而變。在恒載作用下呈懸鏈線形式，在不對稱荷載或局部荷載作用下產(chǎn)生大的位移（機構(gòu)性位移）。索的張緊程度與索的穩(wěn)定性（抵抗機構(gòu)位移的能力）成正比。 單層懸索結(jié)構(gòu)的抗風能力差，在風吸力作用下懸索內(nèi)的拉力下降，穩(wěn)定性進一步降低。

3、 垂跨比的影響：垂跨比大，穩(wěn)定性和剛度大，索拉力小，但占用空間。通常取1/201/10。增加穩(wěn)定性的措施 單層懸索結(jié)構(gòu)宜采用重屋面，如裝配式鋼筋混凝土板；采用預應力鋼筋混凝土懸掛薄殼；設(shè)置橫向加勁構(gòu)件。加勁梁或桁架分配局部荷載及將索連成整體。雙層懸索體系 由一系列下凹的承重索和相反曲率的穩(wěn)定索組成。每對索之間通過受拉鋼索或受壓撐桿連系，構(gòu)成如桁架形式的平面體系，稱索桁架。 穩(wěn)定索可以抵抗風吸力的作用，同時，相反曲率的穩(wěn)定索和相應的索桿能對體系施加預應力，使每對索均保持足夠大的張緊力，提高了整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與剛度。 承重索的垂跨比：1/201/15；穩(wěn)定索的矢跨比1/251/20。 雙層單向布置

4、 索桁架的一般形式索桁架的平面布置與交錯布置雙層輻射式布置 雙層雙向布置 凸形布置凹形布置凹凸形布置凸形索網(wǎng)布置凹形索網(wǎng)布置凹凸形索網(wǎng)布置鞍形索網(wǎng)體系 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是同一曲面上兩組曲率相反的單層懸索系統(tǒng)相交而成，下凹向為承重索，上凸向為穩(wěn)定索。混合懸掛體系 采用柔性的懸索體系與剛性的受彎構(gòu)件（梁、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、桁架等）相結(jié)合，可組成共同抵抗外荷載的各種混合體系。 此類結(jié)構(gòu)或用鋼索懸掛其他構(gòu)件，或由鋼索對其他構(gòu)件提供附加支點，或用剛性的構(gòu)件來加強懸索的穩(wěn)定性，以減小不均勻荷載作用下的機構(gòu)性位移。橋梁中的斜拉橋和懸索橋也屬于這類混合體系。 5.4萬座，挑蓬外挑50m，外環(huán)梁跨度244m。浙江黃龍體育中心

5、體育場吊塔及斜拉索鋼索材料 平行鋼絲束 通常由7根、19根、37根和61根相互平行的直徑為4mm或5mm的高強鋼絲組成。鋼絞線 一般由7根鋼絲捻成，1根在中心，其余6根圍繞中心鋼絲按同一方向纏繞而成。鋼纜繩 一般由7股鋼絞線捻成，1股在中心，其余6股圍繞中心鋼絞線按同一方向纏繞而成。 懸索結(jié)構(gòu)的計算一般按彈性理論，假定索是理想柔性的，既不能受壓，也不能抗彎，但承重索和穩(wěn)定索之間的連桿絕對剛性。在基本假定的基礎(chǔ)上可建立索曲線的平衡微分方程，再根據(jù)荷載及邊界條件求出索的張力。第二節(jié) 懸索結(jié)構(gòu)的分析計算單索基本力學性質(zhì) 基本假定 索是理想柔性的，只能承受拉力，不能承受 壓力、剪力和彎矩 ；索材料的力

6、學特性滿足虎克定律。 索的平衡方程單索兩個方程，兩個未知數(shù) H、z當只考慮豎向作用，則 當豎向荷載沿水平方向均勻分布時， 邊界條件一族拋物線設(shè)跨中垂度f，則當豎向荷載沿索長均勻分布結(jié)合邊界條件得一懸鏈線方程將 代入方程與拋物線比較，當從已建工程看， ，多為0.050.1。 故計算時可以拋物線代替懸鏈線。當豎向荷載為任意分布時 將索的關(guān)系方程 與梁的關(guān)系方程進行比較對于（b）圖有索曲線方程 索長計算 索變形協(xié)調(diào)方程幾何關(guān)系當為小垂度時， 物理關(guān)系變形協(xié)調(diào) 由量綱分析可知：H與外荷載是隱式關(guān)系。均布荷載q作用下，不考慮支座位移與溫度變化有限單元法 基本假定索是理想柔性的，只能承受拉力，不能承受壓力

7、和彎矩；索材料力學特性符合虎克定律，索單元應變屬于小應變；荷載均作用在節(jié)點上，索單元內(nèi)部無橫向荷載，其自重折算到單元兩端節(jié)點上；由于假定索單元內(nèi)部無橫向荷載，因此索單元的形狀為直線（空間單元剛度矩陣為66）。 求解思路和特點 求解思路 同一般空間桿件矩陣位移法；特點 總體剛度矩陣是節(jié)點位移的函數(shù) K（U）U=P結(jié)構(gòu)的平衡方程必須建立在變形后的荷載態(tài)構(gòu)形上；必須采用非線性方程的求解方法進行迭代求解。第三節(jié) 懸索結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)造作用 恒荷載，屋面活荷載、雪荷載、風荷載以及溫度作用和地震作用等。風荷載 體形系數(shù) 我國即將頒布的懸索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程提供了矩形、圓形、橢圓形等規(guī)則平面懸索屋蓋的風荷載體形系數(shù)

8、。 由于懸索結(jié)構(gòu)往往體形復雜多樣，同時要考慮周邊環(huán)境的影響，因此對于重要的懸索結(jié)構(gòu)工程，一般采用風洞試驗來確定體形系數(shù)。對于輕型屋面應考慮脈動風壓影響。地震作用 我國即將頒布的懸索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，當設(shè)防烈度為8度或8度以下，一般跨度的單層懸索體系、雙層懸索體系及橫向加勁懸索體系可采用振型分解反應譜法進行地震響應分析。 溫差效應 正溫差效應在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應力較大，削弱了結(jié)構(gòu)中維持的預應力，從而使得結(jié)構(gòu)的剛度降低，變形增加。作用效應組合 鋼索承載力驗算變形驗算 據(jù)即將頒布的懸索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，承重索豎向位移限值如下： 單層懸索體系從初始態(tài)算起 l/200; 雙層懸索體系、索網(wǎng)及橫向加勁索從預應力態(tài)

9、算起 l/250.節(jié)點構(gòu)造 索與索連接 U形和卡式節(jié)點索端頭 澆鑄端頭 較粗的索（d38mm）采用，又稱巴氏合金端頭，索末端線材須松開足夠長度，采用除油液體清洗，干后成刷狀，然后插進鋼鑄件插座楔形孔內(nèi)（長度為5.56索徑）澆鑄高等級鋅等熱金屬或聚脂材料形成索的端頭。液壓端頭 對于的d38mm采用，用壓套機液壓成型。索與剛性桿連接鋼管與卡式夾具鋼板拉桿與卡式夾具連接鋼管壓桿與卡式夾具連接索與屋面板連接索與檁條連接索與支撐構(gòu)件連接及錨固 澆鑄端頭索與砼柱頂連接結(jié)構(gòu)施工 懸索結(jié)構(gòu)由于其構(gòu)件相對較輕，一般不需要大噸位的吊裝設(shè)備，也不必設(shè)置大量的腳手架。另外，懸索結(jié)構(gòu)的施工周期比較短，在支承結(jié)構(gòu)施工完成

10、后，屋蓋的安裝通常僅需幾個星期因此，懸索結(jié)構(gòu)的綜合施工費用比較經(jīng)濟。邊緣支承構(gòu)件的施工 索的制作和安裝預應力施加及鋼索張拉 第四節(jié) 膜結(jié)構(gòu)簡介 一般鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)奈菝娌牧辖圆怀惺芙Y(jié)構(gòu)力。但膜結(jié)構(gòu)中的膜本身就承受活荷載包括風壓、溫度應力等，膜既是覆蓋物，亦是結(jié)構(gòu)的一部分。 索膜建筑之所以能滿足大跨度自由空間的技術(shù)要求，最關(guān)鍵的一點就是其有效的空間預張力系統(tǒng)。有人把索膜建筑稱為“預應力軟殼”，預張力使“軟殼”各個部分（索、膜）在各種最不利荷載下的內(nèi)力始終大于零（永遠處于拉伸狀態(tài)）。 以材質(zhì)分類，結(jié)構(gòu)膜有以下兩種: （1）平面不織膜：由各種塑料在加熱液化狀態(tài)下擠出的膜，它有不同厚度、透明度及顏色，最通

11、用的是聚乙烯膜，或以聚乙烯和聚氯乙烯熱熔后制成的復合膜，其抗紫外線及自潔性強，此種膜張力強度不大，屬于半結(jié)構(gòu)性的膜材。 （2）織布合成膜：以聚酯、玻璃、纖維織成的基材，雙面涂以PVC樹脂，再用熱熔法覆蓋聚氟乙烯膜，制成復合膜。 1 張拉式薄膜結(jié)構(gòu) 張拉式薄膜結(jié)構(gòu)亦稱帳篷結(jié)構(gòu)，或預應力薄膜結(jié)構(gòu)。由于膜材很輕，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須在薄膜內(nèi)施加較大的預應力，因此，薄膜曲面總有負高斯曲率。 張拉膜結(jié)構(gòu)的邊界可以是剛性邊緣構(gòu)件，也可以是柔性索。 張拉式索膜體系富于表現(xiàn)力、結(jié)構(gòu)性能強，但造價稍高，施工精度要求也高。 膜的找形及裁剪、鋼索的布置等是張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。上海八萬人體育場 2 骨架式薄膜

12、結(jié)構(gòu) 骨架式薄膜結(jié)構(gòu)實質(zhì)為依靠下部的鋼骨架承受荷載，膜材主要起圍護結(jié)構(gòu)的作用。因膜材重量輕，可以減輕下部鋼結(jié)構(gòu)的自重。 骨架式索膜建筑常在某些特定的條件下被采用，是由于其結(jié)構(gòu)方式本身的局限性：骨架體系自平衡，膜體僅為輔助物，膜體本身的強大結(jié)構(gòu)作用發(fā)揮不足等，有人將其稱之為二次重復結(jié)構(gòu)。骨架方式與張拉方式的結(jié)合運用，?？扇〉酶挥谧兓慕ㄖЧ９羌苁剿髂んw系建筑表現(xiàn)含蓄，結(jié)構(gòu)性能有一定的局限性，造價低于張拉式體系。 國家體育中心“鳥巢” 能容納10萬人（2萬臨時），開合屋蓋：長軸340m，短軸294m。 建筑及結(jié)構(gòu)特點： 圍護結(jié)構(gòu)為覆蓋膜，鋼承重骨架。 結(jié)構(gòu)特點： 24根鋼柱等距布置，主桁架高度12.5m，主要桿件截面為1.2m 1.2m的箱形斷面 主鋼架平面外的穩(wěn)定由與其相交的次結(jié)構(gòu)保證。 3 充氣式薄膜結(jié)構(gòu) 充氣式索膜建筑歷史較長，但因其在使用功能上明顯的局限性，如形象單一、空間要求氣閉等，使其應用面較窄。但充氣式索膜體系造價較低，施工速度快，在特定的條件下又有其明顯的優(yōu)勢。 充氣式薄膜結(jié)構(gòu)是利用薄膜內(nèi)外的空氣壓差來穩(wěn)定薄膜以承受外荷載。國家游泳館“水立方”建筑特點： 立面靈感來源于Kelven 的“泡沫”理論，基本構(gòu)成是無數(shù)14面體和12面體的空間單元。由充氣膜組成的“氣枕”實現(xiàn)，氣枕直徑9m，高度