本發(fā)明涉及建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其涉及一種大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，膜結(jié)構(gòu)具有自重輕、跨度大、施工方便、透光性好、自潔性好等特點(diǎn)，同時(shí)，膜結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，其自身對(duì)變形的適應(yīng)性也要遠(yuǎn)好于剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)。因此膜結(jié)構(gòu)往往作為大跨度索結(jié)構(gòu)屋蓋的首選屋面圍護(hù)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)館等大跨度建筑的屋頂結(jié)構(gòu)中。膜結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的不同首先表現(xiàn)為材料本身不具有剛度和形狀，必須通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力才能獲得結(jié)構(gòu)的剛度和形狀，常見(jiàn)的張拉膜結(jié)構(gòu)單元形狀包括雙曲拋物面鞍形、類(lèi)錐形傘狀、或雙傘狀等負(fù)高斯曲率造型。這些造型通過(guò)膜內(nèi)部的拱、索、撐桿等支承構(gòu)件輔助成形。但是隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，張拉膜結(jié)構(gòu)單元的常見(jiàn)形狀和支承其形狀的構(gòu)件已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足建筑師對(duì)建筑造型，特別是大跨度屋蓋的造型和效果的追求。

2、無(wú)內(nèi)部支承構(gòu)件的張拉膜結(jié)構(gòu)，其在實(shí)現(xiàn)建筑造型時(shí)具有更大的適應(yīng)性，同時(shí)相較剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)還可以大幅降低屋頂重量，減少屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高建筑屋蓋的輕盈和通透效果。但是無(wú)內(nèi)部支承構(gòu)件的膜結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題：膜材只能承受膜面內(nèi)拉力，垂直膜面方向的荷載通過(guò)膜面的變形轉(zhuǎn)換成膜面的面內(nèi)拉力。不同于傳統(tǒng)張拉膜結(jié)構(gòu)依靠拱、撐桿或拉索形成雙曲拋物面鞍形、類(lèi)錐形傘狀等負(fù)高斯曲率造型以避免積水，無(wú)內(nèi)部支承構(gòu)件的膜面曲率較小，在豎向荷載下的變形容易形成凹面的坑，導(dǎo)致積水和積雪，進(jìn)而產(chǎn)生“水兜”效應(yīng)導(dǎo)致變形與荷載不斷增大的惡性循環(huán)，產(chǎn)生安全隱患，極大地限制了這類(lèi)張拉膜結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。

3、公開(kāi)于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對(duì)本發(fā)明的總體背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)；本發(fā)明的目的之二在于提供這種大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)，包括：不少于2道非排水邊界和1道排水邊界；

4、張拉膜張拉于所述非排水邊界和排水邊界之間；

5、所述非排水邊界位于同一標(biāo)高，或者位于不同標(biāo)高上；

6、所述排水邊界呈下凹的拱形。

7、進(jìn)一步，所述拱形為圓弧、拋物線(xiàn)、橢圓線(xiàn)或nurbs曲線(xiàn)。

8、進(jìn)一步，下凹的拱形上存在且僅存在一點(diǎn)排水點(diǎn)，其標(biāo)高處于整個(gè)張拉膜面的最低點(diǎn)。

9、進(jìn)一步，所述張拉膜結(jié)構(gòu)通過(guò)兩種類(lèi)型的膜面節(jié)點(diǎn)與非排水邊界和排水邊界相連。

10、進(jìn)一步，所述膜面節(jié)點(diǎn)包括u型連接節(jié)點(diǎn)和抗滑移連接節(jié)點(diǎn)；其中，

11、所述u型連接節(jié)點(diǎn)為張拉膜面提供與邊界垂直方向的受拉約束；

12、所述抗滑移連接節(jié)點(diǎn)為張拉膜面提供與邊界垂直方向的受拉約束外，還提供與邊界方向平行的滑動(dòng)約束；

13、所述u型連接節(jié)點(diǎn)與抗滑移連接節(jié)點(diǎn)根據(jù)張拉膜結(jié)構(gòu)的受力需求進(jìn)行布置。

14、進(jìn)一步，所述張拉膜結(jié)構(gòu)的相鄰等高線(xiàn)最近點(diǎn)的連線(xiàn)與水平面所呈夾角不低于所用膜材的最小排水坡度。

15、一種大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

16、s1、根據(jù)建筑造型確定所有非排水邊界和排水邊界，非排水邊界記為，為邊界數(shù)量；排水邊界記為,為迭代次數(shù)；

17、s2、以非排水邊界和排水邊界構(gòu)建張拉膜零狀態(tài)模型，基于預(yù)設(shè)的膜面預(yù)應(yīng)力和膜結(jié)構(gòu)自重進(jìn)行找形分析，計(jì)算得到此時(shí)的膜面平衡態(tài)；

18、s3、在膜面平衡態(tài)的基礎(chǔ)上基于正常使用極限狀態(tài)組合施加活荷載、積雪荷載或積水荷載，得到各組合工況的最大膜面豎向變形和膜面荷載態(tài)；

19、s4、將排水邊界的中心點(diǎn)沿鉛錘方向向下偏移矢高，并建立以排水邊界首尾端點(diǎn)和偏移后的中心點(diǎn)形成的圓弧，作為新的排水邊界；

20、s5、令,重復(fù)s2到s3，以和建立新的膜面平衡態(tài)，并計(jì)算得到新的膜面變形和膜面荷載態(tài)，對(duì)進(jìn)行等高線(xiàn)分析，判斷是否存在等高線(xiàn)閉環(huán)的區(qū)域；

21、s6、如果膜面上存在等高線(xiàn)閉環(huán)的區(qū)域，則使，重復(fù)s4和s5；如果第次迭代使得到和，且上不存在等高線(xiàn)閉環(huán)的區(qū)域，執(zhí)行s7步判斷；

22、s7、判斷相鄰等高線(xiàn)最近點(diǎn)的連線(xiàn)與水平面所呈夾角是否低于所用膜材的最小排水坡度；若,重復(fù)s4、s5、s6；若,停止迭代，此時(shí)的和即為張拉膜面的設(shè)計(jì)邊界；基于此邊界建立張拉膜結(jié)構(gòu)的平衡態(tài)；

23、s8、對(duì)s7得到的進(jìn)行基于承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，判斷驗(yàn)算結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求；如果驗(yàn)算結(jié)果不符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，則返回s2，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果調(diào)整膜面預(yù)應(yīng)力，并重復(fù)s2～s8。如果驗(yàn)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)結(jié)束。

24、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

25、本發(fā)明構(gòu)造了一種無(wú)需依靠拱、索、撐桿等支承構(gòu)件輔助構(gòu)造膜面形態(tài)的張拉膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)膜邊界進(jìn)行下凹設(shè)計(jì)形成負(fù)高斯曲面，沿下凹方向形成排水路徑，保證膜面具有滿(mǎn)足使用要求的剛度和承載力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了張拉膜結(jié)構(gòu)的有組織排水。同時(shí)，在預(yù)應(yīng)力作用下，負(fù)高斯曲面的膜結(jié)構(gòu)具有滿(mǎn)足使用要求的結(jié)構(gòu)剛度。相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法可基于不同造型的屋蓋結(jié)構(gòu)幾何，確定張拉膜外邊界下凹的尺寸。本發(fā)明所提出的張拉膜結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法可避免傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)造型和內(nèi)部支承構(gòu)件對(duì)建筑效果的影響和限制，最大化實(shí)現(xiàn)通透、輕盈的建筑效果需求，同時(shí)避免膜結(jié)構(gòu)積水。

技術(shù)特征：

1.一種大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：不少于2道非排水邊界和1道排水邊界；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述拱形為圓弧、拋物線(xiàn)、橢圓線(xiàn)或nurbs曲線(xiàn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，下凹的拱形上存在且僅存在一點(diǎn)排水點(diǎn)，其標(biāo)高處于整個(gè)張拉膜面的最低點(diǎn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述張拉膜結(jié)構(gòu)通過(guò)兩種類(lèi)型的膜面節(jié)點(diǎn)與非排水邊界和排水邊界相連。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述膜面節(jié)點(diǎn)包括u型連接節(jié)點(diǎn)和抗滑移連接節(jié)點(diǎn)；其中，

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述張拉膜結(jié)構(gòu)的相鄰等高線(xiàn)最近點(diǎn)的連線(xiàn)與水平面所呈夾角不低于所用膜材的最小排水坡度。

7.一種權(quán)利要求1-6任一所述的大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法；該大跨度屋蓋張拉膜結(jié)構(gòu)包括：不少于2道非排水邊界和1道排水邊界；張拉膜張拉于所述非排水邊界和排水邊界之間；所述非排水邊界位于同一標(biāo)高，或者位于不同標(biāo)高上；所述排水邊界呈下凹的拱形。本發(fā)明構(gòu)造了一種無(wú)需依靠拱、索、撐桿等支承構(gòu)件的張拉膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)膜邊界進(jìn)行下凹設(shè)計(jì)形成負(fù)高斯曲面，沿下凹方向形成排水路徑，實(shí)現(xiàn)張拉膜結(jié)構(gòu)的有組織排水。同時(shí)，在預(yù)應(yīng)力作用下，負(fù)高斯曲面的膜結(jié)構(gòu)具有滿(mǎn)足使用要求的結(jié)構(gòu)剛度。相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法可基于不同造型的屋蓋結(jié)構(gòu)幾何，確定張拉膜外邊界下凹的尺寸。本發(fā)明所提出的張拉膜結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法可避免傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)造型和內(nèi)部支承構(gòu)件對(duì)建筑效果的影響和限制，最大化實(shí)現(xiàn)通透、輕盈的建筑效果需求，同時(shí)避免膜結(jié)構(gòu)積水。

技術(shù)研發(fā)人員：陳一,曹旭,鄧旭洋,白光波,朱忠義,陳偉,梁宸宇,王昕,王毅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京市建筑設(shè)計(jì)研究院股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9