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1、Pneumatic Structures结构概念与体系-如何使结构跨度更大6.5 充气膜结构充气膜结构16.5 充气膜结构6.5 充气膜结构1.概述充气膜结构是由膜材围合成相对密闭的空间，通过充气形成气压差来抵抗荷载、维持形状稳定。1%的大气压可产生1kN/m2的均布压力，相当于82.5m高差气压。充气膜结构的概念来源于气泡21.概述6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构根据膜内密闭空间形成方式不同，充气膜结构可分为四类：气承式、气肋式、气枕式和气囊式。气肋式膜结构气枕式膜结构气囊式膜结构气承式膜结构31.概述6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构气承式膜结构：膜面本身不形成封闭曲面，其周边固定于
2、刚性边界或基础，密闭空间由膜面、四周封闭边界与室内地面形成。室内外气压差通常为室内外气压差通常为200300N/m2王曲电厂气膜煤棚，跨度180m，2020年41.概述6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构气肋式膜结构：膜面本身形成封闭曲面及密闭空间，外形通常为管状，加压气体作用于膜面且形成自平衡体系。沙特某机库，9095m，2018年内部气压通常为内部气压通常为27个大气压个大气压51.概述6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构气枕式膜结构：由多个气枕单元集合而成的结构体系，每个气枕单元的膜面形成封闭曲面，其周边固定于刚性骨架上。水立方，由3065个气枕组成，2008年内部气压通常为内部气压通常
3、为520kPa61.概述6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构气囊式膜结构：外形为囊体状，尺度较大，整个结构可由一个囊体构成，结构本身形成自平衡体系，周边固定于刚性骨架上。瑞士阿劳公交站台雨棚，1070m2，2014年内部气压可参考气承式膜结构内部气压可参考气承式膜结构71.概述充气膜结构的优点充气膜结构的优点 易于建造、抗震性能好 对地质条件依赖小、要求低 易于营造相对独立的小环境 造价低，只有常规结构的50%6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构82.气膜结构的形与力气膜结构形态平衡的基本方程为1212NNPrrN1，N2气膜结构在两个主方向气膜结构在两个主方向单位宽度上的内力单位宽度上的内力
4、r1，r2两个主曲率半径两个主曲率半径p 内外压差内外压差6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构N1N1N2N2P92.气膜结构的形与力对于球形气膜结构：12NNN12rrr1212NNPrr2P rN对于柱面气膜结构：1rr2r 1212NNPrr1NP rNP r 充气膜结构充气膜结构形状系数形状系数6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构102.气膜结构的形与力德国建筑师德国建筑师Frei Otto于上世纪于上世纪70年代提出用一个年代提出用一个直径直径2000m的的充气结充气结构构覆盖北极部分区域，以改变那里的覆盖北极部分区域，以改变那里的工作环境。该想法得到了国际上许多工作环境。该想法得到
5、了国际上许多同行的响应。同行的响应。概念1：气膜结构的内力与跨度成正比，破解了大跨度结构“尺度效应”难题概念图6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构112.气膜结构的形与力概念2：减小结构的曲率半径，可以减少膜面的应力。膜面附加索网就是减小充气膜结构膜面应力的一种合理方式。增加膜表面曲率、减小膜内力；增加膜表面曲率、减小膜内力；提高膜结构抵抗局部荷载的能力提高膜结构抵抗局部荷载的能力转移膜面荷载，降低膜面总体的转移膜面荷载，降低膜面总体的积累应力。积累应力。6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构1002003004005006000.81.21.62.02.42.8频率（Hz）内压（Pa）一阶频率
6、 二阶频率122.气膜结构的形与力尺寸：长120m、宽60m、高20m膜材厚度：1mm膜材弹性模量：1000MPa一阶振型二阶振型内压是充气膜结构独有的设计参数，也是结构形成刚度维持稳定的核心因素。结构自振频率随内压的变化6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构133.张弦充气结构TENSAIRITY=Tension+Air+IntegrityTensairity结构是由低内压充气梁、柔性索、刚性上弦杆件组成的轻型混合结构体系受拉：柔性索低压充气梁受压:刚性上弦杆件6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构143.张弦充气结构充气梁的工作原理充气梁的工作原理c）简支梁工作原理图d）充气梁轻载状态e）充气
7、梁重载状态a）充气梁充气状态b）横截面6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构153.张弦充气结构下弦柔性索承担了结构中的拉力，上弦刚性杆件承担了结构中的压力，实现了拉压分离。张弦充气梁的工作原理张弦充气梁的工作原理6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构163.张弦充气结构Tensairity结构的特点结构的特点和张弦桁架相比，使用充气梁替换了撑杆，使得上弦刚性杆件的稳定性大大提高。与充气梁结构相比，Tensairity梁的内气压很小，但是其承载力可以达到张弦桁架的承载力。在结构受力上，Tensairity结构是一种自支撑，自平衡的结构体系，对边界约束的要求很低。6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构
8、173.张弦充气结构停车场的夜景图Tensairity梁吊装就位2004年在瑞士蒙特勒建成世界上第一座年在瑞士蒙特勒建成世界上第一座Tensairity结构。由结构。由12根根Tensairity梁组成，最梁组成，最大跨度大跨度28m。支座节点Tensairity结构工程应用结构工程应用6.5 充气膜结构6.5 充气膜结构18小 结截面作用Section-active通过截面通过截面抗弯抗弯传力传力向量作用Vector-active通过杆件的通过杆件的拉压组拉压组合作用合作用对力进行对力进行分分解解形状作用Form-active利用结构形体实现利用结构形体实现单向应力单向应力的方向的方向调调整整面作用Surface-active通过通过薄膜应力薄膜应力作用作用对力进行对力进行分散分散结构传力体系划分19 采用格构式结构 采用曲线/曲面结构 采用空间传力体系 利用空气作为支承体系小 结尺度效应是限制大跨度结构发展的重要因素，要克服尺度效应除采用轻质高强材料外，还可考虑的途径有：不同方式的组合不同方式的组合