1第九章膜結(jié)構(gòu)第一節(jié)概述第二節(jié)充氣膜結(jié)構(gòu)第三節(jié)支承膜結(jié)構(gòu)教學(xué)要求了解膜結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及其型式，掌握膜結(jié)構(gòu)選型與布置第四節(jié)工程實(shí)例第1頁/共57頁2

第九章膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu):房屋建筑中的膜結(jié)構(gòu)雛形第2頁/共57頁3

第九章膜結(jié)構(gòu)膜結(jié)構(gòu):膜結(jié)構(gòu)(Membrane)是張拉結(jié)構(gòu)發(fā)展來的一種建筑結(jié)構(gòu)形式，由性能優(yōu)良的柔軟織物為材料，可以向膜內(nèi)充氣，由空氣壓力支撐膜面，也可以利用柔性的拉索結(jié)構(gòu)或剛性的支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。薄膜結(jié)構(gòu)被稱為及磚石結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)之后的第四代建筑結(jié)構(gòu)形式。第3頁/共57頁4

第九章膜結(jié)構(gòu)充氣膜結(jié)構(gòu):充氣結(jié)構(gòu)是向膜內(nèi)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：1970日本世博富士館）第4頁/共57頁5

第九章膜結(jié)構(gòu)支承膜結(jié)構(gòu):

用高強(qiáng)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(jié)構(gòu)形式，有柔性支承膜，剛性支承膜。（如圖：威海體育館）第5頁/共57頁6

第九章膜結(jié)構(gòu)9.1概述9.1.1膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是建筑與結(jié)構(gòu)完美結(jié)合的一種結(jié)構(gòu)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，力的平衡狀態(tài)直接表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的形狀上。膜材料具有良好的力學(xué)性能。膜材厚度小、一般厚度0.5~0.8mm，重量輕、自重約為0.02~0.15kN/m2，抗拉強(qiáng)度高，可達(dá)1400N/m2。膜結(jié)構(gòu)制作方便、施工速度快、造價(jià)低廉。工廠制作、工業(yè)化生產(chǎn)，工期可縮短1/2~1/4，造價(jià)可降15~20%。透光自潔、減少能耗、降低維修費(fèi)用。透光率4%~16%。采用高強(qiáng)薄膜材料、加強(qiáng)構(gòu)件（鋼架、柱或索），內(nèi)部產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力，形成某種空間形狀作為覆蓋結(jié)構(gòu)，并能承受一定的外荷載作用的結(jié)構(gòu)形式。第6頁/共57頁7

第九章膜結(jié)構(gòu)9.1概述9.1.1膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使用范圍廣、可拆卸、易運(yùn)輸。適用于廣闊的地域，拆卸安裝時(shí)間短?？傊耗そY(jié)構(gòu)建筑外觀飄逸，空間開闊靈秀、結(jié)構(gòu)輕盈、透光阻燃、經(jīng)久自潔、安裝快捷、節(jié)能降耗、造價(jià)適中、維修簡便。由于膜材造型運(yùn)用很靈活，尤其使大跨距的建筑，特別能突顯設(shè)計(jì)者的創(chuàng)意及設(shè)計(jì)要求。在奧運(yùn)會、世博會等大型建設(shè)工程中，已經(jīng)大顯身手。膜結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)：耐久性較差。最近幾年，由于高強(qiáng)、防火、透光、耐久性好、性能穩(wěn)定的膜材的出現(xiàn)和應(yīng)用，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命可達(dá)到20年以上。膜結(jié)構(gòu)張力具有連續(xù)性，局部破壞就會造成整個(gè)膜結(jié)構(gòu)垮掉。膜材隔熱、隔聲效果差。第7頁/共57頁8

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2概述9.1.2薄膜材料的組成和分類膜材為基層與涂層的復(fù)合材料基層為纖維編織物：受力結(jié)構(gòu)附著于基層上的涂層：密實(shí)、保護(hù)基層作用外，還有防火、防潮、透光常用膜材類別：第1類，聚酯纖性織物加聚氯乙烯（PVC）涂層第2類，無機(jī)材料織物加聚四氯乙烯（PTFE）涂層第3類，改進(jìn)PVC膜材第4類，ETFE膜材，號稱軟玻璃、塑料王第8頁/共57頁9

第九章膜結(jié)構(gòu)9.1概述9.1.2薄膜材料的組成和分類疏交錯織法附著性強(qiáng)、

抗撕裂強(qiáng)度高密交錯織法

高抗拉強(qiáng)度

平織法薄，

抗撕裂強(qiáng)度極高圖9-1-1薄膜材料第9頁/共57頁10

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。充氣膜結(jié)構(gòu)分類：氣壓式、氣承式、混合式、氣枕式第10頁/共57頁11

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.1氣壓式膜結(jié)構(gòu)也稱為氣囊式或氣脹式膜結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)：

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，并使膜的每處都承受一定張拉力。氣肋式：由一個(gè)個(gè)充氣囊（充氣管）組成框架連成整體。氣被式：由兩層薄膜之間充入空氣，兩層薄膜用線或隔膜連接。是在若干充氣肋或充氣被的密閉空間內(nèi)保持高于大氣壓的空氣壓力，以保證其支承能力的結(jié)構(gòu)第11頁/共57頁12

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.1氣壓式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-1氣壓式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-2氣壓式空氣薄膜結(jié)構(gòu)的型式

結(jié)構(gòu)形式：

結(jié)構(gòu)構(gòu)造：氣囊式膜結(jié)構(gòu)落地?cái)R置于墻上第12頁/共57頁13

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.1氣壓式膜結(jié)構(gòu)波士頓藝術(shù)中心劇場圖9-2-4富士組展覽館外形第13頁/共57頁14

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.1氣壓式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-5富士組展覽館平面圖圖9-2-6富士組展覽館縱剖面圖第14頁/共57頁15

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.1氣壓式膜結(jié)構(gòu)

氣壓式膜結(jié)構(gòu)的承載力依賴于氣囊的構(gòu)架型式、膜材特性及作用于氣囊內(nèi)的氣壓。優(yōu)點(diǎn)：建筑使用空間自由開放、造型靈活多樣、隔熱性好缺點(diǎn)：氣囊內(nèi)工作壓力高，對材料強(qiáng)度、氣密性等質(zhì)量要求高，造價(jià)高。氣肋式適用于小跨度氣被式的跨度要比氣肋式大得多第15頁/共57頁16

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)

氣承式膜結(jié)構(gòu)是通過鼓風(fēng)系統(tǒng)向建筑物內(nèi)充氣，使室內(nèi)外保持一定的壓力差，并產(chǎn)生一定的預(yù)張應(yīng)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。圖9-2-7氣承式膜結(jié)構(gòu)第16頁/共57頁17

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：建造速度快、結(jié)構(gòu)簡單、使用安全可靠、造價(jià)低、但建筑物入口需作一定處理（防止泄氣過快），室內(nèi)外壓差對少部分敏感人有影響，跨度大時(shí)，要求膜強(qiáng)度高，易垮塌。圖9-2-8拉索的布置

結(jié)構(gòu)形式：拉索的布置

單向平行、雙向交叉承載力依賴于支承膜的氣壓、與地面錨固的手段及進(jìn)出建筑的方式。需要長時(shí)間不間斷的向室內(nèi)送風(fēng)。第17頁/共57頁18

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)

日本第1屆世界園藝博覽會蘭花館太陽館（圓形建筑）半徑為75米，月亮館（弧形建筑）最大跨度為40米。第18頁/共57頁19

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-10第一穹頂平面及立面圖圖9-2-11第二穹頂平面圖第19頁/共57頁20

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-13東京充氣棒球館剖面圖第20頁/共57頁21

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-12東京充氣棒球館鳥瞰圖第21頁/共57頁22

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-14東京充氣棒球館看臺剖面圖第22頁/共57頁23

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)圖9-2-15氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)實(shí)例第23頁/共57頁24

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)

氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)破壞實(shí)例第24頁/共57頁25

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.2氣承式膜結(jié)構(gòu)美國明尼阿波利斯的“大城市穹頂”在1981年11月膜結(jié)構(gòu)充氣后的三周，因?yàn)橐淮伪╋L(fēng)雪在屋面上形成雪窩而下癟，其后在1982年與1983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。這些大大小小事故的產(chǎn)生，主要是由于空氣膜所特有的"袋狀效應(yīng)"，即膜表面上一旦積累了一些冰雪引起下凹,而下凹又招致了更多的冰雪，這樣就造成惡性循環(huán)而導(dǎo)致膜材的破裂。在上述過程中，有時(shí)是由于熱空氣融雪系統(tǒng)不足,有時(shí)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。第25頁/共57頁26

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.3混合式充氣膜結(jié)構(gòu)形式：氣壓式與氣承式混合，可克服氣壓式跨度小、氣承式易垮塌的缺點(diǎn)；充氣結(jié)構(gòu)與其它傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可變化無窮。圖9-2-16美國原子能委員會流動展覽廳例：結(jié)構(gòu)長90m，最寬處38m，最高處18m，由雙層涂乙烯基的尼龍薄膜建成，層間由1.2m的空氣層，分8個(gè)氣倉。馬鞍形混合充氣結(jié)構(gòu)。第26頁/共57頁27

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.3混合式充氣膜結(jié)構(gòu)圖9-2-17熊本縣民綜合公園室內(nèi)運(yùn)動廣場第27頁/共57頁28

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.3混合式充氣膜結(jié)構(gòu)圖9-2-18熊本縣民綜合公園室內(nèi)運(yùn)動廣場結(jié)構(gòu)剖面圖第28頁/共57頁29

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.3混合式充氣膜結(jié)構(gòu)熊本縣民綜合公岡室內(nèi)運(yùn)動廣場雙層空氣膜系統(tǒng)圖第29頁/共57頁30

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.3混合式充氣膜結(jié)構(gòu)第30頁/共57頁31

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.4氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)氣枕膜結(jié)構(gòu)由上下兩膜片形成氣囊，充氣后形成一定形狀的膜塊狀結(jié)構(gòu)。氣枕膜一般尺寸較小，能形成密閉的、永久的充氣膜結(jié)構(gòu)，一般與網(wǎng)架一起形成結(jié)構(gòu)。充氣提供氣枕剛度承受外部荷載作用。圖9-2-22氣枕結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)架屋蓋第31頁/共57頁32

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.4氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)圖9-2-20矢跨比與主應(yīng)力關(guān)系1）氣枕結(jié)構(gòu)的受力性能2）結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要荷載：風(fēng)荷載、雪荷載、徐變內(nèi)壓變化：風(fēng)、雪作用下，氣枕體積減小、內(nèi)壓升高；溫度變化，內(nèi)壓亦變化；徐變使體積增大，內(nèi)壓降低，影響結(jié)構(gòu)承載力和剛度。設(shè)計(jì)的核心問題：薄膜應(yīng)力水平控制、內(nèi)壓水平控制。與應(yīng)力水平相關(guān)因素：膜材厚度、矢跨比、內(nèi)壓，應(yīng)力隨矢跨比的增大而減小。設(shè)置內(nèi)壓監(jiān)控系統(tǒng)、充放氣系統(tǒng)第32頁/共57頁33

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.4氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)3）工程實(shí)例中國國家游泳中心：水立方，內(nèi)表面覆蓋面積12萬m2,采用ETFE膜材，壽命30年。氣枕內(nèi)壓設(shè)計(jì)值250MPa，屋面積雪時(shí)內(nèi)壓可達(dá)500MPa,外凸矢高為氣枕內(nèi)切圓直徑的12~15%。第33頁/共57頁34

第九章膜結(jié)構(gòu)9.2充氣膜結(jié)構(gòu)9.2.4氣枕式充氣膜結(jié)構(gòu)3）工程實(shí)例：水立方第34頁/共57頁35

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)支承體系對膜產(chǎn)生張力——支承膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式：

柔性支承膜結(jié)構(gòu)

剛性支承膜結(jié)構(gòu)第35頁/共57頁36

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

第36頁/共57頁37

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

第37頁/共57頁38

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.1柔性支承膜結(jié)構(gòu)圖9-3-1懸掛膜結(jié)構(gòu)示意圖又稱張拉式膜結(jié)構(gòu)或懸掛式膜結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)造：采用桅桿、拱、拉索等支承構(gòu)件將薄膜張掛，利用柔性索向膜施加張力將膜繃緊，形成穩(wěn)定的薄膜屋蓋。造型新穎、適用于中小跨度建筑物。一般采用負(fù)高斯曲率的曲面，使兩個(gè)方向的曲率的薄膜纖維相互約束，自相平衡。第38頁/共57頁39

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.1柔性支承膜結(jié)構(gòu)圖9-3-2桅桿支承點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖9-3-3沙特阿拉伯法赫德國際體育場支承方式：由索或拱索產(chǎn)生的波狀曲線支承；內(nèi)部由莉桅桿或拉索所形成的點(diǎn)支承。第39頁/共57頁40

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.1柔性支承膜結(jié)構(gòu)上海世博世博軸第40頁/共57頁41

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.1柔性支承膜結(jié)構(gòu)第41頁/共57頁42

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.1柔性支承膜結(jié)構(gòu)第42頁/共57頁43

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.1柔性支承膜結(jié)構(gòu)圖9-3-4威海固鉑成山體育館第43頁/共57頁44

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.2剛性支承膜結(jié)構(gòu)剛性支承膜結(jié)構(gòu)又稱骨架支撐膜結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組成：利用拱、剛架、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、張拉整體結(jié)構(gòu)等剛性骨架支撐薄膜，實(shí)際是屋蓋結(jié)構(gòu)的覆蓋層。特點(diǎn)：大大減輕屋蓋結(jié)構(gòu)自重；

構(gòu)造簡單、宜于維修保養(yǎng)；

抗震性能好；

對膜材強(qiáng)度要求低。第44頁/共57頁45

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.2剛性支承膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖9-3-5骨架支撐膜結(jié)構(gòu)第45頁/共57頁46

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.2剛性支承膜結(jié)構(gòu)圖9-3-6上海八萬人體育場第46頁/共57頁47

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3支撐膜結(jié)構(gòu)9.3.2剛性支承膜結(jié)構(gòu)圖9-3-6上海八萬人體育場第47頁/共57頁48

第九章膜結(jié)構(gòu)9.3