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第十二章 薄膜结构 水利与建筑工程学院土木系 膜结构的特点 1、建筑与结构完美结合的一种结构体系； 2、具有良好的力学特性； 3、理想的抗震和防火建筑结构； 4、制作方便，施工速度快，造价低； 5、透光自洁、减少能源消耗； 6、使用范围广、可拆卸、易运输； 7、耐久性差、局部破坏可能导致整个结构破坏。 薄膜材料： 1、聚脂纤性织物基层加聚氯乙烯（PVC)涂层； 2、无机材料织物加聚四氟乙烯(PTFE)涂层； 3、改进PVC膜材； 4、ETFE膜材； 第一节 薄膜作用 一、薄膜及其特征 能够绷在平面的或扭曲的边框上，所形成的曲面是在一给定边界的所有曲面中面积最小的曲面，并与给定边界的所有点相连的最平滑的曲面，这便是薄膜的特征。 薄膜是一种双向抵抗结构，但它不能产生明显的平板应力（弯应力和垂直于薄膜面的剪应力），因为它的厚度相对于它的跨度来说是极小的。因此，薄膜的承载能力只能来源于它的拉应力。 薄膜以类似双向的悬索作用来支承荷载，并表现了同样良好的结构效率。正如四边交承的平板除有梁的作用外，还由于其双向特征而产生了扭转作用一样，薄膜也由于其双向特征，还产生了“剪切作用”，这种作用增大了薄膜的承载能力。 由于弯曲形状，亦即由于它的形状的几何特征-----“曲率”，薄膜被认为能够在两个方向都起悬索的作用。 相隔单位宽度的两相对边之间的斜度差，即在垂直于倾斜方向内每单位间距的斜度改率，称为薄膜的几何扭转率。 在扭转的薄膜中，两相对剪力之间的斜度差引起了一个额外的向上的力。这就是额外平衡了一部分垂直荷载，也就是说，薄膜本身曲面内的剪切作用，赋予薄膜以部分承载能力。 二、薄膜作用 三种作用是：互相正交的两个方向的曲率造成的两种悬索作用及由扭转引起的剪切作用。 薄膜作用的两个主要特征： （1）薄膜应力，包括拉应力和剪应力，总是产生在薄膜面内而绝不会是在垂直于薄膜的方向内； （2）薄膜作用实质上决定于薄膜形状的几何特征，即决定于曲率与扭转。 第二节 主曲率和薄膜主应力 曲率分别为最大和最小的两个互相垂直的方向，都称为薄膜曲面的主曲率方向。 一、主曲率 任何曲面为通过其法线的平面所截割时，其最大和最小曲率分别在两个互成90度的平面上。在这两个互相垂直方向的曲面无扭转。主曲率方向不存在扭转，亦即不存在斜度变化的特点。 二、主应力 薄膜一点上的直接拉应力，在不同的方向具有不同的值。当拉应力的方向绕一点而转动时，总会在某两个互相垂直的方向内拉应力分别为最大和最小，这两个方向内的应力称为主应力，这两个方向则称为主应力方向。 平行于主应力方向的薄膜单元不会产生剪应力；而在与主应力方向成45度角的方向内剪力达到最大。在两个互相垂直的主应力方向内，薄膜的作用相当于两组正交的悬索，一组在每一点上产生最大应力，另一组则产生最小应力。剪应力产生在两组悬索之间的任何其他方向上。 垂跨比大（即曲率大）的方向所承受的荷载，要比垂跨比小（即曲率小）的方向所承受的大。 如果薄膜上荷载的分布是变动的，则薄膜中的应力也是变动的。但是，倘若新的应力不致使薄膜屈曲，则薄膜就不必改变形状以承受新的荷载。在屈曲荷载作用下，薄膜改变其形状以调整其内力，直到在一种新的形状下以绳拉应力来支承这些荷载。 薄膜中的拉应力是沿厚度均匀分布的；在薄膜结构中材料的利用最为理想 。 采用薄膜结构作为永久性结构时，必须考虑其不稳定性，这种不稳定性可以通过预应力来大大地减少，但不能完全消除。 帐篷、伞、船等均为原始的薄膜结构。 第三节 薄膜结构 薄膜结构主要可以分为： 充气薄膜结构； 悬挂薄膜结构； 骨架支撑薄膜结构。 一、充气薄膜结构 常分为三大类:气压式、气承式和混合式。 二、张拉膜 张拉膜结构是通过一定的方式给膜体施加一定的张拉应力，使其具有一定的形状和刚度。 英国圣地亚哥会议中心 该中心于1990年建成，为当地景点．有“悉尼歌剧院’之美称，它由5个单体组成，每个单体由二个“飞柱”顶起形成双伞状，单体两端各有一个三角形混凝土架支撑，每个单体平面尺寸为91．5m x18．3m，整个平面为91.5m x 91．5m的方形。 三. 骨架式膜结构 骨架支撑薄膜结构是利用拱、刚架、空间网格结构等支撑的结构。 结构体系示意图