膜结构工程设计与施工

    摘要：膜结构又叫张拉膜结构（Tensioned Membrane structure），是以建筑织物，即膜材
料为

 张拉主体，与支撑构件或拉索共同组成的结构体系，它以其新颖独特的建筑造型，良

好的受力特点，成为大跨度空间结构的主要形式之一。

 作为一种全新的建筑结构形式，它

集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，具有很高技术含量。本文
就膜结构在实际工程的使用情况进行介绍，通过对设计和施工中有关问题的解决处理，分
析和探讨膜结构的性能和使用。

 

　　关键词：膜结构；曲面有限单元；膜材；设计；施工

 

　　

 

　　

1 工程概况 

　　某体育场看台为二层框架结构，二层看台面积

1616.5㎡，建筑高度 9.15m。看台的膜结

构在中间主席台由一个在中央的双圆锥结构构成，在两侧看台各一组六个双圆锥结构组成
的。整个结构向后倾斜。雨水将流向背后。两边的双圆锥结构设计成锯齿状。

 

　　

2 膜结构的设计 

　　

2．1 曲面有限单元建立的膜结构理论分析 

　　膜结构的设计总体思路为：先找出一个初始平衡形状，然后进行各种荷载组合下的力
学分析，最后裁剪制作。关于膜结构的计算方法，目前以有限元法为最先进、最普遍被采用
的方法。而单元类型皆为三角形平面常应变单元，该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来
的。

 

　　膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的，因为对于刚性壳体来说
这种平板单元可以看成平面应力单元和平板弯曲单元的组合，其单元刚阵可以由这两种单
元刚阵合并而成。而膜结构作为软壳体是不能抗弯的，只能靠薄膜曲面的曲率变化，从而引
起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。如果还是采用这种只有平面内应力的板
单元，则应变的线性部分将不反映平面外

z 方向位移的影响，这导致单元不包含 z 方向节

点反力，就每个单元来说静力是不平衡的。所幸的是应变的非线性部分考虑了

z 向位移的影

响，使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不断迭代能近似达到平衡，缺点是需要过多
的平面内位移来满足平衡的要求，而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲
率变化就可以了。

 

　　考虑到以上因素，采用曲面膜单元，应变的线性部分引入了

z 向位移及单元的曲率和

扭率，非线性部分仍然保留

z 向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平

衡方程都能很容易满足，迭代次数大为减少，而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元
内各点应力都不相同，据此判断皱折是否出现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭
率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。用曲面有限
单元建立的膜结构找形及内力计算方法极小曲面具有非常完美的表面形状和应力状态，是
膜结构最合理的理想初始状态。

 

　　

2．2 膜结构设计模型分析 

　　对于两边的膜结构，每个架间由一片双圆锥膜组成。中间的膜结构仍由一片双圆锥组成。
所有的膜都将会有放射性接缝的设计，这是一种最完美的双圆锥膜结构设计。

 

　　

2．3 对膜结构进行以下几种荷载工况分析： 

　　（

1） 预应力 

　　（

2） 均布雪荷载 0.4KN/sqm 

　　（

3） 均布风压力 q＝0.4KN/sqm，Cp=0.6