大跨空间结构—索膜结构详解.doc

大跨空间结构—索膜结构详解索膜结构作为新的建筑形式于本世纪五十年代在国际上开始出现,至今已有六十多年的历史, 特别是到了七十年代以后, 膜结构的应用得到了迅速发展。膜结构的出现为建筑师们提供了超出传统建筑模式以外的新选择。膜结构一改传统建筑材料而使用膜材, 其重量只是传统建筑的三十分之一。而且膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度, 无支撑, 建筑上实现时所遇到的困难, 可创造巨大的无遮挡的可视空间。索膜结构是目前发展很快的一种新型空间结构, 是一种效率极高的张力集成体系, 可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。张拉膜结构是索膜结构中最常见的一种形式, 是索膜建筑的代表和精华, 它通过钢索与膜材共同受力形式稳定曲面来覆盖建筑空间,具有高度的形体可塑性和结构灵活性,即通过对膜材内部施加一定的预张力, 使其具备了抵抗外荷载能力, 从而充当结构材料的一种结构体系。这种形式能够充分利用膜材的受力性能, 形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构, 并且施工简单、快捷、成本低, 在国内外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域。一、索膜结构的组成及材料特性 1. 索膜结构的组成一个完整的索膜结构一般由三部分组成 1) 形成曲面结构的张拉膜材; 2) 用于加强膜面的脊索和谷索, 以及将膜内力传向支承结构的边索; 3) 求索膜体系的支架结构。张拉膜材即作为结构材料, 要能够抵抗一定的荷载而不致引起过大变形。同时为完成作为覆盖材料所规定的建筑功能, 例如美观、遮光、防火、耐久等等, 还需满足各种性能要求。所以,选用合适的膜材对于索膜结构的设计建造非常重要。加强索除其对于膜面受力方面的加强作用外,更重要的是起到了改变建筑造型的作用。尤其是谷索和脊索的灵活设置会给整个建筑带来奇妙的视觉效果。支架结构最常采用的是钢结构, 也可采用混凝土结构, 甚至在某些情况下可以采用木结构或其他结构。支架结构除满足将索膜体系的内力传递到基础这一结构要求以外, 其形式可以采取变化多样的形式, 以实现不同的建筑造型效果。例如采用独立柱或柱与拉索的组合可以提供一个独立支点, 这里的柱可以是钢管柱、桁架柱或混凝土柱, 而直梁、桁架拱或环梁可以提供一系列连续支点。通过索膜结构三部分的不同组合、变化, 可以形成形式多样、不拘一格、令人耳目一新的索膜结构。对索膜结构来说, 因为这种结构自重轻, 荷载低、用材经济, 结构上的要求一般是容易满足的, 而形式上的不断创新是索膜结构这一结构体系的灵魂, 这也正是它越来越为更多的人所重视的原因所在。 2. 索膜结构的材料和性能索是受拉单元的统称。索的核心分为有机纤维和金属两类。一般工程用索为全钢索,典型的有高强钢棒、索心索、股钢核心索等。工程结构用索的柔性要求不高, 所以钢索一般采用较粗的线材制造。钢索的弹性模量一般在 147KN/mm2 —— 170 KN/mm2 , 线膨胀系数一般在 × 10-6mm/mm* ℃。结构用索的另一个重要参数是索的密实系数。密实系数是指索中线股总面积和索直径所对应圆面积的比值。密实系数越大, 索的抗拉极限荷载越大。实验表明, 张紧索在工作应力σ〈 σ e(σe为比例极限) 的范围内可认为具有恒定的弹性模量,即索是线弹性体。另外, 动力荷载引起的振动效应相对于静荷