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膜結構的四種基本形狀

2020-11-20 09:49:09

    我們見過的安慶膜結構建筑主要有四種基本形狀,分別為鞍形、傘形、拱支式和脊谷式,了解這四種典型結構形式的曲面構成和力學特點,有助于增進對膜結構中形與力的認識。


    1.鞍形(saddleshape)


    鞍形曲面由四個不共面的角點和連接角點的邊緣構件圍合而成,是典型的互反曲面形式。在這四個角點中,通常有兩個對角點為高點(HP),另兩個為低點(LP)。鞍形膜結構的邊緣構件可以是混凝土梁或空間鋼桁架,即形成所謂的剛性邊界;也可以采用邊索,通過對其施加較大的預張力形成柔性邊界。由于柔性邊界可以較好地適應膜面的變形,避免膜面在安裝和受荷過程中出現褶皺,因而較為常用。


    對于菱形平面的鞍形膜結構,可定義兩對角點間的水平距離L為跨度,高點(或低點)與跨中點間的高差f為矢高,f/L為矢跨比(如圖4b所示)。矢跨比是控制鞍形曲面形狀的重要參數。矢跨比越大,膜面曲率越大,結構剛度就越好;通常矢跨比在1/8~1/12之間。


    鞍形膜結構的適用跨度較小,一般多用于膜結構小品中。


    2.傘形(conicalshape)


    傘形膜結構也是常見的張拉膜結構形式之一。這種結構形式的特點在于,膜單元的周邊相對位置較低,多固定在剛性邊梁或柔性邊索上;在膜單元的中部設有一個或多個高點,多通過獨立柱、飛柱或懸掛環的支承來實現;整個膜面呈錐形為了避免在高點附近的膜材內部應力過大,當膜單元跨度較大時,可在高點和邊界支承點之間設置脊索,以改變結構內部的傳力路徑,避免膜材出現應力集中。傘形曲面還可以倒置應用于工程中。


    3.拱支式(archsupportedshape)


    拱支式膜結構以拱為膜材提供連續的支承點,結構平面多為圓形或近似橢圓形。當跨度較大時,常在中間拱與下部邊緣構件之間布置正交索網。拱支式膜結構多用于封閉式建筑中,如加拿大加爾格里的林賽公園體育中心(LindsayParkSportsCenter)就是典型的拱支式膜結構。


    4.脊谷式(waveshape)


    脊谷式膜結構是在兩高點之間布置相互平行的脊索、在兩低點之間布置谷索,高低相間,曲面呈波浪形;脊索和谷索之間的膜面形成負高斯曲率曲面。當結構跨度較大或荷載較大時,還可在脊索和谷索之間適當布置一些橫向的加強索。脊谷式膜結構的結構平面多呈矩形,如圖7所示。美國的丹佛國際機場和加拿大的CanadaPlace等,都是典型的脊谷式膜建筑。


    盡管上述四種基本形式的造型各不相同,但都遵循一個原則,即要通過剛性支承構件或連接件在膜面內形成一系列的高點和低點;這正是互反曲面的基本特征,即互反曲面的邊界不會位于同一平面內。把握了這一原則,在實際設計中就可以根據支承構件的形式(桅桿、拱或吊環)及其對膜的支承方式(點支承或線支承),來選取適當的膜結構造型形式。


    以上四種基本形式僅僅是為了加深理解所作的一種簡單歸納,實際膜結構的形狀遠非如此簡單,甚至可以說是鮮有雷同;即便是這四種基本形式本身也可以有多種多樣的變形。在實際設計時,切不可以拘泥于其中,而應把握膜結構自然、流暢的精髓,創造出更多的新穎、別致的膜結構作品。


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