大空间的结构体系。与传统结构相比，膜结构具有重量轻跨度较大节约能源造型优美使用安全等优点，并集建筑美学建筑力学材料科学及计算机技术为体，具有很高的技术含量。目前，越来越多的体育建筑展览建筑等纷纷采用这种结构形式。世纪初，英国人提出用鼓风机吹胀膜布作为野战医院的设想，年，用于美国军方直径的球形充气雷达罩问世，这标志着现代意义的膜结构的起源。此后，德国建筑师教授先后于和年发表了研究膜结构的成果，创立了预张力膜结构理论。年，教授设计的蒙特利尔的万国博览会德国馆，在建筑上有广泛的国际影响，带动了膜结构的迅速发展伽随后，各式各样的膜结构建筑出现在年大阪世界博览会上，其中最具代表性的是设计的美国馆，其平面是;椭圆形的室内充气结构图，其次是设计的充气香肠构件式的富士馆图卜。年大阪博览会展示了人们可以用膜结构建造永久性建筑。图卜美国馆图卜日本富士馆张拉膜结构的发展离不开计算机技术的进步。年代中期，程序具有了图形显示功能，使得张拉膜结构的设计大为方便，人们可看到各种初始条件下和外荷载作用下的形状与变形，并能计算任点的应力分布，为张拉膜结构的应用开辟了广阔的前景。主要应用有大多是公司设计，公司承建沙特阿拉伯吉达国际航空港加拿大卡尔加里林德塞公园水族馆沙特阿拉伯利雅德体育馆美国威斯康星大学的麦克林训练场英国温布尔登室内网球馆美国新丹佛国际机场。在十几年的应用中，充气膜结构虽然实现了大型体育场馆的室内化，但也存在着不少问题，如经常性地发生结构事故持续充气带来的高成本控制气压的复杂性空间封闭性等问题。因为存在这些问题使对它的前途产生了怀疑，他转而去寻求其他的支承形式。在的张拉整体概念基础上，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。该结构的首次应用是年韩国汉城亚运会的体操馆直径及击剑馆直径。目前世界上最大的索弯顶室内体育馆图卜是年完成的用于第章绪论年亚特兰大奥运会的椭圆平面尺寸达的穹顶。上世纪末，为了迎接千禧年的到来，在伦敦的格林尼治半岛北端建造了千年穹顶图，周长，直径，覆盏面积，中心高度，由根高的钢桅杆将圆球形膜屋顶吊起，它集中体现世纪建筑技术的精华。幽卜弓史倒干年穹页在新世纪里，体育运动使膜结构得到了空前发展。如年韩日世界杯足球赛日本十个体育场中有六个是膜结构新泻体育场鹿岛茨城足球场琦玉体育场静冈体育场大阪长居田径场大分弯顶，而韩国十个体育场中则有五个采用膜结构汉城体育场仁川体育场大邱体育场釜山体育场，济洲西归浦体育场嘲。从上述实例可以看出，国外膜结构已经发展至Ⅱ个较高的水平，技术也较成熟，建成了许多标志性建筑。，近十年间我国索膜结构也得到了飞速的发展。年竣工的上海八万人体育场图卜是钢骨架支撑的膜结构，总覆盖面积达，它开启了我国大型膜结构之先河图卜上海八万人体育场图义乌会展体育中心进入世纪后，由中国人自己设计和施工的膜结构体育场馆和展览馆如雨后春笋般涌现在中国广袤的大地上，如上海新国际博览中心的钢拱膜结构，武汉体育场索膜结构，浙江省义乌会展体育中心索膜结构图卜，青岛颐中体育场索膜结构图卜，以及山东威海体育馆索膜结构图。北京工业大学工学硕士学位论文图卜青岛颐中体育场图卜威海体百场北京奥运会更是把我国膜结构发展推向个新的高潮。国家体育场“鸟巢”屋盖膜结构可分为屋面围护膜声学吊顶膜。其中屋面围护膜结构采用单层片的曲率变化及膜面的预应力来获得定的刚度。结构通过索和膜内力重分布来抵抗垂直曲面的外荷载。因此，膜结构的分析属于小应变大位移状态，对该类结构的有限元分析具有几何非线性的特点。有限元分析方法采用非线性有限元法对张拉整体膜结构进行分析时，将连续弹性体离散化为许多微小弹性模量的有限单元体，并设定有限单元体的位移变形模式，定各有限单元体的初始预应力，按列式的虚位移原理即在求解过程中不断更新参考位形，所有静力学和运动学变量总是参考于每荷载或时间步长开始的位形来建立结构的非线性有限元方程，求解出该有限单元结构体变形后的新位置，从而得到结构在该初始预应力状态下的平衡位置。根据虚位移原理，采用几何非线性增量问题的表达方式。可推出平面三角形膜单元局部坐标系下的平衡方程帅。采用空间三节点三角形膜单元，考虑节点三个方向的位移以及面内应力盯。，盯。，以时刻的结构形状作为参考位形，则时刻的膜结构形状和位移增量可以由以下方程描述Ⅳ北京工业大学工学硕士学位论文血Ⅳ札式中Ⅳ膜单元的形函数矩阵；，“膜单元内任点坐标和位移增量向量；，。膜单元节点坐标和节点位移增量向量对于大位移小应交的几何非线性问题，应考虑应变与位移关系的二次项，即气占胞凸式中气线性应变增量向量；占。非线性应变增量向量；口卜几何矩阵由于大变形问题中占是虬的函数，因而曰是非线性的，为方便表示可以写成㈣阻式中见卜线性几何矩阵；瓦。非线性几何矩阵，是也的函数。令占”。为单元节点虚位移向量，占占为虚应变向量，虚位移与虚应变的关系为万占占气占占万“。将代入列式的虚功方程，可以得到由到时刻的膜单元的非线性有限元平衡方程瓦卜痞咱，其中瓦，局部坐标系下膜单元的线性刚度矩阵；墨。局部坐标系下膜单元的非线性刚度矩阵；局部坐标系下膜单元荷载向量；局部坐标系下膜单元应力等效节点力向量。通过局部坐标系与整体坐标系的转换矩阵，然后分别集成各单元的总刚度矩阵和节点载荷列阵，得到整体坐标系下的有限元平衡方程为彳酽群其中整体坐标系下膜单元的线性刚度矩阵；第章伞形膜结构褶皱分析的理论基础五。整体坐标系下膜单元的非线性刚度矩阵；置整体坐标系下膜单元荷载向量；，整体坐标系下膜单元应力等效节点力向量。褶皱膜单元的处理膜单元不能存在小于的主应力，弹性矩阵要进行处理旧。设膜单元应力为盯，吒坐即，否则膜面出现褶皱。此时根据莫尔圆理论，其主应力为;，巳，巳，仆士怠鸶。卜慨卜去旧台。厶，∞式中卜膜片单元的弹性刚度矩阵；Ⅲ口目Ⅲ;九矶盯旧；。，。Ⅱ岛，二Ⅱ岛，盯岫卟岫曰口臼五裁剪分析理论裁剪分析概述得到初始平衡曲面后，接下来的任务就是要剪裁拼接出我们所设计出来的膜结构来。膜材料都是成卷提供的，所以就需要根据卷材的宽度，把将要覆盖在结构上的膜在卷材上放样，切割下来，在工厂或者施工现场拼合成我们所需要的形状，为张拉成形做准备。这个过程就称为裁剪分析。裁剪线的确定是由索膜结第章伞形膜结构褶皱分析的理论基础构的经济性可操作性及美观性来决定的。经济性要求三维膜片的平面拓扑宽度应当充分利用材料供应商提供的膜卷的宽度；可操作性要求膜片的宽度比膜卷的宽度小；而美观性要求尽量减少膜片的数目和焊缝的总长度”常用的裁剪线有三种”“删利用有限元网格；利用膜面和平面的交线；利用测地线。由于膜面多数以三角形网格来描述，因此利用有限元网格可以很方便的得到裁剪线，但此法不利于按需划分膜片进行裁剪，其经济性和美观性都无法保证；在曲率较小的膜面上采用膜面和平面的交线可以获得较好的裁剪效果，但在膜面曲率较大时，膜片展开边界的曲率较大，往往会造成膜材的浪费和影响结构美观；通常膜片的裁剪线是采用曲面的测地线。测地线是大地测量学中的个名词，是指曲面上两点距离最短的曲线。测地线法就是在曲面上寻找连接两点的最短曲线。在相邻两条测地线间作出垂线，将测地线和其问的垂线的中点连线作为裁剪线。用此方法进行裁剪，可以使膜片边为直边，而另边不会产生过大的变形。这种方法在膜面曲率不是很大时精度较高，但当曲率较大时将产生较大的误差，需要缩小裁片的宽度，增加裁片数量，从而增加焊缝数量，影响膜片外观。测地线方程为妾考雾妻害象丁妾茜言雾象，。㈤鱼耋鱼鱼堂鱼妻缸苏砂缸砂缸砂勿方程是个非线性微分方程，可采用数值解法求解，如有限差分法或龙格库塔法求解。条测地线如果在曲面上确定了点和方向，或是在曲面上确定了两点，那么这条测地线可以唯确定。然而此方程只能适用于有解析方程的光滑曲面，而找形分析获得的膜面绝大多数是由离散三角形描述的没有明确解析方程的折面，因此采用此方程来确定膜面的测地线有时存在很大困难。Ⅲ提出使用测地线作为裁剪线来生成裁剪样式，并指出当包含条测地线的可展曲面被展成平面时，测地线就变成了条直线；同时提出可以采用简单的几何方法确定膜面上的测地线，但此方法首先必须确定在曲面上起始点和测地线的方向，而测地线的另个待求端点的位置很难控制。这样无法保证测地线之间膜片的宽度能够满足膜卷的宽度要求。王启文”指出采用测地线当作裁剪线可以使膜片的边界曲率不致过大，并且可以根据膜卷宽度来调整裁剪线，充分利用膜卷材料；并提出采用泛函求极值的方法来求测地线，但此法需要进行曲面拟合，导致引入新的误差。咖提出了测地线的确定和初始平衡形状的确定同步进行，并将测地线采用抛物线来近似模拟，这样明显增加求解的复杂性和引入了新的误差。北京工业大学工学硕士学位论文测地线确定的最小势能原理使用测地线作为裁剪缝能够得到适合膜卷宽度的裁剪样式和曲率很小的裁剪边界，因此从膜卷使用方面和施工操作方面来讲是非常有效的。膜结构经过找形分析获得了用平面三角形单元描述的膜面。为了在膜面需要裁剪的部位获得测地线，在此初始设置处设置两端固定的预张力索。设此索的任个单元有预张力石，长度厶，拉伸刚度岛，则此单元的应变能可以表达为舟如果索单元的预张力和拉伸刚度日都是常数，则由式得到，玑业如果索的两个端点之间有Ⅳ个索单元，则整条索的应变能可以表示为，争盥智,如果索的所有单元具有有相同的预张力，和拉伸刚度助，则由式得到Ⅳ，二厶尉百在索外部作用力做功为零时，由能量守恒原理可以得到索的应变能等于索的势能。根据最小势能原理，当整个体系中势能最小时，就可以获得全部索单元组装后的平衡状态。反过来说，全部索单元组装后的平衡状态对应着索中势能最小状态。如果索的这Ⅳ个单元具有有相同的预应力和拉伸刚度点，从式，中可以看出，当索的势能最小时，厶也最小。因此可以看出当两个端点之间固定的等张力索在膜面上自由滑动外力功为零时，最终索的平衡位置就是膜面上索的两个固定端点间最小距离的位置，即为曲面上这两个端点之间的测地线呻卜钔求解膜面测地线的非线性有限元法为获得膜面上索的静力平衡位置，首先用膜卷宽度估计出膜面上的测地线之间的距离，并确定测地线的两个固定端点的位置。在两个固定端点之间添加条直线索，在此直线索上进行索单元划分，并将此直线索垂直面投影到膜面上，得到索的初始位置。为了让索充分近似地模拟给定膜面的曲率，必须给索划分足够多的单元，即膜面的每个三角形单元上应该有保证足够多的索单元穿过。为了北京工业大学硕士学位论文伞形膜结构浮动环处的褶皱问题研究姓名张惠琴申请学位级别硕士专业结构工程指导教师薛素铎；黄达达摘要摘要在过去的三十年膜结构在世界范围得到了迅猛的发展，相应的理论也已经比较成熟，但是作为种柔性体系，伞形膜结构浮动环处的褶皱问题是实际工程中普遍存在的个问题。褶皱不仅影响膜结构的美观，而且会对体系的受力性能产生影响。本课题的研究旨在对伞形膜结构浮动环处的褶皱问题进行定探讨，希望对膜结构的工程实践提供些有价值的信息