膜结构范文

膜结构篇1

关键词:索膜结构,找形分析,荷载分析,优化分析,协同分析

索膜结构雏形可追溯到古代游牧民族使用的帐篷结构。自1967年加拿大博览会德国馆创造性地大规模采用索膜结构以来,索膜结构以其丰富的建筑造型和优异的结构受力特性得到了广大建筑师、结构师的青睐,广泛应用于商业、体育、工业等大跨度建筑结构及户外设施、文化娱乐建筑等各种建筑小品中。其中具有代表性的有沙特的利雅得体育场、美国的丹佛新国际机场、英国的千年穹顶以及韩日世界杯比赛的体育场馆等。在索膜结构蓬勃发展的同时,一系列的设计、施工问题也随之产生。目前索膜结构的研究主要集中在找形分析、裁剪分析、荷载分析、及施工工艺等方面。与国外相比,国内索膜结构的研究和应用还比较落后。从上世纪80年代开始,国内个别高校和研究机构已致力于索膜结构的研究开发工作,并取得了很多成果。但是许多关键技术仍然只被一些发达国家所掌握。

1 索膜结构的特点

索膜结构是一种新型的空间结构形式,它通过施加预应力,使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。概括而言,索膜结构有以下的优缺点。

(1)更自由的建筑形体塑造。多变的支承结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化,新颖美观,富有时代气息。

(2)更好的经济效益。膜结构屋面重量仅为常规钢屋面的1/30,降低了墙体和基础的造价。同时膜建筑奇特的造型和夜景效果有明显的“建筑可识性”和商业效应,其价格效益比更高。

(3)更短的施工周期。膜工程中所有加工和制作均可依照设计在工厂内完成,现场只进行安装作业。相比传统建筑的施工周期,它几乎可以缩短一半。

(4)更低的能源损耗。膜具有良好的透光性,透光率为7%―20%,可以充分利用自然光,减少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自洁性。

(5)更大跨度的建筑空间。由于膜结构自重轻,膜建筑可以不需要内部支承,这使人们可以更灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。膜结构的主要缺点是耐久性差。现在的设计寿命只能达20年左右,处于临时性建筑与永久性建筑的转变时期;其次由于薄膜张力的连续性,局部的破坏就会造成整个结构破坏。

2索膜结构的研究现状及存在问题

2.1找形分析

确定一个满足边界条件和预应力大小及分布的初始平衡形态的过程就是索膜结构的找形分析。在索膜结构的发展初期,找形分析主要是通过物理模型试验来完成,随着计算机技术的迅速发展,各种数值分析方法也都应运而生。目前,国内外在索膜结构找形分析中常用的方法主要有动力松弛法、力密度法、非线性有限元法、最小二乘法和控制点逼近法等。由于柔性结构的分析中存在内力判定和形状判定,所涉及到的内容以及成形准则仍未明确和完全解决,还存在着很多难点,比如关于复杂曲面和组合曲面的找形理论还比较少。因此找形分析研究的重点主要包括计算模型的改进、初始形态优化设计等方面。

2.2荷载分析

索膜结构初始平衡形状确定后,就应对其进行荷载分析。其目的是为了检查索膜结构在各种荷载组合作用下结构的刚度是否足够、膜面的应力与变形是否在容许范围内,以保证在敏感荷载作用下满足强度要求和正常使用要求。目前索膜结构的荷载分析主要使用非线性有限元法。早期的非线性有限元法一般采用直线索单元和三角形膜单元,并考虑几何非线性和索松弛、膜褶皱问题。近年来,许多学者在索膜结构的单元模型方面进行了研究,比如采用非线性曲面膜单元和曲线索单元;也有学者提出三维有限元分析方法。由于索膜结构质轻面薄,结构刚度很小,对风荷载比较敏感,所以耦合风振响应分析是索膜结构研究领域的难点。因此关于风和索膜结构的耦合响应以及可能产生的动力失稳问题需要进行深入的理论分析和风洞实验研究。

2.3优化分析

目前索膜结构的找形是根据设计经验假设一组该索膜结构初应力的分布,通常是为了获得极小曲面而假定一组等初应力的分布,然后用适当的计算方法得到在该初应力分布条件下索膜结构的初始形状。索与膜的初始应力如何确定,如何使膜结构处于设计所追求的最优状态的研究,并未深入地展开。国内方面,钱基宏基于最小变形能理论,提出“最优形态”的概念,建立了膜结构“形态优化”的最小变形能理论模型及求解方法;卫东等人结合遗传算法的基本概念提出适用于张拉膜结构的优化算法,并编制了相应的计算程序。作为有限元分析软件,ANSYS具有专门的结构优化程序,但目前利用ANSYS有限元软件进行索膜结构优化分析的研究很少,而对膜结构整体协同工作下的优化分析研究在国内外几乎是个空白。

2.4整体协同分析

张拉膜结构为柔性结构,在通常的设计中,为了计算的简便往往会将膜结构的计算与支承结构的计算分开,即先假设膜的边界固定,对膜结构进行计算并得到支座反力;然后将支座反力反作用于支承结构来计算支承结构的受力与变形。也就是说,在一般的设计中是没有考虑支承结构与膜结构的相互作用问题的。然而,膜结构与支承结构之间肯定是协同工作的,那么这种简化计算结果与实际情况就会产生偏差。目前对于两者的共同分析及膜结构的优化分析已逐渐得到设计人员的重视。《膜结构技术规程》(CECS 158: 2004)也指出在膜结构计算时,对于非刚性体系支承结构的膜结构应进行整体分析。国内外关于这方面的分析很少,考虑索杆与膜整体作用对受力性能的研究也才刚刚开始,已有的协同分析研究也只是限于结构的荷载受力和静力特性分析。而在整体模型与分离模型下对膜结构,特别是下部支撑结构有何影响,目前国内很少有学者在这方面进行研究。

3索膜结构的工程应用

索穹顶结构在近20年来才在工程中实现,但一经问世便成功地应用于一些大跨、超大跨度的结构中。在Fuller的张拉整体概念基础上,David Geiger创造性地提出索穹顶结构的概念,即以连续的拉索与分散的压杆构成整体结构。美国建筑师M・Levy对DavidGeiger的索穹顶结构技术做了进一步改进,他用菱形联方空间网格代替了David Geiger型索穹顶的单根辐射状径向脊索,使索穹顶结构的稳定性更好,刚度也大大提高,抵抗不对称外荷载或局部荷载的能力也有较大增强。1990年M・Levy设计完成的佛罗里达州太阳海岸穹顶直径达210 m,是世界上首座索穹顶室内足球场。目前世界上最大的索穹顶室内体育馆是1966年亚特兰大奥运会的Georgia穹顶。20世纪末建造的千年穹顶则集中体现了20世纪建筑技术的精华。

我国对膜结构的研究和应用与国外相比起步较晚, 1997年竣工的上海八万人体育场开启了我国大型膜结构之先河。近10年间我国索膜结构得到了飞速的发展,国内膜结构设计施工企业的相继成立,推动了索膜结构的发展。国内的一些建筑单位和高校也开始对膜结构进行全方位的研究。近两年我国还兴建了一些完全中国技术的膜结构:在北京顺义和鞍山相继建造了两个气承式空气膜的游泳馆;在苏州乐园建成了以悬挂膜和骨架支承膜相结合的音乐广场;秦皇岛欢乐海洋乐园膜结构工程是国内第一家开合式膜结构,设计施工要求都非常精确。另外,一系列的功能性标志性小品膜建筑,如深圳金海湾小品、昆明世博园工程都成为点缀景观的佳作。

但是与国外相比,无论在建筑设计理论或是膜结构全过程设计施工技术方面,国内的技术力量仍与世界先进水平存在着差距。主要表现在缺少有效的自主开发的膜结构设计软件,技术力量薄弱,专业性人员少;国内市场上目前还没有合乎建筑织物标准的膜材,膜材生产和加工还需要依靠国外,国内厂家生产的膜材的质量,耐久性及自洁性还不能达到国际标准;施工安装工艺经验不足,企业经营运作方面缺乏经验等。

4索膜结构研究的发展方向

张拉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。完整的张拉式膜结构一般由张拉薄膜、加劲索及支承结构三部分组成。目前对索膜结构形态分析仍停留在对初始形状成因的表面认识上,而未能深入研究如何确定最终状态下索膜结构的初始应力等参数。

我国的《膜结构技术规程》(以下简称《规程》)指出在膜结构计算时,对于非体系支承结构的膜结构应进行整体分析。但至于如何进行整体分析,采用整体对结构(包括膜结构与支承结构)会产生怎样的影响,《规程》暂无详细的说明。所以,对这种膜结构与支承结构的相互作用问题及整体协同工作下的形态优化深入研究,掌握结构的真实受力与变形情况,对于进行更为合理的设计具有重要意义。《规程》规定:“膜结构计算模型的边界支承条件应与支承点的实际构造相符合,对于可能产生较大位移的支承点,在计算中应考虑支座位移的影响,或与支承结构一起进行整体分析”。但如何进行整体分析,是否采用整体分析,对结构(包括膜结构与支承结构)会产生怎样的影响,《规程》暂无详细的说明。所以,对这种膜结构与支承结构的相互作用问题进行深入分析,掌握结构的真实受力与变形情况,对于进行更为合理的设计具有重要意义。

参考文献

[1]沈世钊.大跨度空间结构的发展-回顾与展望.土木工程学报,1998.

[2]那向谦.索膜结构基本体系与建筑设计.建筑学报,2001(2).

[3]廖士骏.膜结构今昔面面观.世界建筑,1999.

膜结构篇2

一、教学目标的确立依据

（一）课程标准要求及解读

对于生物膜的结构，山东省2017级生物学科教学指导意见中的要求为“概述生物膜的结构”。概述为理解水平，即不仅要说出流动镶嵌模型的基本内容，还应该建立生物膜结构和功能之间的联系。2017版《普通高中生物学课程标准》中与这一部分有关的学业要求有：“从结构和功能相适应这一视角，解释细胞由多种多样的分子组成，这些分子是细胞执行各项生命活动的物质基础；建构并使用细胞模型，阐明细胞各部分结构通过分工与合作，形成相互协调的统一整体。”本节课是在学习了细胞膜功能和生物膜系统功能的基础上进行的，所以可以很好地使学生形成结构和功能相适应的观点，从而提高生命观念这一核心素养，所以这是本节课的一个重要目标。本节课将以生物膜结构的探究历程为主线，构建生物膜的流动镶嵌模型，从而使学生对细胞结构有一个更清晰的认识，进而能阐明其功能，所以引导学生回顾生物膜结构的探究历程进而总结出流动镶嵌模型的主要内容是本节课重要的学习目标。另外课标要求注重生物科学史和科学本质的学习，而本节课恰恰是以生物膜结构的探究历程为主线，可以让学生沿着科学家探索的道路，理解科学的本质和科学研究的思路、方法，让学生认识到“科学知识可能随着研究的深入而改变”“科学工作依赖观察和推论”“科学工作采用基于实证的范式”。

（二）教材与教学内容分析

1、内容分析

“生物膜的结构”为人教版高中生物学教材《分子与细胞》第4章第2节《生物膜的流动镶嵌模型》的内容，是上一章中“细胞膜——系统的边界”内容的延伸，与第4章第1节“物质跨膜运输的实例”和第3节“物质跨膜运输的方式”联系紧密，起到承上启下的作用。教学内容主要包括两部分 ：科学家对生物膜结构的探究历程；生物膜流动镶嵌模型的基本内容。在此基础上建立细胞膜结构和功能的联系，使学生认同结构与功能相适应的观点。对于生物膜结构的探索历程，教材中选取的资料简明扼要，所以在教学中以教材提供的资料为主，补充了冷冻断裂技术，以便学生认识蛋白质在膜中的分布情况和技术对于科学发展的推动作用；对于荧光标记人-鼠细胞融合的实验，不是直接给出，而是先让学生设计实验，以此培养学生科学探究的核心素养。

2、重难点分析

教学重点：生物膜结构的探究历程；生物膜流动镶嵌模型的基本内容。

教学难点：探究蛋白质分子是否能够运动的实验设计；建立细胞膜结构和功能的联系。

（三）学情分析

学生己经学习了细胞膜的成分和功能，认同了细胞膜作为系统边界对于细胞生命活动的重要意义，但对细胞膜的结构完全不了解 ，所以应该从膜的功能引入本节课的学习，最终让学生认同结构和功能是相适应的这一基本的生物学观点。高一学生对于科学研究的一般方法和科学的本质等缺乏深入认识，科学探究能力需要逐步培养，所以本节课应该通过分析生物膜结构的探究历程和实验设计，提高学生对科学研究方法和科学本质的认识，提高学生的科学探究能力。

二、教学目标

1.通过资料分析，回顾生物膜的探究历程，理解科学的本质和科学研究的思路、方法，通过血型的介绍增强社会责任感。（科学思维、科学探究、社会责任）

2.说出流动镶嵌模型的主要内容。（生命观念）

3.建立细胞膜结构和功能的联系，认同结构和功能相适应的观点。（科学思维、生命观念）

三、评价设计

目标1、通过目标检测题1学生对相关问题的回答进行评价进行评价

目标2、通过目标检测题2进行评价

目标3、通过学生对相关问题的回答进行评价

四、教学策略与方法

膜结构篇3

⑴ 对桁架钢构件制作质量的控制

①、对于钢构件制作的胎架划线和搭设尺寸、钢构件拼装时的基准线和定位方式等进行严格检查控制。

②、钢构件拼装检查应在制作焊接完成后自由状态下进行。应按每榀构件拼装胎架中每一支点的三维空间位置验收结构尺寸。

⑵ 钢结构焊接

①、对于施工单位首次焊接的钢种，一定要进行焊接工艺评定，并制定相应的焊接工艺。

②、监理一定要抓住对焊工合格证的检查。检查内容应包括：母材及焊材种类、焊接位置、焊工合格证的有效期。

③、严格把住接头装配质量关。接头的装配质量包括：坡口质量，根部间隙，对口错边量等几个方面。

④、 当焊接表面潮湿、有油污，焊接环境温度过大或焊接部位受风、雨、雪直接侵袭时，都无法保证焊出高质量的焊缝，特别是焊低氢焊条时更容易出现问题，施工单位应在工艺方案及对焊工进行施工交底时明确。

⑤、焊接过程中为减少焊接应力，防止产生焊接裂纹，应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热，在整个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度并一次焊完一条焊缝，在焊接完成后应及时按标准要求进行后热。

⑥、对设计及国家规范要求探伤的焊缝，应对每条焊缝按比例要求进行无损探伤。检验位置及长度由质检人员指定并书面通知NDT人员。检验后NDT人员应出具探伤报告，探伤报告应标明探伤的具体部位。焊缝完成后质检人员及时按设计和GB50205等标准要求进行外观检查和无损检验，不合格部分及时通知焊工返修（返修焊缝工艺也必须是评定合格的）。

⑶ 钢结构安装质量控制

①、安装前，施工单位应对构件的产品合格证、设计文件与预拼装记录进行检查，并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、缺陷超出允许偏差时，应进行处理。钢结构安装前，应编制详细的测量和矫正工艺，厚钢板的焊接应在焊接安装前进行模拟产品结构的工艺试验，编制相应的施工工艺。对拼装好的屋架应预设一定的起拱度。

②、钢结构吊装就位后，应对构件定位轴线、标高等设计要求控制点进行测量做好标记，对吊装对接接头质量进行焊前检查。安装好临时支撑及钢浪索以使钢屋架在施工过程中安全稳定。

③、钢结构安装时，施工单位应提交每榀构件吊装后的标高尺寸、焊接、涂装等分别向监理提交验收。

⑷ 高强螺栓施工质量控制

①、对于通过高强螺栓进行连接的钢结构，制作时必须首先注意高强螺栓摩擦面的加工质量及安装前的保护，并应按标准要求对每两千吨、每种规格、每种加工工艺的高强螺栓摩擦面进行抗滑移系数试验。

②、钢构件角度偏差将严重影响构件组装时的高强螺栓穿孔率。构件的扭曲会影响连接面间的间隙。因此在钢结构制作时应准备一定的胎架模具以控制其变形，并在构件运输时采取切实可行的固定措施以保证其尺寸稳定性。

③、钢结构安装单位在安装高强螺栓摩擦面前，必须将摩擦面保护好，防止污染、锈蚀。并在安装前进行高强螺栓摩擦面的抗滑移系数试验、检查高强螺栓出厂证明、批号，对不同批号的高强螺栓定期抽做轴力试验。

④、对高强螺栓安装工艺、包括操作顺序、安装方法、紧固顺序、初拧、终拧进行严格控制检查，拧螺栓的扭力扳手应进行标定等。

⑸ 钢结构的涂装工程：

①、表面预处理的清洁度和粗糙度、涂装环境温度和湿度、两次涂装的时间间隔、涂层的厚度等。其中清洁度和粗糙度可按照标准图谱进行检查，涂层的厚度通过测厚仪测得。

②、涂层表面不得误涂、漏涂，无脱皮和返锈，对涂层表面质量进行观察检查，干漆膜厚度的检验方法和验收标准应符合设计及GB50205等国家规范的有关规定。

③、防火涂料涂装工程应由经消防部位批准的施工单位负责施工。防火涂料的选择应是施工地消防部门认可的产品，并经国家权威防火产品检测机构检测符合设计对厚度和时间的要求。质检人员应随时检查涂装的基层质量。防火涂料不得漏涂、误涂，涂层应无脱层和空鼓。涂层厚度应按CECS24—90要求检查，并符合设计要求。质检人员对防火涂料的外观及表面质量按设计要求及有关国标进行认真检查，并填写记录表。

⑹ 膜面屋盖工程

①、膜面材料质量：工程膜面采用的主要有是聚四氟乙烯涂面PVC聚酯纤维类薄膜和玻纤特富隆薄膜，该材料国际上仅有少数几家公司生产。材料主要指标应包括单位重量、厚度、力学性能、光学性能、防火性能及耐久性等。

②、膜面的制作质量：包括

1）几何尺寸：膜面的几何尺寸检查必须在拼接厂完成，拼接厂完工后按安装要求对膜面进行折叠、装箱，运到现场后直到吊装到安装位置才能展开。因此，在施工现场是无法对膜面尺寸进行测量的。

2）膜面和接缝质量：安装过程中监理必须检查膜面上是否有划伤或破洞。如发现问题，应分清责任，要求膜面供货单位或膜面安装单位进行赔偿或修补。

③、膜结构支架制作安装：

1）膜结构支架制作质量与钢结构类似，其最大的要求是所有钢构件的表面必须打磨光滑，不得有尖角毛刺，以防划伤膜面。

2）膜结构支架安装质量主要是几何尺寸和焊缝表面质量。为防止膜面安装后起皱，并保证设计所需的张力，要求膜结构的安装尺寸误差尽可能的小，特别是要控制支架的平行度、对角线等相关尺寸的误差。安装焊缝必须打磨平整，以防划破膜面。

④、膜面安装：

1）特别要安排好和主体钢结构安装单位的关系，协调相互间的进度。

2）膜面安装施工时应注意天气预报，保证在整个安装过程中无四级以上大风和大雨。

3）当膜面安装过程当中发生膜面破损，必须立即进行修补。膜面张拉应力控制；膜面应力张拉不可一次到位，以防主体钢结构侧向失稳。应分块逐步张拉到位。

4）膜面张拉到位后，监理将会同安装单位质检人员对膜面张力按照膜结构设计提供的膜面应力值、测试部位和测试工具对膜面应力进行全面检查验收。同时检查压板螺栓有无漏装漏拧。

5）防水密封：在膜面与天沟、膜面与膜结构的结合部位较易发生漏水，应及时检查发现泄露点，配合设计对泄露部位提出整改方案，督促施工单位进行防水施工。

⑺ 钢结构预应力索或预应力拉杆的施工质量

①、拉索或拉杆的质量：钢丝或拉杆的材质控制、锚头的质量控制、锚头浇铸敦头、典型拉杆或拉索的一比一张拉试验、拉索或拉杆长度。

②、拉索或拉杆张拉力的控制。 拉索或拉杆张拉对主体钢结构的影响。索张力或主体钢结构尺寸的控制关系。 大跨度钢结构和索膜结构作为大型公共建筑的主要受力部分和新型屋面系统，其质量直接影响到建筑物的安全和使用功能。本文仅结合上海体育场、浦东国际机场、虹口足球场、上海新国际博览中心等工程的监理实践，对大跨度钢结构和索膜结构施工质量控制的几个主要方面进行一些讨论。

⑴ 对桁架钢构件制作质量的控制

①、对于钢构件制作的胎架划线和搭设尺寸、钢构件拼装时的基准线和定位方式等进行严格检查控制。

②、钢构件拼装检查应在制作焊接完成后自由状态下进行。应按每榀构件拼装胎架中每一支点的三维空间位置验收结构尺寸。

⑵ 钢结构焊接

①、对于施工单位首次焊接的钢种，一定要进行焊接工艺评定，并制定相应的焊接工艺。

②、监理一定要抓住对焊工合格证的检查。检查内容应包括：母材及焊材种类、焊接位置、焊工合格证的有效期。

③、严格把住接头装配质量关。接头的装配质量包括：坡口质量，根部间隙，对口错边量等几个方面。

④、当焊接表面潮湿、有油污，焊接环境温度过大或焊接部位受风、雨、雪直接侵袭时，都无法保证焊出高质量的焊缝，特别是焊低氢焊条时更容易出现问题，施工单位应在工艺方案及对焊工进行施工交底时明确。

⑤、焊接过程中为减少焊接应力，防止产生焊接裂纹，应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热，在整个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度并一次焊完一条焊缝，在焊接完成后应及时按标准要求进行后热。

⑥、对设计及国家规范要求探伤的焊缝，应对每条焊缝按比例要求进行无损探伤。检验位置及长度由质检人员指定并书面通知NDT人员。检验后NDT人员应出具探伤报告，探伤报告应标明探伤的具体部位。 焊缝完成后质检人员及时按设计和GB50205等标准要求进行外观检查和无损检验，不合格部分及时通知焊工返修（返修焊缝工艺也必须是评定合格的）。

⑶ 钢结构安装质量控制

①、安装前，施工单位应对构件的产品合格证、设计文件与预拼装记录进行检查，并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、缺陷超出允许偏差时，应进行处理。钢结构安装前，应编制详细的测量和矫正工艺，厚钢板的焊接应在焊接安装前进行模拟产品结构的工艺试验，编制相应的施工工艺。对拼装好的屋架应预设一定的起拱度。

②、钢结构吊装就位后，应对构件定位轴线、标高等设计要求控制点进行测量做好标记，对吊装对接接头质量进行焊前检查。安装好临时支撑及钢浪索以使钢屋架在施工过程中安全稳定。

③、钢结构安装时，施工单位应提交每榀构件吊装后的标高尺寸、焊接、涂装等分别向监理提交验收。

⑷ 高强螺栓施工质量控制

①、对于通过高强螺栓进行连接的钢结构，制作时必须首先注意高强螺栓摩擦面的加工质量及安装前的保护，并应按标准要求对每两千吨、每种规格、每种加工工艺的高强螺栓摩擦面进行抗滑移系数试验。

②、钢构件角度偏差将严重影响构件组装时的高强螺栓穿孔率。构件的扭曲会影响连接面间的间隙。因此在钢结构制作时应准备一定的胎架模具以控制其变形，并在构件运输时采取切实可行的固定措施以保证其尺寸稳定性。

③、钢结构安装单位在安装高强螺栓摩擦面前，必须将摩擦面保护好，防止污染、锈蚀。并在安装前进行高强螺栓摩擦面的抗滑移系数试验、检查高强螺栓出厂证明、批号，对不同批号的高强螺栓定期抽做轴力试验。

④、对高强螺栓安装工艺、包括操作顺序、安装方法、紧固顺序、初拧、终拧进行严格控制检查，拧螺栓的扭力扳手应进行标定等。

⑸ 钢结构的涂装工程：

①、表面预处理的清洁度和粗糙度、涂装环境温度和湿度、两次涂装的时间间隔、涂层的厚度等。其中清洁度和粗糙度可按照标准图谱进行检查，涂层的厚度通过测厚仪测得。

②、涂层表面不得误涂、漏涂，无脱皮和返锈，对涂层表面质量进行观察检查，干漆膜厚度的检验方法和验收标准应符合设计及GB50205等国家规范的有关规定。

③、防火涂料涂装工程应由经消防部位批准的施工单位负责施工。防火涂料的选择应是施工地消防部门认可的产品，并经国家权威防火产品检测机构检测符合设计对厚度和时间的要求。质检人员应随时检查涂装的基层质量。防火涂料不得漏涂、误涂，涂层应无脱层和空鼓。涂层厚度应按CECS24—90要求检查，并符合设计要求。质检人员对防火涂料的外观及表面质量按设计要求及有关国标进行认真检查，并填写记录表。

⑹ 膜面屋盖工程

①、膜面材料质量：工程膜面采用的主要有是聚四氟乙烯涂面PVC聚酯纤维类薄膜和玻纤特富隆薄膜，该材料国际上仅有少数几家公司生产。材料主要指标应包括单位重量、厚度、力学性能、光学性能、防火性能及耐久性等。

②、膜面的制作质量：包括

1）几何尺寸：膜面的几何尺寸检查必须在拼接厂完成，拼接厂完工后按安装要求对膜面进行折叠、装箱，运到现场后直到吊装到安装位置才能展开。因此，在施工现场是无法对膜面尺寸进行测量的。

2）膜面和接缝质量：安装过程中监理必须检查膜面上是否有划伤或破洞。如发现问题，应分清责任，要求膜面供货单位或膜面安装单位进行赔偿或修补。

③、膜结构支架制作安装：

1）膜结构支架制作质量与钢结构类似，其最大的要求是所有钢构件的表面必须打磨光滑，不得有尖角毛刺，以防划伤膜面。

2）膜结构支架安装质量主要是几何尺寸和焊缝表面质量。为防止膜面安装后起皱，并保证设计所需的张力，要求膜结构的安装尺寸误差尽可能的小，特别是要控制支架的平行度、对角线等相关尺寸的误差。安装焊缝必须打磨平整，以防划破膜面。

④、膜面安装：

1）特别要安排好和主体钢结构安装单位的关系，协调相互间的进度。

2）膜面安装施工时应注意天气预报，保证在整个安装过程中无四级以上大风和大雨。

3）当膜面安装过程当中发生膜面破损，必须立即进行修补。膜面张拉应力控制；膜面应力张拉不可一次到位，以防主体钢结构侧向失稳。应分块逐步张拉到位。

4）膜面张拉到位后，监理将会同安装单位质检人员对膜面张力按照膜结构设计提供的膜面应力值、测试部位和测试工具对膜面应力进行全面检查验收。同时检查压板螺栓有无漏装漏拧。

5）防水密封：在膜面与天沟、膜面与膜结构的结合部位较易发生漏水，应及时检查发现泄露点，配合设计对泄露部位提出整改方案，督促施工单位进行防水施工。

⑺ 钢结构预应力索或预应力拉杆的施工质量

①、拉索或拉杆的质量：钢丝或拉杆的材质控制、锚头的质量控制、锚头浇铸敦头、典型拉杆或拉索的一比一张拉试验、拉索或拉杆长度。

膜结构篇4

关键词：膜结构；膜材；建筑

Abstract: the membrane structure is a structure of newly developed a kind of form. After decades of development, membrane structure has become a main scheme of structure design, type selection, and gradually applied to the gym, shopping mall, exhibition center, traffic service facilities such as the construction of large span.

Key words: membrane structure; Membrane material; building

中图分类号：F407.9文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

膜结构是一种以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，由空气压力支撑膜面，或是利用柔性钢索或刚性支撑结构将面绷紧，从而形成的具有一定刚度、能够覆盖大跨度空间的结构体系。

1膜结构概述

1．1 膜材

膜结构能大量推广应用的基础是材料问题的解决，其应用的高强度柔韧薄膜称膜材。现阶段主要应用的两种膜材涂敷聚四氟乙烯（PTFE）的玻璃纤维织物和涂敷聚氯乙烯（PVC）的聚脂织物具有质地柔韧、厚度小、重量轻、透光性好等特点，对自然光吸收和透射能力、阻燃，具有良好的耐久、防火、气密等特性；表面经过氟素处理或二氧化钛处理的膜材料抗老化性能好，具有较高的自清洁性能。

1．2 膜结构的特点

建筑造型优美：膜结构的突出特点之一就是它形状的多样性，新颖美观的曲面造型，简洁明快，且色彩丰富，打破了纯直线建筑风格的模式，给人以耳目一新的感觉。

适合覆盖大跨度空间：膜材料每平方壹公斤左右，由于自重轻，加上钢索、钢结构高强度材料的采用，与受力体系简洁合理，使膜建筑可以不需要内部支撑面大跨度覆盖空间，这使人们可以更灵活地设计和使用建筑空间。

造价低，工期短：膜建筑屋面重量仅为常规钢屋面的 1/30，这就降低了墙体和基础的造价。同时由于膜建筑奇特的造型和外观效果使其价格效益比更高。膜工程中所有加工和制作依设计均可在工厂内完成，现场只需组装，施工简便，相比传统建筑的施工周期，它几乎要快一倍。

节能环保：膜材有较高的反射性及较低的光吸收低，并且热传导性较低，对太阳热能可反射掉70%，膜材本身吸收了17%，传热13%，而透光率却在20%以上，保证了适当的自然漫散射光照明室内。具有良好的环保性、透光性、节能性。

2膜结构的历史

第一座真正意义上的膜结构建成于1946年，设计者为美国的沃尔特•勃德，这是一座直径为15的充气穹顶。1967年在德国斯图加特召开的第一届国际充气结构会议，无疑给充气膜结构的发展注入了兴奋剂。随后各式各样的充气膜结构建筑出现在1970年大阪世界博览会上。其中具有代表性的有盖格尔设计的美国馆（137m×7m8卵形），以及川口卫设计的香肠形充气构件膜结构。后来人们认为70年大阪博览会是把膜结构系统地、商业性地向外界介绍的开始。大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。而70年代初美国盖格尔-勃格公司开发出的符合美国永久建筑规范的特氟隆膜材料为膜结构广泛应用于永久、半永久性建筑奠定了物质基础。之后，用特氟隆材料做成的室内充气式膜结构相继出现在大中型体育馆中，1975年在美国密执安州庞提亚克兴建了平面尺寸243.9X183m的银色穹顶，这是第一次将气承式膜结构应用于永久性的大型体育馆。其后在北美地区，类似的膜结构就建了9座，其中象美国的明尼阿波利斯和加拿大的温哥华均位于北方地区。虽然象这样的充气结构也发生过几次不愉快的坍塌事故，但是膜结构终于登堂入室，进入永久性建筑的行列。

3膜结构的前景

从多年国内外的实践经验来看，膜结构具有强大的生命力，必将是21世纪建筑结构发展的主流。预计最能发挥膜结构优势的应用领域有：

1.需要自然采光的公共建筑，如体育馆、训练房、展览厅等。

2.轻而而美观的膜结构用于敞开或半敞开建筑物的遮蔽屋盖尤为适宜。

3.各种类型的生产厂房与仓库，其尺寸都比较规则，因而可有用膜结构并加以定型化、商品化。这种建筑有运输、拆装方便的优点，对于紧急救灾或灾后重建也十分有用。

4.在改造原有建筑物时，膜结构的自重轻是很大的优点，可以用来代替传统的屋盖。

4膜结构的应用

现在膜结构的设计有许多方法， 但仍存在许多问题需要解决和研究。比如膜建筑的隔振问题、内部环境问题、屋顶膜材的融雪问题、隔热问题等。还有应将现在的计算理论与计算机相结合并开发相应的软件。在设计过程中，建筑师和结构工程师要坐在一起确定建筑物的形状，并进行必要的计算分析。这时，所设计建筑物的平面形状、立面要求、支点设置、材料类型和预应力大小都将成为互相制约的因素，一个完美的设计也就是上述矛盾统一的结果。因此，要保证结构的最终成形与设计相一致，除了在设计时更仔细之外，还应保证各部门配合更为协调一致外。

同时，膜结构施工过程中也遇到一些问题。在膜结构中，膜材预张力是确保结构稳定与安全的一个重要因素。在施工现场为了得到设计的平衡状态和形状， 在张拉膜片的过程中，必须把设计预定的膜张力精确地施加到膜材中。这就要求施工人员能随时测量、调整膜张力, 避免出现应力松弛区域和应力集中区域，避免张力过大引起膜材撕裂。另外，膜结构中膜材的一个特性是其张力会随时间发生松弛。如果膜材发生松弛, 就会导致膜面下垂。在风荷载作用下发生抖颤。当这种情况发生时，需要测量膜材中的实际应力，以确定松弛造成的膜张力减退, 再根据测量结果施加、调整膜张力。第一个现代膜结构建成至今已有好几十年了，因此大量已建成的膜结构需要定期进行膜张力松弛检测。为了使膜结构成为一种现代技术, 有必要定量地评测薄膜预张力。所以，研究膜张力的一些检测手段成了当务之急。

结语

随着膜结构技术的不断发展，相信越来越多的膜结构工程会出现在我们身边。解决其在设计和施工中遇到的问题也成为我们下一阶段研究的主要任务之一。随着奥运会和世博会在中国的举办，膜结构建筑也呈现出一派欣欣向荣之象。这正是我国突破现状的良机，不久的将来，膜结构一定会在我国得到够好的发展和应用。

参考文献

[1] 克劳斯-迈克尔·科赫. 膜结构建筑. 大连理工大学出版社, 2007

膜结构篇5

【关键词】建筑；膜结构；细部节点；一般；设计原则

膜结构是一种由高强薄膜材料及加强构件(钢结构或拉索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状，可作为覆盖结构并能承受一定的外荷载的空间结构形式。膜结构以良好的自洁性、隔热性以及高强耐久、造型新颖、自重轻等优点广泛应用于各类休闲小品、轻型大跨度无柱空间或轻型屋盖建筑结构。由于膜结构是张力结构的一种，只有在一定的张力作用下，膜结构才有一定的形状和刚度，因而膜结构建筑表现了力的平衡美，是一种受力最为合理的结构形式。采用轻质膜材，同时辅以柔性拉索、轻型钢桁架的结构形式，可以很好地达到大跨度、覆盖大空间的目的。

膜结构节点具体形式纷繁复杂，十分丰富。根据膜作用与连接关系，可分为膜节点(Fabric-to-Fabric)、膜与刚性边界(Fabric-to-Rigid-Edge)、膜与柔性边界索(Fabric-to-Cable)；根据节点位置与构造形式，可分为顶点(高或低点)、脊线、谷线、角隅节点等。

1 膜结构研究和发展现状

膜结构也称为织物结构（Membrane Structure或Fabric Structure），是以性能优良的 织物为材料，利用柔性拉索或刚性骨架将膜面绷紧，也可向膜内充气，通过空气压力来支撑 膜面，从而形成具有一定刚度并能覆盖较大空间的结构体系[1]。它是一种新型的建筑结构 形式，它的出现改变了长期以来建筑领域中形式单一、重复的局面，使建筑结构领域发生了革命性的变化，也使得建筑结构形式更加丰富多彩。

近三十年来，膜结构在世界范围内得到了迅猛发展，超越了作为临时建筑物的阶段，以 新颖的外形，高强度的材料和超轻的重量，作为永久性建筑已经确立了其在建筑物中的重要 地位。其适用范围很广，可广泛应用于体育建筑、展览建筑、机场建筑、娱乐建筑及各类海滨娱乐休闲建筑及设施。

2 膜结构设计内容

2.1 初始态分析：确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，并能够抵抗各种可能的荷载工况；这是一个反复修正的过程。

2.2 荷载态分析：张拉膜结构自身重量很轻，仅为钢结构的1／5，混凝土结构的1／40；因此膜结构对地震力有良好的适应性，而对风的作用较为敏感。此外还要考虑雪荷载和活荷载的作用。由于目前观测资料尚少，故对膜结构的设计通常采用安全系数法。

2.3 主要结构构件尺寸的确定，及对支承结构的有限元分析。当支承结构的设计方法与膜结构不同时，应注意不同设计方法间的系数转换。

2.4 连接设计：包括螺栓、焊缝和次要构件尺寸。

2.5 剪裁设计：这一过程应具备必要的试验数据，包括所选用膜材的杨氏模量和剪裁补偿值（应通过双轴拉伸试验确定）。

3 膜结构细部节点一般设计原则

个性化膜建筑与节点细部永远为设计师所推崇，但节点细部设计仍遵循一定的普遍设计思想。个性化设计衍生于共性的一般原则，基于共性原则创造个性设计。节点设计共性原则主要包括：结构设计、建筑设计、几何设计、材料与制作工艺、安装与维护、预张力导入机制、造价控制等。

3.1 结构设计

任何连接节点应传力路径直接、简洁，有效传递内力，具有与运动协调的约束机制，同时具有足够结构强度，符合“强节点”思想，节点一般不先于结构构件破坏，以及必要的赘余度。高(低)点、角隅节点膜应力集中效应大，节点细部须可靠扩散并传递应力。气承式、气囊式膜特殊节点须满足气密性。

3.2 建筑设计

节点设计与膜建筑总体设计协调，选择相适应的材料与工艺，同时满足不同建筑环境的防腐、防水要求。至于节点美观是无论如何重视都不过分，任何节点设计都应放到特定局部与整体环境，以唯美去审视、思量，如连接件的光滑精美外形、力流的连续流畅、对称与平衡、轻灵简洁性等。

3.3 几何设计

精细的几何设计对膜结构连接节点尤为重要。首先仔细分析清楚连接节点的几何关系，如空间几何、连接与约束、定位；然后考虑膜曲面平滑协调连接、必要的尺寸和空间，以及节点体量与整体比例。

3.4 材料与制作工艺

如果说其他因素主要体现设计者的智慧和思想，材料与制作工艺则主要依据膜建筑的总体定位选择，对造价有直接影响。现在主要材料为钢材(Q235、Q275、Q345、20号)、不锈钢(304、316、316L)、铝合金(ASTM A60／61、LD30／LD31)、复合材料。钢节点成形工艺可采用焊接、锻造、铸造，铝合金节点由模具挤塑成形，聚酯节点由模具合成等。

3.5 安装与维护

连接节点应便于膜、索安装定位，压板与二次膜安装，有效引入膜张力，以及必要的调节机制，便于维护或更换。另外，对重要的公共膜建筑，设计必要的维护、清洗设施。

3.6 造价与预算

节点设计必须基于成本预算，采用经济合理的设计手法。不同膜结构体系、节点体系、材料、制作工艺，造价差异较大，如为工程造价5％～15％。

节点设计的一般原则需要在不断的设计实践中去认识、领悟，由丰富的个体感性认识逐渐升华为总体的理性原则，在理性原则指导下去设计。

4 结束语

膜结构的关键构件和节点的设计是整个工程的重要技术环节，节点设计不仅要满足自身的受力要求，而且必须符合结构整体协同工作的要求；节点构造的设计充分体现了结构在受力安全、建筑美学、制作工艺等各项专业的综合技术。膜结构在国内还算是一种比较新颖的结构形式，大家对这种结构还不是非常熟悉，因此施工时更应小心谨慎，以保证工程质量与施工安全。

参考文献：

[1]中国钢结构协会空间结构分会，等主编．膜结构技术规程：2004[M]．北京：中国计划出版社，2004．

[2]陈骥.钢结构稳定理论与设计(第二版)[M].北京：科学出版社，2003．

膜结构篇6

关键词：索膜结构；非线性有限元；整体分析；分离分析；

1 引言

在索膜结构设计中，为了计算的简便往往采用分离式，即将膜结构的计算与支承结构的计算分开，先假设膜的边界固定，对膜结构进行计算并得到支座反力；然后将支座反力反作用于支承结构来计算支承结构的受力与变形。由于传统结构刚度较大，将结构分开计算时，局部边界条件的简化所带来的误差一般可在工程实践的允许范围内。但当结构体系中包含有索、膜等刚度小的柔性构件时，内力与变形呈非线性关系，使结构构件的内力改变与边界条件、荷载的变化关系更加难以估计，需对其进行较精确的分析。所以将索、膜结构与其共同作用下的刚性结构分开考虑往往会引起不可忽视的误差。

“膜结构计算模型的边界支承条件应与支承点的实际构造相符合，对于可能产生较大位移的支承点，在计算中应考虑支座位移的影响，或与支承结构一起进行整体分析” 《膜结构技术规程》（2004）。但整体分析是复杂的，因为包括了梁、杆、索、膜甚至更多种类的单元，得到收敛结果也是比较困难的。因此如何进行整体分析，两种分析形式对结构(包括膜结构与支承结构)会产生怎样的影响，对掌握结构的真实受力、变形情况及进行更为合理的设计具有重要意义。

本文首先用整体式与分离式对索膜结构进行找形分析与荷载分析，比较两种模型对索膜结构影响；继而在不同荷载作用下，分析索膜结构特别是下部结构的受力及变形，说明在索膜结构设计中进行整体计算的必要性。

2整体分析的思路

索膜结构整体式荷载分析的步骤如图1。

3 有限元基本原理

膜结构是一种柔性结构。在荷载作用下，结构的变形具有小应变、大位移的特点，属于几何非线性问题。采用空间三角形膜单元，根据修正的拉格朗日法，基于虚位移原理建立方程，限于篇幅，本文给出最终的膜结构非线性有限元迭代公式：

式中，、分别为单元线性刚度矩阵、几何刚度矩阵和大位移刚度矩阵；

为时刻的单元等效节点荷载向量；

为t时刻的单元等效节点力向量。

4算例分析

如图2与图3所示的一平面投影为正六边形的伞型张拉膜结构，该结构是由六根脊索和六根边索张紧各膜面构成的，六根脊索上端固定于伞顶端节点,下端与边索的一端共同连接于下部支承构件的上端。结构跨度为10m，高度为5m。膜材厚度为0.9mm，经、纬向张拉刚度Et均为1100kN/m，剪切刚度Gt=80kN/m，经、纬向泊松比均为0.3，初始预应力=4N/mm2。索的初始预拉力为20kN，截面积为5×10-4m2。膜的六个角点各设置一根压杆与两根地拉索，中间设一中柱，通过索与膜相连。压杆与中柱均采用圆钢管形式，压杆尺寸为80mm×6mm，中柱尺寸为120mm×6mm，地拉索与索的特性及截面大小均相同。在膜面上施加垂直于膜面的均布荷载0.3kN/m2。

比较结构等效应力图3与图4可以发现，整体式与分离式中膜单元等效应力的最大值与最小值相差分别为40.36%和37.52%。可见由于角点约束的不同引起边界刚度的差异，在施加荷载后，分离式应力分布要比整体式均匀，但二者在应力分布形式及应力大小方面相差并不大。

针对算例1，对结构分别施加荷载0.1kN/m2、0.2kN/m2、0.3 kN/m2、0.4kN/m2、0.5 kN/m2、0.6kN/m2，利用整体式计算模型，分析在不荷载作用下结构受力的变化情况。计算结果见图5至图8。

通过分析图5-8可以发现，对于整体式与分离式两种计算模型，在不同荷载作用下都有一个共同点：即下部构件的轴力及膜的位移都随着荷载的增大而增大，但增大的幅度各不相同。对下部支承而言，荷载越大，分离式计算所得的轴力的增大趋势越明显；对膜结构的位移而言，分离式计算减小趋势越明显。通过对整体式与分离式进行比较可以发现，分离式计算得出的下部支承的受力要比整体式高，以地拉索轴力最为明显，并且随着荷载的增大，二者相差也越大；对膜结构的位移而言，分离式要比整体式小，同样随着荷载的增大，二者相差也越大。由此可得，随着荷载的增大，分离式会造成下部支承构件材料更大的浪费，因此在下部支承相同的情况下，当膜结构承受荷载较大时，分离式计算模型会造成较大的误差，其准确性也值得探讨，建议利用整体式计算模型进行荷载分析，以分离式计算结果作为参考。

5 结论

通过对算例分析探讨了分离式与整体式之间的差异，比较可以得出如下结论：

(1)整体式计算模型考虑了下部支承与上部膜结构的共同作用，准确地模拟了实际结构，较好地反映了结构的受力状态，因此在索膜结构找形分析与荷载分析中尽量建立整体模型进行分析，建议在工程设计与验算中以整体式计算结果为准。

(2)在荷载作用下，分离式计算对下部支承构件影响较大，计算结果要比整体式偏大，会造成下部构件材料的浪费。而且随着荷载的增大，分离式计算结果将严重地偏离正确值。

(3) 分离式与整体式计算模型的主要区别在于对边界条件的模拟不同，分离式模型的边界刚度要比整体式大，也间接反映了边界条件对索膜结构分析的影响是不能忽略的。当下部支承构件刚度较大并且结构布置合理时，整体式模型的边界刚度接近分离式模型，这种情况下两种方式的计算结果差别不大。

膜结构篇7

关键词：索膜结构；强风激励；静态激励响应分析；瞬时动态激励响应分析

中图分类号：O484 文献标识码：A 文章编号：

0引言

近年来，我国南方沿海一带城市频繁遭受强热带风暴影响，周围城市频繁遭遇台风袭击，城市建筑在强风作用下遭受某种程度破坏，而索膜结构具有质量轻、刚度小、跨度大等特点，属于风敏感性结构，在强风作用下结构发生较大变形，结构局部发生剧烈振动，严重时会造成上掀撕裂破坏和颤振失稳破坏，目前对于索膜结构在强风作用下的破坏机理、动力响应控制方法、结构设计方法的研究工作正成为热点问题。

本文针对强风作用特性，根据Davenport谱模拟生成强风脉动风荷载，对索膜结构进行瞬态动力时程响应分析，根据所得时程响应曲线做出分析，针对结构变形过大，振动剧烈破坏现象，采取抗风加固措施对原始结构进行改进，并对索膜结构改进前后对瞬态动力时程对比分析。

1张拉索膜结构静动态激励响应理论

1.1静态激励响应分析

风荷载是平稳随机过程，可处理为平均风和脉动风两部分。平均风的作用性质相当于静力荷载，是结构整体破坏的主要因素；脉动风强度是随时间而变化的，其作用性质是动力的，是引起结构风振响应的主要因素。研究索膜结构风振响应需从这两方面不同的作用机理分析结构动力响应。

索膜结构力学分析必须考虑几何非线性影响，由非线性有限元理论推导索膜结构静力平衡方程得

(1)

上式中，为线性刚度矩阵；

为非线性刚度矩阵；

为节点不平衡力；

、分别为线性、非线性应变位移关系矩阵，为应力矩阵。

1.2瞬时动态激励响应分析

瞬时动态响应分析结构的运动特性，包括各种运动或爆破等问题的分析。瞬时动态响应分析又称为时间历程分析，用来确定结构在随时间变化的荷载作用下的动力响应，可以用它来分析随时间变化的位移、应变、应力以及外荷载随意组合所产生的结构响应。

瞬态动力学求解的基本运动方程

(2)

其中M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；为节点加速度向量；为节点速度向量；u为节点位移向量；F(t)为力向量。

和静力学分析方程不同的是，方程中多了质量矩阵和阻尼矩阵，并且引入了位移矢量微分项，对于任意时刻t，方程组可以看作是添加惯性力和阻尼的静力学平衡方程。ANSYS采用New-mark时间积分方法在离散的时间点和空间网格上求解方程组(1)。瞬态动力学可采用完全法、缩减法、模态叠加法进行求解，本文采用完全法进行瞬态动力响应求解。

2静态响应分析算例

以深圳大学体育场看台挑篷索膜结构为例，对伞形膜结构单元在Z方向、–Z方向、–X方向、Y方向对膜面节点施加250N/至600N/的均布荷载（相当于平均风荷载），为防止膜面节点位移过大，采取对结构增添加强索措施，并对结构改进前后进行对比分析。

图1原始结构 图2加强索改进结构图3单元透视图

本例所施加荷载相当平均风风速为~（相当于6~8级强风）的强风荷载。在强风作用下的敞开式索膜结构会受到双向风作用而产生较大位移变形，采取加强索措施后，较明显限制了结构位移变形；水平位移比竖直位移要大，水平位移随荷载增加而增加缓慢，加强索对水平位移限制效果比较好；结构背风面受强风吸力作用，产生较大位移。

图4Z方向风荷载与位移关系图5–Z方向风荷载与位移关系

图6–X方向风荷载与位移关系 图7–X方向风荷载-位移（加索后）

图8Y方向荷载-位移关系图9Y方向荷载-位移关系（加索后）

3瞬时动态响应分析算例

以深圳大学体育场看台挑篷索膜结构为例，对结构施加时程t=60s，时间步长s，平均风速=25m/s脉动风荷载，进行结构瞬态动力响应分析，本例仅列出代表性节点时程曲线，并对时程曲线做均值统计分析。

图10原始结构图11改进结构

图12第210节点UX时程 图13第135节点UX时程

图14第210节点VX时程 图15第135节点VX时程

图16第210节点AX时程 图17第135节点AX时程

图18第82节点UZ时程 图19第272节点UZ时程

图20第82节点AZ时程 图21第272节点AZ时程

结构迎风面（如82节点）受风压力影响，位移为正方向振动，背风面（如210节点）则受风吸力作用，位移为负方向振动。迎风面位移时程曲线振幅较大，而背风面速度时程、加速度时程曲线振幅较大。采取加强索措施使背风面（135点）速度、加速度有明显减小，但使迎风面（272点）节点速度、加速度却明显增大。

表1节点位移、速度、加速度均值统计表

4结论

在风荷载作用下，张拉索膜结构会产生较大位移变形，结构振动速度、加速度剧烈，对结构应力产生较大影响。在平均风作用下，结构水平位移比竖直位移要大，水平位移随荷载增加而增加缓慢；结构背风面受强风吸力作用，产生较大位移。在脉动风作用下，迎风面位移时程曲线振幅较大，而背风面速度时程、加速度时程曲线振幅较大。采取加强索措施后，可明显限制结构位移变形，稳定结构速度、加速度振动，在结构强风抗风加固措施中，加强索措施可以得到较好效果。不过，从时程曲线可以看出，在强风作用下的结构初始短时间内振动剧烈，对结构影响不容忽视，为此需要进一步研究短时间内强风激励下的结构动力响应。

参考文献：

[1] 武岳,沈世钊.索膜结构风振响应中的气弹耦合效应研究.建筑钢结构进展.2006年4月, 第8卷第2期,30~36页

[2] 陆新征,叶列平,马千里,江见鲸.CFRP索流固耦合风振研究.第十二届全国结构风工程学术会议论文集.西安,2005年，69~75页

[3] 符龙彪,钱基宏.大跨度空间结构的风振响应计算分析.建筑科学.2005年2月,第21卷第1期,49~54页

[4] 张华,单建.索膜结构的抖振动力特性研究,2004,第21卷,第3期,61~65页

[5] 陈波,武岳,沈世钊.脊谷式张拉膜结构风振特性分析.空间结构.2004.3,第10卷,第3期,41~45页

膜结构篇8

1.SnO2的晶体结构

SnO2晶体属于四方晶系点群，是一种极性半导体，具有金红石结构。金红石结构的SnO2晶胞为体心正交平行六面体。每个晶胞中包含有两个Sn原子，分别位于2a （0， 0， 0） 和 （1/2， 1/2， 1/2）位置；四个位于4f ±（u， u， 0； u + 1/2， 1/2 ？ u， 1/2）， 且 u = 0.30561位置的O原子。每个Sn原子是由六个组成近似的八面体O原子包围，并且组成矩形基底面的4个O原子离Sn原子的距离（2.06A °）要比位于顶点的2个O原子距离（2.05A °）稍微长些，而每个O原子是由三个构成等边三角形的Sn原子包围，形成6：3配位结构。其晶格常数为 a=b=4.7374A°，c=3.1864A°且c/a=0.672 。

2. SnO2薄膜的材料特性

SnO2是一种宽禁带直接半导体材料，室温下禁带宽度为3.6eV，属n型氧化物半导体。当沉积温度为300-500°C时，SnO2薄膜的电阻可达35-40Ω/，可见光透过率高达90%，且薄膜的电学与光学性质与结晶情况和结构有密切的联系。膜的结晶性越高，其导电率越强，随着晶体的细化，其透过率也会显著的提高。SnO2薄膜还具有较稳定的化学特性和较强的耐腐蚀特性，只能被盐酸与锌反应生成的初态氢所腐蚀且通过化学键与玻璃或者陶瓷基底结合有很强的附着力（200kgfcm-2）。

3. SnO2薄膜的气敏传感特性

气敏传感器的工作原理是指被检测气体与传感器的表面发生物理吸附或者化学吸附，引起表面某种性质的变化（如：电阻、电导、电压、阻抗等） ，然后将这种变化转变为电信号，通过对电信号的分析，即可以得到有关气体浓度、组分等的信息。当某种有毒气体的浓度超过一定值时会自动报警，安全可靠。SnO2薄膜是目前应用最广泛的一种气敏材料，它具有n 型半导体特征。具有如下特性：（1）物理、化学稳定性好，耐腐蚀性强；（2）可靠性较高，机械性能良好；（3）电阻随浓度变化一般呈抛物线变化趋势 ；（4）对气体检测是可逆的，吸附、脱附时间短，可连续长时间使用；（5）节省能耗；（6）禁带宽度虽较宽，但施主能级是适度浅能级，容易获得适宜的电学特性；（7）费用较低。 因此以SnO2 为主体材料制备的气体传感器，在金属氧化物半导体电阻式气体传感器中处于中心地位。

4.SnO2薄膜的发光特性

透明导电薄膜要求材料既具有较高的导电性，又具有对可见光有好的透过性和对红外光有强的反射性。透明导电薄膜材料主要分为金属膜和氧化物半导体膜两大类。由于金属膜中存在着大量的自由电子，所以当金属薄膜很薄时仍然具有很好的导电性，但是当其厚度小于20nm时，薄膜对光的透射性和反射性都比较小，常见的金属透明导电薄膜有：金、银、铝等。而氧化物半导体薄膜是近年来发展应用最多的材料，它要求半导体的禁带宽度为3ev以上，且可以通过掺杂获得高载流子浓度进而实现高导电率。目前应用最广的透明导电薄膜为SnO2 薄膜材料，SnO2薄膜属于宽禁带半导体，禁带宽度为3.6eV，理论上为典型的绝缘体。但是由于存在氧空位或者间隙Sn原子，在禁带内形成ED=0.15ev的施主能级从而表现为n型半导体；此外它还具有较高的可见光透过率和红外反射率、较稳定的化学特性和优良的膜强度等优点，近年来被广泛的应用于透明电极，液晶显示器及光电子器件等领域。

SnO2的直接带隙约为3.6-4.3eV左右，大于可见光光子的能量（3.1eV），故在可见光照射下不能引起SnO2本征激发，所以它在可见光区是透明的，SnO2薄膜在可见光区的透过率高达90%以上；同时，由于其高载流子浓度，SnO2在红外光处（等离子边约为3.2μm）具有较强的反射率；因此，利用其在可见光处高透过率和红外光处高反射率的性质，可以广泛用于光伏器件、显示器器件、发光器件等领域。而对于高载流子浓度的SnO2薄膜，尤其是掺杂薄膜，其直接带隙会随载流子浓度的增大而变大，在SnO2薄膜中载流子存在Moss-Burstein移动。

Moss-Burstein移动是由泡利不相容原理引起的。在掺杂材料中，由于费米能级进入导带或价带，从而使导带底或者价带顶的能量已经被占据，最后造成薄膜光学带隙展宽。通常情况下，SnO2是一种很好的掺杂基质，有较宽的禁带宽度和较高的激子束缚能，能够激发其掺杂物质发光。

5.SnO2薄膜的电学特性

SnO2薄膜属于宽禁带n型半导体材料。价带最高点位于布里渊区г3，导带最低点位于布里渊区г点，为典型的直接带隙半导体材料。由于其带隙较宽，所以在理想情况下电子很难从价带跃迁到导带，表现为高阻材料。但是由于在制备薄膜材料过程中，SnO2薄膜不可能为完全纯的化学计量比金红石结构，其中存在一些化学计量比偏差，即在晶格内存在间隙Sn4+和O空位，而O空位在SnO2禁带中可以形成距导带底分别为0.03eV、0.15eV的两个施主能级，从而表现为n型半导体。

在SnO2晶格中，我们采用紧束缚近似确立了一系列非过渡金属金红石结构的氧化物参数，Sn原子和O原子分别属于Ⅳ、Ⅵ族元素，外层电子结构分别为5s25p2和2s22p4。导带主要由Sn 5s和Sn 5p态组成，并伴有少量的O 2p态。-17eV能级主要是由O 2s态组成，并有少量的Sn 5s和Sn 5p态构成；-9eV～-5eV是由于Sn 5s与O 2p态轨道耦合而成；而-5eV～-2eV是由O 2p态和一小部分Sn 5p轨道耦合而成；-2eV～0eV是由O 2p态孤立电子构成，它对化学键结合的作用很小，与其他轨道耦合作用也较弱；而价带是Sn 5s和Sn 5p以及O 2p的混合态。

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