高等钢结构课程报告题目张力结构及其在体育场馆中的应用
TONGJI University
报告人：赵奋主要内容
第一章 绪论
第二章 悬索结构
第三章 张力集成体系
第四章 薄膜结构
第五章 张力结构的展望第一章 绪论
大跨度空间结构简介
张力结构的基本概念
张力结构的分类
张力结构的特点大跨度空间结构简介
为了满足社会生活和居住环境的需要,人们需要更大的覆盖空间,如大型的集会场所,体育馆,
飞机库等,跨度要求很大,达几百米或更大 。
所谓空间结构是指：具有不宜分解为平面结构体系的三维形体,具有三维受力特性,在荷载作用下呈空间工作的结构 。
空间结构的技术水平是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准,也是一个国家综合国力的体现 。
因此世界各国对空间结构技术的发展一直予以高度的重视 。
r
8r
l
f
大跨度空间结构简介 （续一）
德国慕尼黑安联球场英国伦敦千年穹顶中国国家大剧院中国国家体育场张力结构的基本概念
张力结构就是指通过对柔性的索或膜施加预张力以后形成的结构体系,具有非线性特征 。 其主要受力构件是单向受拉的索或双向受拉的膜 。
如果一个结构中所有构件均受拉力,那将一定是一个最经济的结构 。 张力结构不仅具有很高的结构效率,而且造型优美,在大跨度空间结构及中小跨度结构中得到了广泛应用 。
美国著名建筑大师富勒 （ R.B,Fuller） 认为：自然界中并不利用实际存在的抗压性,因此在结构中也应该尽可能地减少受压状态而使结构处于连续的张力状态,从而,让压力成为张力海洋中的孤岛,。
非均匀积雪 — 角度大于 50o不积雪
r /2?r
r = 2 ~ 3
积雪荷载不与活荷载同时考虑。
张力结构的特点
张力结构的基本结构单元除了具有传统结构单元必需的几何构造准则外尚应符合特定的结构单元准则 。
张力结构从满足一定拓扑关系的几何构造和外形中,通过预应力过程获取刚度,从而使结构具有满足功能要求的建筑造型和承载能力 。
结构的应力回路,刚度与预应力
形状
非线性和非保守性
全张力状态和恒定应力状态
自平衡过程
施工方法和过程多跨屋盖
2?r?
r
张力结构的分类
张力结构的分析,设计与施工的过程紧紧围绕结构的拓扑,外形及刚度展开 。 张力结构一般都不是一种简单的型式,而是多种型式的集成,因此各文献对其分类也不尽相同,对张力结构可作如下分类,悬索结构,张力集成体系和膜结构 。
悬索结构按受力特点,一般可分成 单层悬索体系,
双层悬索体系,索网结构,张弦梁,组合悬索结构及斜拉结构 等类型 。
张力集成体系主要是 索穹顶结构和平板型张力集成体系 （ 索网架 ） 。
按照膜在结构中所起的作用和膜的结构形式,膜结构体系可分为 充气膜,骨架式膜和张拉膜 。
第二章 悬索结构
悬索结构概述
悬索结构的分析
悬索结构在体育场馆中的应用悬索结构概述
悬索结构形式多样,布置灵活,自重轻,施工简单 。 它以一系列受拉的索作为主要承重构件,这些索按一定规律组成各种不同形式的体系,并悬挂在相应的支承结构上 。 悬索结构仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用,结构中不出现弯矩和剪力效应,可充分利用钢材的强度 。
辐射式布置的单层索体系 空间曲梁支承的索网结构悬索结构的概述 （续一）
张弦桁架 斜拉桁架
悬索结构的分析过程应包括三个状况,即结构的初始几何状态,预应力态,荷载态 。
悬索的荷载与位移,荷载与索力的关系曲线呈非线性 。 计算悬索必须采用几何非线性理论 。
悬索结构的形状稳定性问题 。 悬索不能抗弯,
是一种可变体系；悬索内拉力越大,其形状稳定性越好 。
悬索结构的分析
钢索及其基本受力特性
悬索结构分析的有限单元法：
悬索结构的形态分析,形态分析就是寻求满足建筑造型和功能要求并与某种自平衡的应力分布状态相对应的几何形状 。 形态分析有时也称找形分析,可以采用力密度法,动力松弛法和有限单元法 。
悬索结构的受力分析,经形态分析确定结构形状后,
即可进行受力分析以检验结构的安全性 。 分析方法按有限单元法 。
悬索结构的动力特性及抗风抗震分析
悬索结构的强度和刚度校核悬索结构在体育场馆中的应用
1953年,美国的 Fred Severud设计了北卡罗莱那州雷里 （ Releigh） 体育馆,这是世界上第一个现代房屋悬索结构,它采用鞍形索网体系 。
雷里体育馆全貌雷里体育馆立剖面
1961年建成的北京工人体育馆采用车幅式双层索系,
迄今为止仍然是我国最大的悬索结构 。
北京工人体育馆悬索结构在体育场馆中的应用 （续一）
加拿大卡尔加里滑冰馆最大刚性边界鞍形索网日本东京代代木体育馆组合悬索北京朝阳体育馆组合悬索与预应力索拱四川体育馆组合悬索第三章 张力集成体系
张力集成体系概述
索穹顶结构
张力集成体系在体育场馆中的应用张力集成体系概述
张力集成体系的概念最早是由美国著名建筑大师富勒在 20世纪 40年代提出的 。
张力集成体系是由一组不连续的压杆与一组连续的受拉单元组成的自支承,自应力的空间平衡体系 。
张力集成体系的基本特点是最大限度的处于连续张力状态,而压杆只是极少数的杆件 。 目前工程中的应用主要是索穹顶结构和平板型张力集成体系 。
张力集成体系从最初的设想到工程实践,大约经历了以下几个阶段,想象和几何学,拓补和图形理论,
力学分析及试验研究 。 其中力学分析包括找形,自应力准则,工作机理和外力作用下的平衡 。
索穹顶结构
20世纪 80年代,美国著名结构工程师盖格 （ D.H.
Geiger） 对富勒的思想进行了适当的改造,成功地设计并开发了一种新型大跨度空间结构体系－索穹顶 （ Cable Dome） 。
索穹顶结构是空间双层索系和覆面膜材的联合运用 。
荷载从中心拉环通过放射状的径向脊索,环向索,
斜拉索传向周围的受压环梁 。 扇形膜材由钢索施加拉力而绷紧,固定在压杆与索连接的节点上 。
盖格体系结构形式富勒张拉整体结构索穹顶结构（续一）
索穹顶结构的特点,⑴ 通过脊索,环索与桅杆和边缘支承结构共同形成一个整体的平衡体系； ⑵
在预应力作用下,整个结构处于连续的张力状态,
充分发挥了钢索的强度； ⑶ 工作机理依靠自身的形状； ⑷ 是一种非保守结构体系； ⑸ 是一种自支承体系 。
张力集成体系在体育场馆中的应用
1988年,盖格成功地将自己的设计应用于汉城奥运会体操馆和击剑馆的建设,体操馆是世界上第一个采用张拉整体概念的大型工程 。
韩国汉城奥运会体操馆体操馆结构
1996年,美国工程师李维 （ M,Levy)进一步发展了索穹顶结构体系,改用联方形拉索网格,并应用于 1996
年亚特兰大奥运会主场馆的佐治亚穹顶 （ Georgia
Dome),其跨度达到了 240m× 192m。
张力集成体系在体育场馆中的应用 （续一）
佐治亚穹顶截面图佐治亚穹顶张拉集成图美国佐治亚穹顶佐治亚穹顶内视图第四章 薄膜结构
薄膜结构概述
薄膜结构膜材
薄膜结构的类型和选型
薄膜结构设计分析
薄膜结构在体育场馆中的应用薄膜结构概述
薄膜结构以性能优良的柔软织物为材料,可以是向膜内充气,由空气压力支撑膜面,也可以是利用柔软性的拉索结构或刚性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起,从而形成具有一定刚度,能够覆盖大跨度空间的结构体系 。
薄膜结构是建筑与结构完美结合的一种结构体系,
具有如下特点：
具有优良的力学特性；
是一种理想的抗震建筑物；
制作方便,施工快,造价经济；
薄膜材料具有透光性；
薄膜结构主要缺点是耐久性较差 。
薄膜结构膜材
现代建筑膜材一般由中间的纤维织布基层和外涂的树脂涂层组成,称为涂层织物 （ Coated Fabric） 。
基层是受力构件,起承受和传递荷载的作用；树脂涂层除保护基层外,还具备防火,防潮,透光,隔热等性能 。
常用的膜材有 PTFE膜材,PVC膜材,外涂硅酮的玻璃纤维膜和 ETFE膜材 。 PTFE膜材透光性和自洁性好,寿命长,一般用于永久性建筑 。 但其对加工和施工工艺方面要求较高 。 ETFE膜材高抗污,耐腐蚀,
质轻强度高,品质优异可靠 。
PTFE膜材（ Teflon）
膜材的基本力学模型可假设为二维正交异性弹性体 。
薄膜结构的类型和选型
充气膜结构充气膜结构是膜发展过程中最初阶段的主要形式 。
它利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力,使膜面能覆盖所形成的空间 。 钢索主要起加劲作用,防止出现应力集中 。
充气膜结构在使用过程中出现了较多问题 。
张拉式膜结构是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度,
并承担外荷载的结构形式 。 张拉膜曲面是维持张拉膜结构体系的最重要的结构单元；张拉膜的形和预张力水平在结构性态中起决定作用 。
膜张拉并置于由钢或其他材料构成的刚性骨架上构成骨架式膜结构 。 其显著特点在于：膜又不仅仅是单纯的覆盖屋面系,
而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性；骨架式膜结构是一种十分稳定的结构系统,骨架构成了完整的建筑空间 。
骨架式膜结构具有更广泛的应用领域,特别是对于大型公共体育馆,会展中心等 。
薄膜结构的类型和选型 （续一）
大阪博览会日本富士馆气承式膜结构日本东京后乐园棒球馆气承式膜结构沙特利雅德体育场张拉式膜结构上海八万人体育场骨架式膜结构薄膜结构设计分析
薄膜结构主要包括三个结构,找形优化分析,荷载分析和裁剪分析 。 找形分析是基础,荷载分析是关键,裁剪分析是目标和归宿 。
找形分析需要建筑师,业主,结构工程师紧密配合,创造出具有个性特征的作品,既满足建筑意象,又符合膜受力特性的稳定平衡状态 。
找形分析的方法目前主要是计算机模拟技术,有力密度法,动力松弛法,非线性有限元分析法,
以及一些特殊方法 。
物理模型是找形分析的有益补充合工具；预张力是找形分析重要参数 。
薄膜结构设计分析 （续一）
荷载分析首先要建立正确合理的分析模型,然后考虑菏裁作用的合理取值 并进行综合结构响应评价,确定最优安全度,材料量,经济指标 。
膜结构设计基准期降低,荷载设计取值应在遵循荷载规范下仔细分析考虑 。
膜结构荷载分析应采用几何非线性分析理论与方法来分析,并且与初始找形方法一致 ；膜结构分析可按极限承载力状态理论或容许应力理论进行计算分析 。
薄膜结构设计分析 （续二）
裁剪分析必须准确模拟膜的任何边界约束,预张力与找形分析和荷载分析所认为的合理预张力应完全一致,以及考虑材料,加工,安装运输等因素,进而得到合 理的裁剪分析结果 。
裁剪分析过程主要分为两个步骤：将膜曲面剖分成空间膜片,称为裁剪线的确定；将空间膜片展开为平面裁剪条元,称为膜片展开 。
马鞍型双曲线膜经纬向布置 浙江大学风雨操场膜裁剪切线薄膜结构在体育场馆中的应用
20世纪 50年代,佛赖,奥托 （ Frei Otto） 创立了预应力膜结构理论,并于 1955年为德国联邦园艺博览会完成了第一个现代张拉膜结构 。 1972年,他还为德国奥林匹克运动中心设计了连续帐篷式结构,为膜结构的应用奠定基础 。
膜结构的第一次集中展示是 1970年的日本大阪万国博览会 。
自 1970年起以后十多年间,美国建起了大约八座大型永久性的充气膜结构体育馆,其中 1975年建造的密歇根州庞蒂亚克
,银色穹顶,的椭圆平面达 220m× 159m。
德国奥林匹克运动中心 Pondiac Silver Dome
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续一）
尽管充气膜结构存在气压自动控制和融雪热风性能的问题,
日本在 1988年东京后乐园棒球馆中仍选择了充气膜结构,该结构采用双层膜构造,应用了先进的控制技术 。 但运行费用昂贵 。
1992年建成的日本熊本公园体育馆在屋盖中央部分采用了悬挂式充气膜结构,在内部增加了车幅式双层索系,并采用了先进的控制技术 。
日本东京后乐园棒球馆 日本熊本公园体育馆薄膜结构在体育场馆中的应用 （续二）
德国慕尼黑安联球场建成于
2005年,是目前欧洲最现代化的球场 。 其外表面由 2874
块 ETFE 菱形膜结构构成,
膜结构内保持气压 350Pa，
在夜间它可以被照成红,蓝,
白三色,其精巧的结构壮丽的外观令人叹为观止 。
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续三）
1994年以后我国的薄膜结构工程迅速增多,与国外膜结构发展相似,体育建筑起了催化剂的作用 。 1997年建造的上海八万人体育场,马鞍形屋盖平面投影尺寸 288.4m× 274.4m。
由 64榀径向悬挑桁架和环向次桁架组成的空间结构作为骨架,
最大悬挑长度 73.5m。 屋面共有 57个由八根拉索和一根 。 立柱覆以膜材组成的伞状单体,膜的覆盖面积 2.89万 m2。 这是我国首次将膜结构大面积应用到永久建筑上 。
上海八万人体育场 （骨架支撑薄膜结构）
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续四）
1999年建成的上海虹口体育场平面 214m× 205m,采用聚四氟乙烯 （ PTFE）,膜覆盖面积 2.8 万 m2,由 47个波状膜单元覆盖在径向索桁架上,悬挑 26～ 50m,设三道环梁,膜单元骨架由一根水平钢管及六根钢索 张拉而成 。 这种马鞍形环状大悬挑的空间索桁架结构体系在我国还是首次采用 。
上海虹口体育场 （骨架支撑薄膜结构）
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续四）
2000年建成的青岛颐中体育场平面 266m× 180m,膜覆盖面积 3万 m2,60个膜单元,内悬挑 37m,外悬挑 7m。 青岛颐中体育场为我国第一个自行设计,安装和采用整体张拉式索膜结构 的体育场工程 。
青岛颐中体育场 （张拉薄膜结构）
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续五）
晶莹剔透的国家游泳中心,水立方,作为 2008年北京奥运会标志性建筑物之一,采用 ETFE（ 乙烯 --四氟乙烯共聚物 ） 膜材料作为立面维护体系的建筑,是目前我国以及国际上建筑面积最大,功能要求最复杂的膜结构系统 。
国家游泳中心薄膜结构在体育场馆中的应用 （续六）
日本东京棒球馆武汉体育中心体育场韩国釜山体育场德国傲赴沙尔克球场第五章 张力结构的展望
张力结构造型优美,材料高强,结构效率高,
已在我国得到了很大的发展和广泛的应用,
其设计,施工的理论和实践不断地成熟,并在许多方面取得了较大的突破 。
我国张力结构的应用及发展应在研发新型材料的基础上,完善结构设计和分析,不断创新合理的结构型式,开发更为合理的计算机程序与软件,充分发挥张力结构自身的优点,
促进大跨度空间结构特别是体育场馆建筑的进一步发展 。
谢 谢！
TONGJI University
TONGJI University
报告人：赵奋主要内容
第一章 绪论
第二章 悬索结构
第三章 张力集成体系
第四章 薄膜结构
第五章 张力结构的展望第一章 绪论
大跨度空间结构简介
张力结构的基本概念
张力结构的分类
张力结构的特点大跨度空间结构简介
为了满足社会生活和居住环境的需要,人们需要更大的覆盖空间,如大型的集会场所,体育馆,
飞机库等,跨度要求很大,达几百米或更大 。
所谓空间结构是指：具有不宜分解为平面结构体系的三维形体,具有三维受力特性,在荷载作用下呈空间工作的结构 。
空间结构的技术水平是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准,也是一个国家综合国力的体现 。
因此世界各国对空间结构技术的发展一直予以高度的重视 。
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大跨度空间结构简介 （续一）
德国慕尼黑安联球场英国伦敦千年穹顶中国国家大剧院中国国家体育场张力结构的基本概念
张力结构就是指通过对柔性的索或膜施加预张力以后形成的结构体系,具有非线性特征 。 其主要受力构件是单向受拉的索或双向受拉的膜 。
如果一个结构中所有构件均受拉力,那将一定是一个最经济的结构 。 张力结构不仅具有很高的结构效率,而且造型优美,在大跨度空间结构及中小跨度结构中得到了广泛应用 。
美国著名建筑大师富勒 （ R.B,Fuller） 认为：自然界中并不利用实际存在的抗压性,因此在结构中也应该尽可能地减少受压状态而使结构处于连续的张力状态,从而,让压力成为张力海洋中的孤岛,。
非均匀积雪 — 角度大于 50o不积雪
r /2?r
r = 2 ~ 3
积雪荷载不与活荷载同时考虑。
张力结构的特点
张力结构的基本结构单元除了具有传统结构单元必需的几何构造准则外尚应符合特定的结构单元准则 。
张力结构从满足一定拓扑关系的几何构造和外形中,通过预应力过程获取刚度,从而使结构具有满足功能要求的建筑造型和承载能力 。
结构的应力回路,刚度与预应力
形状
非线性和非保守性
全张力状态和恒定应力状态
自平衡过程
施工方法和过程多跨屋盖
2?r?
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张力结构的分类
张力结构的分析,设计与施工的过程紧紧围绕结构的拓扑,外形及刚度展开 。 张力结构一般都不是一种简单的型式,而是多种型式的集成,因此各文献对其分类也不尽相同,对张力结构可作如下分类,悬索结构,张力集成体系和膜结构 。
悬索结构按受力特点,一般可分成 单层悬索体系,
双层悬索体系,索网结构,张弦梁,组合悬索结构及斜拉结构 等类型 。
张力集成体系主要是 索穹顶结构和平板型张力集成体系 （ 索网架 ） 。
按照膜在结构中所起的作用和膜的结构形式,膜结构体系可分为 充气膜,骨架式膜和张拉膜 。
第二章 悬索结构
悬索结构概述
悬索结构的分析
悬索结构在体育场馆中的应用悬索结构概述
悬索结构形式多样,布置灵活,自重轻,施工简单 。 它以一系列受拉的索作为主要承重构件,这些索按一定规律组成各种不同形式的体系,并悬挂在相应的支承结构上 。 悬索结构仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用,结构中不出现弯矩和剪力效应,可充分利用钢材的强度 。
辐射式布置的单层索体系 空间曲梁支承的索网结构悬索结构的概述 （续一）
张弦桁架 斜拉桁架
悬索结构的分析过程应包括三个状况,即结构的初始几何状态,预应力态,荷载态 。
悬索的荷载与位移,荷载与索力的关系曲线呈非线性 。 计算悬索必须采用几何非线性理论 。
悬索结构的形状稳定性问题 。 悬索不能抗弯,
是一种可变体系；悬索内拉力越大,其形状稳定性越好 。
悬索结构的分析
钢索及其基本受力特性
悬索结构分析的有限单元法：
悬索结构的形态分析,形态分析就是寻求满足建筑造型和功能要求并与某种自平衡的应力分布状态相对应的几何形状 。 形态分析有时也称找形分析,可以采用力密度法,动力松弛法和有限单元法 。
悬索结构的受力分析,经形态分析确定结构形状后,
即可进行受力分析以检验结构的安全性 。 分析方法按有限单元法 。
悬索结构的动力特性及抗风抗震分析
悬索结构的强度和刚度校核悬索结构在体育场馆中的应用
1953年,美国的 Fred Severud设计了北卡罗莱那州雷里 （ Releigh） 体育馆,这是世界上第一个现代房屋悬索结构,它采用鞍形索网体系 。
雷里体育馆全貌雷里体育馆立剖面
1961年建成的北京工人体育馆采用车幅式双层索系,
迄今为止仍然是我国最大的悬索结构 。
北京工人体育馆悬索结构在体育场馆中的应用 （续一）
加拿大卡尔加里滑冰馆最大刚性边界鞍形索网日本东京代代木体育馆组合悬索北京朝阳体育馆组合悬索与预应力索拱四川体育馆组合悬索第三章 张力集成体系
张力集成体系概述
索穹顶结构
张力集成体系在体育场馆中的应用张力集成体系概述
张力集成体系的概念最早是由美国著名建筑大师富勒在 20世纪 40年代提出的 。
张力集成体系是由一组不连续的压杆与一组连续的受拉单元组成的自支承,自应力的空间平衡体系 。
张力集成体系的基本特点是最大限度的处于连续张力状态,而压杆只是极少数的杆件 。 目前工程中的应用主要是索穹顶结构和平板型张力集成体系 。
张力集成体系从最初的设想到工程实践,大约经历了以下几个阶段,想象和几何学,拓补和图形理论,
力学分析及试验研究 。 其中力学分析包括找形,自应力准则,工作机理和外力作用下的平衡 。
索穹顶结构
20世纪 80年代,美国著名结构工程师盖格 （ D.H.
Geiger） 对富勒的思想进行了适当的改造,成功地设计并开发了一种新型大跨度空间结构体系－索穹顶 （ Cable Dome） 。
索穹顶结构是空间双层索系和覆面膜材的联合运用 。
荷载从中心拉环通过放射状的径向脊索,环向索,
斜拉索传向周围的受压环梁 。 扇形膜材由钢索施加拉力而绷紧,固定在压杆与索连接的节点上 。
盖格体系结构形式富勒张拉整体结构索穹顶结构（续一）
索穹顶结构的特点,⑴ 通过脊索,环索与桅杆和边缘支承结构共同形成一个整体的平衡体系； ⑵
在预应力作用下,整个结构处于连续的张力状态,
充分发挥了钢索的强度； ⑶ 工作机理依靠自身的形状； ⑷ 是一种非保守结构体系； ⑸ 是一种自支承体系 。
张力集成体系在体育场馆中的应用
1988年,盖格成功地将自己的设计应用于汉城奥运会体操馆和击剑馆的建设,体操馆是世界上第一个采用张拉整体概念的大型工程 。
韩国汉城奥运会体操馆体操馆结构
1996年,美国工程师李维 （ M,Levy)进一步发展了索穹顶结构体系,改用联方形拉索网格,并应用于 1996
年亚特兰大奥运会主场馆的佐治亚穹顶 （ Georgia
Dome),其跨度达到了 240m× 192m。
张力集成体系在体育场馆中的应用 （续一）
佐治亚穹顶截面图佐治亚穹顶张拉集成图美国佐治亚穹顶佐治亚穹顶内视图第四章 薄膜结构
薄膜结构概述
薄膜结构膜材
薄膜结构的类型和选型
薄膜结构设计分析
薄膜结构在体育场馆中的应用薄膜结构概述
薄膜结构以性能优良的柔软织物为材料,可以是向膜内充气,由空气压力支撑膜面,也可以是利用柔软性的拉索结构或刚性的支撑结构将薄膜绷紧或撑起,从而形成具有一定刚度,能够覆盖大跨度空间的结构体系 。
薄膜结构是建筑与结构完美结合的一种结构体系,
具有如下特点：
具有优良的力学特性；
是一种理想的抗震建筑物；
制作方便,施工快,造价经济；
薄膜材料具有透光性；
薄膜结构主要缺点是耐久性较差 。
薄膜结构膜材
现代建筑膜材一般由中间的纤维织布基层和外涂的树脂涂层组成,称为涂层织物 （ Coated Fabric） 。
基层是受力构件,起承受和传递荷载的作用；树脂涂层除保护基层外,还具备防火,防潮,透光,隔热等性能 。
常用的膜材有 PTFE膜材,PVC膜材,外涂硅酮的玻璃纤维膜和 ETFE膜材 。 PTFE膜材透光性和自洁性好,寿命长,一般用于永久性建筑 。 但其对加工和施工工艺方面要求较高 。 ETFE膜材高抗污,耐腐蚀,
质轻强度高,品质优异可靠 。
PTFE膜材（ Teflon）
膜材的基本力学模型可假设为二维正交异性弹性体 。
薄膜结构的类型和选型
充气膜结构充气膜结构是膜发展过程中最初阶段的主要形式 。
它利用膜内外空气的压力差为膜材施加预应力,使膜面能覆盖所形成的空间 。 钢索主要起加劲作用,防止出现应力集中 。
充气膜结构在使用过程中出现了较多问题 。
张拉式膜结构是通过给膜材直接施加预拉力使之具有刚度,
并承担外荷载的结构形式 。 张拉膜曲面是维持张拉膜结构体系的最重要的结构单元；张拉膜的形和预张力水平在结构性态中起决定作用 。
膜张拉并置于由钢或其他材料构成的刚性骨架上构成骨架式膜结构 。 其显著特点在于：膜又不仅仅是单纯的覆盖屋面系,
而是充分发挥了采光建筑功能和高强受力特性；骨架式膜结构是一种十分稳定的结构系统,骨架构成了完整的建筑空间 。
骨架式膜结构具有更广泛的应用领域,特别是对于大型公共体育馆,会展中心等 。
薄膜结构的类型和选型 （续一）
大阪博览会日本富士馆气承式膜结构日本东京后乐园棒球馆气承式膜结构沙特利雅德体育场张拉式膜结构上海八万人体育场骨架式膜结构薄膜结构设计分析
薄膜结构主要包括三个结构,找形优化分析,荷载分析和裁剪分析 。 找形分析是基础,荷载分析是关键,裁剪分析是目标和归宿 。
找形分析需要建筑师,业主,结构工程师紧密配合,创造出具有个性特征的作品,既满足建筑意象,又符合膜受力特性的稳定平衡状态 。
找形分析的方法目前主要是计算机模拟技术,有力密度法,动力松弛法,非线性有限元分析法,
以及一些特殊方法 。
物理模型是找形分析的有益补充合工具；预张力是找形分析重要参数 。
薄膜结构设计分析 （续一）
荷载分析首先要建立正确合理的分析模型,然后考虑菏裁作用的合理取值 并进行综合结构响应评价,确定最优安全度,材料量,经济指标 。
膜结构设计基准期降低,荷载设计取值应在遵循荷载规范下仔细分析考虑 。
膜结构荷载分析应采用几何非线性分析理论与方法来分析,并且与初始找形方法一致 ；膜结构分析可按极限承载力状态理论或容许应力理论进行计算分析 。
薄膜结构设计分析 （续二）
裁剪分析必须准确模拟膜的任何边界约束,预张力与找形分析和荷载分析所认为的合理预张力应完全一致,以及考虑材料,加工,安装运输等因素,进而得到合 理的裁剪分析结果 。
裁剪分析过程主要分为两个步骤：将膜曲面剖分成空间膜片,称为裁剪线的确定；将空间膜片展开为平面裁剪条元,称为膜片展开 。
马鞍型双曲线膜经纬向布置 浙江大学风雨操场膜裁剪切线薄膜结构在体育场馆中的应用
20世纪 50年代,佛赖,奥托 （ Frei Otto） 创立了预应力膜结构理论,并于 1955年为德国联邦园艺博览会完成了第一个现代张拉膜结构 。 1972年,他还为德国奥林匹克运动中心设计了连续帐篷式结构,为膜结构的应用奠定基础 。
膜结构的第一次集中展示是 1970年的日本大阪万国博览会 。
自 1970年起以后十多年间,美国建起了大约八座大型永久性的充气膜结构体育馆,其中 1975年建造的密歇根州庞蒂亚克
,银色穹顶,的椭圆平面达 220m× 159m。
德国奥林匹克运动中心 Pondiac Silver Dome
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续一）
尽管充气膜结构存在气压自动控制和融雪热风性能的问题,
日本在 1988年东京后乐园棒球馆中仍选择了充气膜结构,该结构采用双层膜构造,应用了先进的控制技术 。 但运行费用昂贵 。
1992年建成的日本熊本公园体育馆在屋盖中央部分采用了悬挂式充气膜结构,在内部增加了车幅式双层索系,并采用了先进的控制技术 。
日本东京后乐园棒球馆 日本熊本公园体育馆薄膜结构在体育场馆中的应用 （续二）
德国慕尼黑安联球场建成于
2005年,是目前欧洲最现代化的球场 。 其外表面由 2874
块 ETFE 菱形膜结构构成,
膜结构内保持气压 350Pa，
在夜间它可以被照成红,蓝,
白三色,其精巧的结构壮丽的外观令人叹为观止 。
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续三）
1994年以后我国的薄膜结构工程迅速增多,与国外膜结构发展相似,体育建筑起了催化剂的作用 。 1997年建造的上海八万人体育场,马鞍形屋盖平面投影尺寸 288.4m× 274.4m。
由 64榀径向悬挑桁架和环向次桁架组成的空间结构作为骨架,
最大悬挑长度 73.5m。 屋面共有 57个由八根拉索和一根 。 立柱覆以膜材组成的伞状单体,膜的覆盖面积 2.89万 m2。 这是我国首次将膜结构大面积应用到永久建筑上 。
上海八万人体育场 （骨架支撑薄膜结构）
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续四）
1999年建成的上海虹口体育场平面 214m× 205m,采用聚四氟乙烯 （ PTFE）,膜覆盖面积 2.8 万 m2,由 47个波状膜单元覆盖在径向索桁架上,悬挑 26～ 50m,设三道环梁,膜单元骨架由一根水平钢管及六根钢索 张拉而成 。 这种马鞍形环状大悬挑的空间索桁架结构体系在我国还是首次采用 。
上海虹口体育场 （骨架支撑薄膜结构）
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续四）
2000年建成的青岛颐中体育场平面 266m× 180m,膜覆盖面积 3万 m2,60个膜单元,内悬挑 37m,外悬挑 7m。 青岛颐中体育场为我国第一个自行设计,安装和采用整体张拉式索膜结构 的体育场工程 。
青岛颐中体育场 （张拉薄膜结构）
薄膜结构在体育场馆中的应用 （续五）
晶莹剔透的国家游泳中心,水立方,作为 2008年北京奥运会标志性建筑物之一,采用 ETFE（ 乙烯 --四氟乙烯共聚物 ） 膜材料作为立面维护体系的建筑,是目前我国以及国际上建筑面积最大,功能要求最复杂的膜结构系统 。
国家游泳中心薄膜结构在体育场馆中的应用 （续六）
日本东京棒球馆武汉体育中心体育场韩国釜山体育场德国傲赴沙尔克球场第五章 张力结构的展望
张力结构造型优美,材料高强,结构效率高,
已在我国得到了很大的发展和广泛的应用,
其设计,施工的理论和实践不断地成熟,并在许多方面取得了较大的突破 。
我国张力结构的应用及发展应在研发新型材料的基础上,完善结构设计和分析,不断创新合理的结构型式,开发更为合理的计算机程序与软件,充分发挥张力结构自身的优点,
促进大跨度空间结构特别是体育场馆建筑的进一步发展 。
谢 谢！
TONGJI University
