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我们见过的膜结构修建主要有四种基本形状,划分为鞍形、伞形、拱支式和脊谷式,相识这四种典范结构形式的曲面组成和力学特点,有助于增进对膜结构中形与力的熟悉。
1.鞍形(saddle shape)
鞍形曲面由四个不共面的角点和毗连角点的边沿构件围合而成,是典范的互反曲面形式。在这四个角点中,通常有两个对角点为高点(HP),另两个为低点(LP)。鞍形膜结构的边沿构件可以是混凝土梁或空间钢桁架,即形成所谓的刚性界线;也可以接纳边索,通过对其施加较大的预张力形成柔性界线。由于柔性界线可以较好地顺应膜面的变形,阻止膜面在装置和受荷历程中泛起褶皱,因而较为常用。
关于菱形平面的鞍形膜结构,可界说两对角点间的水平距离 L 为跨度,高点(或低点)与跨中点间的高差f 为矢高,f / L为矢跨比(如图 4b所示)。矢跨比是控制鞍形曲面形状的主要参数。矢跨比越大,膜面曲率越大,结构刚度就越好;通常矢跨比在 1/ 8~1/ 12之间。
2.伞形(conical shape)
伞形膜结构也是常见的张拉膜结构形式之一。这种结构形式的特点在于,膜单位的周边相对位置较低,多牢靠在刚性边梁或柔性边索上;在膜单位的中部设有一个或多个高点,多通过自力柱、飞柱或悬挂环的支承来实现;整个膜面呈锥形为了阻止在高点周围的膜材内部应力过大,当膜单位跨度较大时,可在高点和界线支承点之间设置脊索,以改变结构内部的传力路径,阻止膜材泛起应力集中。伞形曲面还可以倒置应用于工程中。
3.拱支式(arch supported shape)
拱支式膜结构以拱为膜材提供一连的支承点,结构平面多为圆形或近似椭圆形。当跨度较大时,常在中心拱与下部边沿构件之间安排正交索网。拱支式膜结构多用于关闭式修建中,如加拿大加尔格里的林赛公园体育中心(Li ndsay Park Sport s Cent er)就是典范的拱支式膜结构。
4.脊谷式(wave shape)
脊谷式膜结构是在两高点之间安排相互平行的脊索、在两低点之间安排谷索,崎岖相间,曲面呈海浪形;脊索和谷索之间的膜面形成负高斯曲率曲面。当结构跨度较大或荷载较大时,还可在脊索和谷索之间适当安排一些横向的增强索。脊谷式膜结构的结构平面多呈矩形,如图 7 所示。美国的丹佛国际机场和加拿大的 Canada Place等,都是典范的脊谷式膜修建。
只管上述四种基本形式的造型各不相同,但都遵照一个原则,即要通过刚性支承构件或毗连件在膜面内形成一系列的高点和低点;这正是互反曲面的基本特征,即互反曲面的界线不会位于统一平面内。掌握了这一原则,在现实设计中就可以凭证支承构件的形式(桅杆、拱或吊环)及其对膜的支承方法(点支承或线支承),来选取适当的膜结构造型形式。
以上四种基本形式仅仅是为了加深明确所作的一种简朴归纳,现实膜结构的形状远非云云简朴,甚至可以说是鲜有类似;即即是这四种基本形式自己也可以有多种多样的变形。在现实设计时,切不可以拘泥于其中,而应掌握膜结构自然、流通的精髓,创立出更多的新颖、新奇的膜结构作品。
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