膜結構建筑的結構計算通常由計算機完成,其復雜型體的整體空間作用和繁雜的抗風計算是從事一般建筑結構設計的工程師難以完成的 。國外各大從事膜結構建筑設計和安裝的公司,都各自開發(fā)了大型的軟件,但為了控制市場都嚴格保密。目前國內已經(jīng)出現(xiàn)的諸如上海八萬人體育場等少數(shù)膜結構建筑,也都是外國公司設計的。我國自行設計的大型膜結構還很少,國內也尚無成熟的理論計算方法及相應的計算設計程序,制約了膜結構在我國的發(fā)展、應用與研究。

傳統(tǒng)膜結構的設計主要包括體形設計、找形分 析、荷載分析、裁剪分析等。

體形設計確定建筑平面形狀尺寸、三維造型、凈空體量,確定各控制點的坐標、結構形式,選用膜材和施工方案。找形分析又稱為初始形態(tài)分析,主要是尋找并確定一個既滿足膜內力平衡條件又接近設計者預想造型的曲面。由于膜材料本身沒有抗壓和抗彎剛度,抗剪強度也很差,因此其剛度和穩(wěn)定性需要靠膜曲面的曲率變化和其中預張應力來提高,對膜結構而言,任何時候不存在無應力狀態(tài),因此膜曲面形狀終必須滿足在一定邊界條件、一定預應力條件下的力學平衡,并以此為基準進行荷載分析和裁剪分析。膜結構的荷載一般是風載和雪載,荷載作用下膜材料的變形較大,要計算結構的變形和應力要用幾何非線性的方法進行;荷載分析的另一個目的是確定索、膜中初始預張力。在外荷載作用下膜中一個方向應力增加而另一個方向應力減少,要求施加初始張應力滿足不利荷載作用下應力不致減少到零,即不出現(xiàn)皺褶。剪裁分析是在預應力狀態(tài)下的曲面形體上尋求合理的裁剪線位置及其分布,然后按照一定的方法將三維曲面展開為二維平面。膜材料輕柔、自振頻率很低,風荷載作用下極易產(chǎn)生風振,導致膜材料破壞,如果初始預應力施加過高,膜材徐變加大,易老化且強度儲備少,對受力構件強度要求也高,增加施工安裝難度。

初始預應力要通過荷載計算來確定。經(jīng)過找形分析而形成的膜結構通常為三維不可展空間曲面,如何通過二維材料的裁剪,張拉形成所需要的三維空間曲面,是整個膜結構工程中的關鍵問題,是裁剪分析的主要內容。

施工時,應根據(jù)膜面的尺寸和施工場地的條件,認真確定膜材的結合位置,以及膜材的捆包、搬運和展開。

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