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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3.9×10-6mm/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〈0.55σe(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载而言对索的工作性能更不利，因为振动会使索产生反复加卸载从而引起松弛。从这个观点出发，应尽量使工程结构中的索具有较高的工作应力。设计中综合考虑索的疲劳、松弛等效应，一般取安全系数为5。在这个范围内，根据实验结果，索被认为是线弹性体，并且具有不低于200万次的疲劳寿命。?? ??膜结构采用的薄膜材料，大多采用涂层织物薄膜，分为两部分，内部为基材织物，主要决定膜材的力学性质，提供材料的抗拉强度、抗撕裂强度等。外层为涂层，主要解决膜材的物理性质，提供材料的耐火性及防水、自治性等，常用的膜材一般为聚酯织物涂敷聚氯乙烯涂层膜材、玻璃纤维织物涂敷聚四氟乙烯涂层或有机硅树脂涂层膜材等。膜材的抗拉强度、粘结强度与抗撕裂强度之间有很大的相关性。基布编织紧密的膜材有很高的抗拉强度，但抗撕裂强度相应较低，这是由于其很高的弹性模量及基布与涂层间的粘结强度较大的缘故。高的弹性模量限制了基布的拉伸、延展，而粘结作用又阻止了基布和涂层间的滑移，进一步限制了膜材的拉伸延展，这种特性使高抗拉强度膜材实际可用的抗拉强度大大降低，因为在实际工程中，膜材的破坏主要是抗撕裂强度不足引起的撕裂破坏。膜材的疲劳强度比抗拉强度小得多，接缝的强度通常比材料强度小，且由于紫外线的照射会老化、变质，因此需对膜材在外部气候条件下进行性能试验，进行长期观测。从经济的角度看，膜材的耐久性还是令人满意的。微小的损伤可