膜结构动力响应研究综述

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膜结构是一种极具活力的空间结构形式,以性能优良、造型多样而得到广泛应用,但是由于自身轻质、刚度小等缺陷,对外荷载十分敏感。因此,膜结构引起了诸多学者的关注。1膜结构发展历史膜结构起源于远古时代的帐篷,1946年美国的Water Bird设计的世界上第一座充气膜结构建成标志着膜结构建筑正式出现。1967年,第一届国际充气结构会议在德国斯加图召开,促进了充气膜结构的发展,随后1970年的大阪世界博览会上便出现了各式各样的充气膜结构,其中美国馆(图1)和富士馆(图2)尤为突出[1]。20世纪70年代,索膜结构得到迅速发展,出现了整体张拉式膜结构。1967年,Otto创造性地结合了索和膜,设计出加拿大蒙特利尔博览会德国馆(图3),这是历史上首个真正意义的张拉式膜结构。20世纪80年代开始兴起骨架支承式膜结构,中国香港大球场(图4)和科隆坡国家体育综合体室外体育场极具代表性。早在20世纪50年代,美国建筑师Fuller就提出张力集成体系的概念,后来Da-vid Geiger在此基础上提出了索穹顶的概念。最著名的当数伦敦格林威治半岛上的千年穹顶(图5)。图1美国馆图2富士馆图3德国馆图4香港大球场图5千年穹顶中国膜结构发展起步较晚。1995年建成的北京房山游泳馆和鞍山农委游泳馆,是中国空气支承膜结构在工程中的第一次应用,标志着中国膜结构工程建设正式启动。1997年建成的上海八万人体育场(图6),首次将PTFE膜材用于体育场看台的挑蓬,成为中国历史上首座永久性大型骨架支承式膜结构建筑。随后大型膜结构建筑不断涌现。纵观膜结构的发展历史,膜结构以其优越的实用性和美观性得到越来越多人的青睐,必将随着中国科学技术理论的不断发展而得到更加广泛的应用。2膜结构的分类2.1膜结构类型分类膜结构的设计选型应根据建筑造型需要和支承条件等因素综合考虑,CECS 158:2015《膜结构技术规程》[2]将膜结构选型分为以下4类:空气支承式膜结构、整体张拉式膜结构、骨架支承式膜结构和索系支承式膜结构。空气支承式膜结构具有密闭的充气空间,并设置维持内压的充气装置,保证结构内外的气压差。膜材通过气压差产生一定的张力,从而具有一定的刚度,满足设计所需的曲面形状。具有包括气承式、气肋式和气枕式(图7)。气承式膜结构由单层膜材组成,结构内部鼓吹的空气使膜材受到向上气压而起拱,同时产生一定的张力使结构体系具有一定的刚度。必要时还可在膜面添加钢索,增强结构抵抗外荷载的能力。气肋式和气枕式膜结构都是向单个封闭的膜图6上海八万人体育场内充气,使构件保持一定内压从而维持特定的形图7空气支承式膜结构(a)气承式(b)气肋式(c)气枕式图例:1-加劲索,2-膜,3-气肋,4-气枕状,再由多个膜构件组合成一定规模的结构形状。二者的主要区别在于单个膜构件的形状不同,前者一般由管状膜构件组成,后者一般由枕式膜构件组成。整体张拉式膜结构由桅杆等构件提供支撑点,并在周边设置锚固点,通过张拉而形成稳定的体系。此类膜结构的形态一般为负高斯曲面,膜材作为主要受力构件,与索共同承担外部荷载。张拉式膜结构造型多样,实际工程中应用广泛(图8)。骨架支承式膜结构以刚性构件为承重骨架,在骨架上铺设膜材,向膜面施加的预应力为膜材提供一定的刚度。此类结构体系一般应用于各类大跨度空间刚性结构,如网壳结构、网架结构等。膜材支承点位于骨架上,骨架作为主要承重构件,膜材仅为辅助维护构件参与受力(图9)。