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浅述张拉式膜结构自行车车棚中膜面的几何要求
编辑:山东飞博膜结构工程有限公司   时间:2021-04-10

  张拉膜结构自行车车棚结构为了覆盖空间和承受荷载需要具备三个要素∶拓扑、外形和刚度。拓扑是指其构造关系或者结构关系,结构的构件须符合一些连接要求。具有某一拓扑关系的结构还须符合外形的要求,这不但是建筑使用上的要求也是结构传力的要求。结构的外形和拓扑要素是结构的几何要素。结构需要承受荷载因此须具有一些刚度,并不是每种几何体均能形成刚度,因此只有能形成刚度的几何体才有可能成为结构。

  张拉膜结构和其他传统结构形式较大的区别在于其所运用的结构材料。传统的建筑结构例如梁柱结构,拱结构、桁架结构等,采用的都是刚性材料,结构可以直接由材料中得到刚度。而张拉式膜结构应用的结构用材是为薄膜,它是一种柔性材料,只能受拉不可受压,它须符合某一拓扑关系几何造型,经过施加预应力来获得结构刚度,从而使结构具有承载能力。

  张拉膜结构自行车车棚需要符合的几何要求就是形成负高斯曲面。在几何上,根据曲面在两主曲率方向上的曲率乘积,可把曲面分成为正高斯曲面、零高斯曲面和负高斯曲面三大类。正高斯曲面上每个点的两个主曲率半径均位置于曲面的一侧,如球面。零高斯曲面上每个点有个方向曲率为等,如柱面。负高斯曲面上每个点的的两个主曲率半径分别位于曲面的两侧,如膜结构里的鞍面与锥北面,这种曲面也称之为互反曲面。

  那么为何张拉膜结构的曲面方式须是负高斯的曲面呢?假设空间中有一个点,通过电缆保持该点的平衡。由于电缆是柔性的,不能被压缩,因此在该点上至少需要连接四根电缆,其中两根电缆需要向上弯曲以承受节点上的向下力;另外两根电缆需要向下弯曲以承受节点上的向上力。以此类推,如果柔性曲面上的每个点都需要平衡,那么曲面须是负高斯曲面。当曲面曲率较小时,为了保持膜面的平衡,须施加较大预应力。当曲率较大时,可以减小膜表面的预应力。

  因此,在设计张拉膜结构的自行车车棚时,应尽量规避平面区域,这样会造成膜应力分布不均,较难保持结构的稳定性。负高斯曲面是维持张拉膜结构的稳定性基本的几何元素。在此基础上,对表面施加预应力,产生够强的刚度,符合建筑结构之要求。张拉膜结构的表面造型与结构应力密切相关,结构应力是膜表面内应力的直接表现。

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