第9章_膜結構

1、建筑結構選型吉林建筑大學吉林建筑大學2第九章 膜結構第一節(jié) 概述第二節(jié) 充氣膜結構第三節(jié) 支承膜結構教學要求教學要求了解膜結構的受力特點及其型式，掌了解膜結構的受力特點及其型式，掌握膜結構選型與布置握膜結構選型與布置第四節(jié) 工程實例3 第九章 膜結構膜結構膜結構: : 房屋建筑中的膜結構雛形房屋建筑中的膜結構雛形4 第九章 膜結構膜結構膜結構: : 膜結構膜結構(Membrane)是張拉結構發(fā)展來的一是張拉結構發(fā)展來的一種建筑結構形式，由性能優(yōu)良的柔軟織物為材種建筑結構形式，由性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，可以向膜內充氣，由空氣壓力支撐膜面，料，可以向膜內充氣，由空氣壓力支撐膜面，也可以利用柔性的

2、拉索結構或剛性的支撐結構也可以利用柔性的拉索結構或剛性的支撐結構將薄膜繃緊或撐起，形成具有一定剛度，能夠將薄膜繃緊或撐起，形成具有一定剛度，能夠覆蓋大跨度空間的結構體系。覆蓋大跨度空間的結構體系。 薄膜結構被稱為及磚石結構、鋼筋混凝土結薄膜結構被稱為及磚石結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構之后的第四代建筑結構形式。構、鋼結構之后的第四代建筑結構形式。 5 第九章 膜結構充氣膜結構充氣膜結構: : 充氣結構是向膜內充氣，用空氣壓力支撐膜面，充氣結構是向膜內充氣，用空氣壓力支撐膜面，包括氣壓式，氣承式，混合式，氣枕式。（如圖：包括氣壓式，氣承式，混合式，氣枕式。（如圖：1970日本世博富士館）日本世博富

3、士館） 6 第九章 膜結構支承膜結構支承膜結構: : 用高強度柔性薄膜材料經(jīng)受其它材料的拉壓作用而用高強度柔性薄膜材料經(jīng)受其它材料的拉壓作用而形成的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結構形形成的穩(wěn)定曲面，能承受一定外荷載的空間結構形式，有柔性支承膜，剛性支承膜。（如圖：威海體式，有柔性支承膜，剛性支承膜。（如圖：威海體育館）育館） 7 第九章 膜結構9.1 概述9.1.1膜結構的特點n 是建筑與結構完美結合的一種結構體系。膜材通過支承是建筑與結構完美結合的一種結構體系。膜材通過支承體系使膜承受張力，形成一定剛度的穩(wěn)定曲面，力的平體系使膜承受張力，形成一定剛度的穩(wěn)定曲面，力的平衡狀態(tài)直接表現(xiàn)在結構

4、的形狀上。衡狀態(tài)直接表現(xiàn)在結構的形狀上。n 膜材料具有良好的力學性能。膜材厚度小、一般厚度膜材料具有良好的力學性能。膜材厚度小、一般厚度0.50.8mm，重量輕、自重約為，重量輕、自重約為0.020.15kN/m，抗，抗拉強度高，可達拉強度高，可達1400N/m。n 膜結構制作方便、施工速度快、造價低廉。工廠制作、膜結構制作方便、施工速度快、造價低廉。工廠制作、工業(yè)化生產，工期可縮短工業(yè)化生產，工期可縮短1/21/4，造價可降，造價可降1520%。n 透光自潔、減少能耗、降低維修費用。透光率透光自潔、減少能耗、降低維修費用。透光率4%16%。采用高強薄膜材料、加強構件（鋼架、柱或索），內部產采

5、用高強薄膜材料、加強構件（鋼架、柱或索），內部產生一定的預應力，形成某種空間形狀作為覆蓋結構，并能生一定的預應力，形成某種空間形狀作為覆蓋結構，并能承受一定的外荷載作用的結構形式承受一定的外荷載作用的結構形式。8 第九章 膜結構9.1 概述9.1.1膜結構的特點n 使用范圍廣、可拆卸、易運輸。適用于廣闊的地域，拆使用范圍廣、可拆卸、易運輸。適用于廣闊的地域，拆卸安裝時間短。卸安裝時間短?？傊耗そY構建筑外觀飄逸，空間開闊靈秀、結構輕盈、總之：膜結構建筑外觀飄逸，空間開闊靈秀、結構輕盈、透光阻燃、經(jīng)久自潔、安裝快捷、節(jié)能降耗、造價適中、透光阻燃、經(jīng)久自潔、安裝快捷、節(jié)能降耗、造價適中、維修簡便。

6、由于膜材造型運用很靈活，尤其使大跨距的維修簡便。由于膜材造型運用很靈活，尤其使大跨距的建筑，特別能突顯設計者的創(chuàng)意及設計要求。在奧運會、建筑，特別能突顯設計者的創(chuàng)意及設計要求。在奧運會、世博會等大型建設工程中，已經(jīng)大顯身手。世博會等大型建設工程中，已經(jīng)大顯身手。膜結構的主要缺點：膜結構的主要缺點：耐久性較差。最近幾年，由于高強、防火、透光、耐久性好、耐久性較差。最近幾年，由于高強、防火、透光、耐久性好、 性能穩(wěn)定的膜材的出現(xiàn)和應用，膜結構的設計壽命可達到性能穩(wěn)定的膜材的出現(xiàn)和應用，膜結構的設計壽命可達到2020年以上。年以上。膜結構張力具有連續(xù)性，局部破壞就會造成整個膜結構垮掉。膜結構張力具有

7、連續(xù)性，局部破壞就會造成整個膜結構垮掉。a)a) 膜材隔熱、隔聲效果差。膜材隔熱、隔聲效果差。9 第九章 膜結構9.2 概述9.1.2薄膜材料的組成和分類v 膜材為基層與涂層的復合材料膜材為基層與涂層的復合材料 基層為纖維編織物：受力結構基層為纖維編織物：受力結構 附著于基層上的涂層：密實、保護基層作用外，還有防火、附著于基層上的涂層：密實、保護基層作用外，還有防火、防潮、透光防潮、透光v 常用膜材類別：常用膜材類別： 第第1類，聚酯纖性織物加聚氯乙烯（類，聚酯纖性織物加聚氯乙烯（PVC）涂層）涂層 第第2類，無機材料織物加聚四氯乙烯（類，無機材料織物加聚四氯乙烯（PTFE）涂層）涂層 第第3

8、類，改進類，改進PVC膜材膜材 第第4類，類，ETFE膜材，號稱軟玻璃、塑料王膜材，號稱軟玻璃、塑料王10 第九章 膜結構9.1 概述9.1.2薄膜材料的組成和分類疏交錯織法疏交錯織法 附著性強、附著性強、 抗撕裂強度高抗撕裂強度高密交錯織法密交錯織法 高抗拉強度高抗拉強度 平織法平織法 薄，薄， 抗撕裂強度極高抗撕裂強度極高圖圖9-1-1 薄膜材料薄膜材料11 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構v充氣膜對制作成一定形狀的膜囊充氣，施加張力，形成充氣膜結構。v充氣膜結構分類：氣壓式、氣承式、混合式、氣枕式12 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.1 氣壓式膜結構也稱為氣囊式或氣脹式膜結構 結

9、構受力特點：結構受力特點： 型式分類：氣肋式、氣被式型式分類：氣肋式、氣被式保持氣囊作用于高于大氣壓的氣壓，并使膜的每保持氣囊作用于高于大氣壓的氣壓，并使膜的每處都承受一定張拉力。處都承受一定張拉力。氣肋式：由一個個充氣囊（充氣肋式：由一個個充氣囊（充氣管）組成框架連成整體。氣管）組成框架連成整體。氣被式：由兩層薄膜之間氣被式：由兩層薄膜之間充入空氣，兩層薄膜用線充入空氣，兩層薄膜用線或隔膜連接。或隔膜連接。是在若干充氣肋或充氣被的密閉是在若干充氣肋或充氣被的密閉空間內保持高于大氣壓的空氣壓空間內保持高于大氣壓的空氣壓力，以保證其支承能力的結構力，以保證其支承能力的結構13 第九章 膜結構9.

10、2 充氣膜結構9.2.1 氣壓式膜結構圖圖9-2 -1 氣壓式膜結構氣壓式膜結構圖圖9-2-2 氣壓式空氣薄膜結構的型式氣壓式空氣薄膜結構的型式 結構形式：結構形式： 結構構造：結構構造：氣囊式膜結構落地落地擱置于墻上擱置于墻上14 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.1 氣壓式膜結構波士頓藝術中心劇場波士頓藝術中心劇場圖圖9-2-4 富士組展覽館外形富士組展覽館外形15 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.1 氣壓式膜結構圖圖9-2-5 富士組展覽館平面圖富士組展覽館平面圖圖圖9-2-6 富士組展覽館縱剖面圖富士組展覽館縱剖面圖16 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.1 氣壓式

11、膜結構 氣壓式膜結構的承載力依賴于氣囊的構架型式、氣壓式膜結構的承載力依賴于氣囊的構架型式、膜材特性及作用于氣囊內的氣壓。膜材特性及作用于氣囊內的氣壓。v優(yōu)點：建筑使用空間自由開放、造型靈活多樣、優(yōu)點：建筑使用空間自由開放、造型靈活多樣、隔熱性好隔熱性好v缺點：氣囊內工作壓力高，對材料強度、氣密性缺點：氣囊內工作壓力高，對材料強度、氣密性等質量要求高，造價高。等質量要求高，造價高。v氣肋式適用于小跨度氣肋式適用于小跨度v氣被式的跨度要比氣肋式大得多氣被式的跨度要比氣肋式大得多17 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構 氣承式膜結構是通過鼓風系統(tǒng)向建筑物內充氣，氣承式膜結構是

12、通過鼓風系統(tǒng)向建筑物內充氣，使室內外保持一定的壓力差，并產生一定的預張使室內外保持一定的壓力差，并產生一定的預張應力，以保證體系的剛度，使覆蓋膜撐起應力，以保證體系的剛度，使覆蓋膜撐起 。 膜與地面采用沙包或錨固索固定。膜與地面采用沙包或錨固索固定。圖圖9-2-7氣承式膜結構氣承式膜結構18 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構v 特點：建造速度快、結構簡單、使用安全可靠、造價低、特點：建造速度快、結構簡單、使用安全可靠、造價低、但建筑物入口需作一定處理（防止泄氣過快），室內外壓但建筑物入口需作一定處理（防止泄氣過快），室內外壓差對少部分敏感人有影響，跨度大時，要求膜強度高

13、，易差對少部分敏感人有影響，跨度大時，要求膜強度高，易垮塌?？逅?。圖圖9-2-8 拉索的布置拉索的布置 結構形式：拉索的布置結構形式：拉索的布置 單向平行、雙向交叉單向平行、雙向交叉承載力依賴于支承膜的承載力依賴于支承膜的氣壓、與地面錨固的手氣壓、與地面錨固的手段及進出建筑的方式。段及進出建筑的方式。需要長時間不間斷的向需要長時間不間斷的向室內送風。室內送風。19 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構 日本第日本第1 1屆世界園藝博覽會蘭花館太陽館（圓形建筑）屆世界園藝博覽會蘭花館太陽館（圓形建筑）半徑為半徑為7575米，月亮館（弧形建筑）最大跨度為米，月亮館（弧形建筑）最

14、大跨度為4040米。米。20 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構圖圖9-2-10 第一穹頂平面及立面圖第一穹頂平面及立面圖 圖圖9-2-11 第二穹頂平面圖第二穹頂平面圖21 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構圖圖9-2-13 東京充氣棒球館剖面圖東京充氣棒球館剖面圖22 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構圖圖9-2-12 東京充氣棒球館鳥瞰圖東京充氣棒球館鳥瞰圖23 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構圖圖9-2-14 東京充氣棒球館看臺剖面圖東京充氣棒球館看臺剖面圖24 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9

15、.2.2 氣承式膜結構圖圖9-2-15 氣承式充氣膜結構實例氣承式充氣膜結構實例25 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構 氣承式充氣膜結構破壞實例氣承式充氣膜結構破壞實例26 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.2 氣承式膜結構v美國明尼阿波利斯的美國明尼阿波利斯的“大城市穹頂大城市穹頂”在在1981年年11月膜月膜結構充氣后的三周，因為一次暴風雪在屋面上形成雪結構充氣后的三周，因為一次暴風雪在屋面上形成雪窩而下癟，其后在窩而下癟，其后在1982年與年與1983年又兩次發(fā)生過類年又兩次發(fā)生過類似的事件，由此還引起了冗長的法律訴訟。似的事件，由此還引起了冗長的法律訴訟。

16、v這些大大小小事故的產生，主要是由于空氣膜所特有這些大大小小事故的產生，主要是由于空氣膜所特有的的 袋狀效應袋狀效應，即膜表面上一旦積累了一些冰雪引，即膜表面上一旦積累了一些冰雪引起下凹起下凹,而下凹又招致了更多的冰雪，這樣就造成惡性而下凹又招致了更多的冰雪，這樣就造成惡性循環(huán)而導致膜材的破裂。在上述過程中，有時是由于循環(huán)而導致膜材的破裂。在上述過程中，有時是由于熱空氣融雪系統(tǒng)不足熱空氣融雪系統(tǒng)不足,有時是由于空氣加壓控制失靈，有時是由于空氣加壓控制失靈，甚至是管理人員操作上的失誤，終于釀成事故。甚至是管理人員操作上的失誤，終于釀成事故。 27 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.3 混合

17、式充氣膜結構形式：形式：氣壓式與氣承式混合，氣壓式與氣承式混合，可克服氣壓式跨度小、可克服氣壓式跨度小、氣承式易垮塌的缺點；氣承式易垮塌的缺點；充氣結構與其它傳統(tǒng)充氣結構與其它傳統(tǒng)結構相結合，可變化結構相結合，可變化無窮。無窮。圖圖9-2-16 美國原子能美國原子能 委員會流動展覽廳委員會流動展覽廳例：結構長例：結構長90m，最寬處，最寬處38m，最高處最高處18m，由雙層涂乙烯基的尼龍，由雙層涂乙烯基的尼龍薄膜建成，層間由薄膜建成，層間由1.2m的空氣層，分的空氣層，分8個氣倉。馬鞍形混合充氣結構。個氣倉。馬鞍形混合充氣結構。28 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.3 混合式充氣膜結構

18、圖圖9-2-17熊本縣民綜合熊本縣民綜合 公園室內運動廣場公園室內運動廣場29 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.3 混合式充氣膜結構圖圖9-2-18 熊本縣民綜合公園室熊本縣民綜合公園室 內運動廣場結構剖面圖內運動廣場結構剖面圖30 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.3 混合式充氣膜結構熊本縣民綜合公岡室內運動廣場雙層空氣膜系統(tǒng)圖熊本縣民綜合公岡室內運動廣場雙層空氣膜系統(tǒng)圖31 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.3 混合式充氣膜結構32 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.4 氣枕式充氣膜結構v氣枕膜結構由上下兩膜片形成氣囊，充氣后形成氣枕膜結構由上下兩膜片形成氣囊，充

19、氣后形成一定形狀的膜塊狀結構。一定形狀的膜塊狀結構。 氣枕膜一般尺寸較小，能形成密閉的、永久的氣枕膜一般尺寸較小，能形成密閉的、永久的充氣膜結構，一般與網(wǎng)架一起形成結構。充氣膜結構，一般與網(wǎng)架一起形成結構。v充氣提供氣枕剛度承受外部荷載作用。充氣提供氣枕剛度承受外部荷載作用。圖圖9 -2-22氣枕結構作為網(wǎng)架屋蓋氣枕結構作為網(wǎng)架屋蓋33 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.4 氣枕式充氣膜結構圖圖9-2-20 矢跨比與主應力關系矢跨比與主應力關系 1）氣枕結構的受力性能）氣枕結構的受力性能 2）結構構造）結構構造主要荷載：風荷載、雪荷載、徐變主要荷載：風荷載、雪荷載、徐變內壓變化：風、雪作

20、用下，氣枕體內壓變化：風、雪作用下，氣枕體積減小、內壓升高；溫度變化，內積減小、內壓升高；溫度變化，內壓亦變化；徐變使體積增大，內壓壓亦變化；徐變使體積增大，內壓降低，影響結構承載力和剛度。降低，影響結構承載力和剛度。設計的核心問題：薄膜應力水平控設計的核心問題：薄膜應力水平控制、內壓水平控制。制、內壓水平控制。 與應力水平相關因素：膜材厚度、與應力水平相關因素：膜材厚度、矢跨比、內壓，應力隨矢跨比的增矢跨比、內壓，應力隨矢跨比的增大而減小。大而減小。設置內壓監(jiān)控系統(tǒng)、充放氣系統(tǒng)設置內壓監(jiān)控系統(tǒng)、充放氣系統(tǒng)34 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.4 氣枕式充氣膜結構 3）工程實例）工程實

21、例中國國家游泳中心：中國國家游泳中心：水立方，內表面覆水立方，內表面覆蓋面積蓋面積12萬萬m,采采用用ETFE膜材，壽膜材，壽命命30年。氣枕內年。氣枕內壓設計值壓設計值250MPa，屋面積雪時內壓可屋面積雪時內壓可達達500MPa,外凸矢外凸矢高為氣枕內切圓直高為氣枕內切圓直徑的徑的1215%。35 第九章 膜結構9.2 充氣膜結構9.2.4 氣枕式充氣膜結構3）工程實例：水立方）工程實例：水立方36 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構v支承體系對膜產生張力支承體系對膜產生張力支承膜結構支承膜結構v結構形式：結構形式： 柔性支承膜結構柔性支承膜結構 剛性支承膜結構剛性支承膜結構37 第九章 膜

22、結構9.3 支撐膜結構結構示意圖 38 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構結構示意圖 39 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構9.3.1 柔性支承膜結構圖圖9-3-1 懸掛膜結構示意圖懸掛膜結構示意圖 又稱張拉式膜結構又稱張拉式膜結構或懸掛式膜結構?；驊覓焓侥そY構。結構構造：結構構造： 采用桅桿、拱、拉采用桅桿、拱、拉索等支承構件將薄膜索等支承構件將薄膜張掛，利用柔性索向張掛，利用柔性索向膜施加張力將膜繃緊，膜施加張力將膜繃緊，形成穩(wěn)定的薄膜屋蓋。形成穩(wěn)定的薄膜屋蓋。造型新穎、適用于中造型新穎、適用于中小跨度建筑物。小跨度建筑物。一般采用負高斯曲率一般采用負高斯曲率的曲面，使兩個方向的曲面，使兩個

23、方向的曲率的薄膜纖維相的曲率的薄膜纖維相互約束，自相平衡?；ゼs束，自相平衡。40 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構9.3.1 柔性支承膜結構圖圖9-3-2 桅桿支承點處的節(jié)點構造桅桿支承點處的節(jié)點構造圖圖9-3-3 沙特阿拉伯法赫德國際體育場沙特阿拉伯法赫德國際體育場 支承方式：支承方式： 由索或拱索產生的由索或拱索產生的波狀曲線支承；內部波狀曲線支承；內部由莉桅桿或拉索所形由莉桅桿或拉索所形成的點支承。成的點支承。41 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構9.3.1 柔性支承膜結構上海世博世博軸上海世博世博軸42 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構9.3.1 柔性支承膜結構43 第九章 膜結構9.

24、3 支撐膜結構9.3.1 柔性支承膜結構44 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構9.3.1 柔性支承膜結構圖圖9-3-4 威海固鉑成山體育館威海固鉑成山體育館45 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構9.3.2 剛性支承膜結構v剛性支承膜結構又稱骨架支撐膜結構，結構組成：剛性支承膜結構又稱骨架支撐膜結構，結構組成：利用拱、剛架、空間網(wǎng)格結構、張拉整體結構等利用拱、剛架、空間網(wǎng)格結構、張拉整體結構等剛性骨架支撐薄膜，實際是屋蓋結構的覆蓋層。剛性骨架支撐薄膜，實際是屋蓋結構的覆蓋層。v特點：大大減輕屋蓋結構自重；特點：大大減輕屋蓋結構自重； 構造簡單、宜于維修保養(yǎng)；構造簡單、宜于維修保養(yǎng)； 抗震性能好；抗震性能好； 對膜材強度要求低。對膜材強度要求低。46 第九章 膜結構9.3 支撐膜結構9.3