设计膜结构的一般过程

3.5.6　设计膜结构的一般过程

膜结构实际上是索网结构的连续化，索网结构的设计过程完全可以用于膜结构，但是在实用中，膜结构又不同于索网结构，往往膜结构设计打破了索网结构的戒律。文献［39］系统讨论了膜结构的设计。从现在已建成的膜结构可以认识到，膜结构的设计事实上是不能与它的支承系统绝对孤立开来。也就是说，要实现一个很理想的膜结构，就需要一个理想的支承系统来成全它，所以要设计好膜结构，首先要设计好它的支承结构，由支承结构向膜结构提供一个良好的曲面边界，从而使膜面能构成一个良态曲面，正因为膜结构与支承系统有不可分割的联系，因而膜结构设计显得并不那么有序。膜结构可分成刚性支承和柔性支承两大类，当然也可以兼有刚性支承和柔性支承。刚性支承和柔性支承决定了膜结构边界的几何，从而也决定了膜面的几何形状即曲面。换言之，曲面几何与其边界应是一致的，这在几何学上是很显然的，但是，在结构上却往往是两个不同的体系。通常刚性的支承结构可以比较随意的构成，但柔性的支承结构本身就与膜一样，它所构成的曲率系统均不是那样任意。

如果从另一个角度来区分膜结构，膜结构可分为单体的帐篷结构和连续的帐篷结构。典型的单体的曲面有马鞍形双曲抛物面，旋转双曲抛物面，这两种都是双曲的负曲率的抛物面，由于负曲率的曲面使得膜结构可以产生较好的刚度，而目前另外出现的一些单体的膜结构，如正曲率的球面或椭球面或圆柱面，通常这种单曲的正曲率的曲面需要有一个刚性支承才能将膜面支承好，有些尚需要布置稳定索才能使单曲率的膜面提高刚度，由单体的帐篷可以构成连续的帐篷结构，这些连续的帐篷结构也是由若干个有负曲率的旋转曲面组合而成。膜结构除了在上述连续和单体的帐篷结构中得到应用外，也极多地用于多边形平面的结构中，这些多边形平面结构的边可以布置成刚性支承构件，也可柔性支承构件，但同样多边形平面构件也应该向膜提供一个曲面边界，从而使膜面具有一个曲率。

在上述简单讨论后可以明确，膜结构设计的关键在于边缘支承构件的设计，边缘支承构件设计的几何参数，如垂度、拱度和曲率等都直接关系到膜结构的边缘，如果不能有一个良好的边缘，那么膜结构只能靠它面内的预应力来获得刚度，而不能从几何中获取刚度。

在确定了膜结构边缘的几何参数后，膜结构设计中另一个要点是确定预应力水平。膜的预应力水平除了根据结构设计需要外，尚受制于膜的材料以及膜材的松弛徐变等性能。由于不同的材料其单位长度的允许预张力都是确定的，所以经过分析以后，如果膜的应力超过它的强度允许值，或者膜材出现松弛而退出工作，一般都只能通过调整支承跨度来实现设计。对此，一个比较有效的措施是在膜结构边缘构件之间布置索网以减少膜的净跨。

膜结构设计的一般过程与索结构基本相同。但是，膜结构设计尚有两个特点：其一，膜结构设计主要体现在支承结构的设计上，通过设计支承结构的形状调整膜结构的几何外形、调整膜结构的跨度，使在不同的荷载工况下膜材均满足强度要求；其二，膜结构的支承结构的形状决定了膜结构的几何外形，在此基础上尚需根据不同膜材的强度和徐变确定允许预应力，以此预应力值进行等应力准则分析。事实上，膜结构设计是一个逆过程，在一般情况下，在跨度范围内膜是等厚度的，虽然在设计中局部会加厚，所以，希望膜面基本处于等应力状态。为使膜面维持等应力状态需要调整膜面的曲面，而使膜面维持一定的曲面，则往往需要借助边界。膜面的曲面应该是负曲率双曲面，如果是单曲面，则必须加稳定索。小曲率的曲面应该避免。