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膜结构上的荷载及作用

在进行膜结构的荷载态响应分析时，需考虑以下荷载及作用：恒荷载、活荷载、雪荷载、风作用、预张力、支承及边界构件的变形、地震作用以及温度变化的影响等等。

恒荷载通常就是膜材的自重。由于膜材自身的质量很轻（仅为1kg/m2左右），恒载对膜结构的内力及变形的影响通常可以忽略。

由于膜结构表面一般不允许上人，检修、清洗也是由专业膜结构公司负责，实际工程设计中，一般不考虑活荷载。在非降雪地区，习惯上用0.25 或0.30 kN/m2 的竖向荷载来检查膜面是否会因降雨而产生积水；即检查在此荷载作用下，变形后膜面的等高线有无近似的圆形区域出现。

在降雪地区，积雪对膜结构的影响是不容忽视的。由于膜结构多呈负高斯曲率曲面形式，结构上的雪荷载一般为非均匀分布；在计算雪荷载时需根据不同曲面形状、曲率变化来调整雪荷载的分布，以考虑雪荷载不均匀分布可能产生的不利影响。当膜面坡度大于0.4时，落雪一般会自动滑下而不产生堆积。风对积雪形式的影响也需要加以注意。研究表明，低温条件下当风速达到15～20m/s时，膜面几乎不存在积雪；但如果膜面存在“死角”，则在这些部位极易形成较深的积雪。另外，对于某些低矢跨比的膜结构，积雪的作用会导致结构表面趋于平坦，甚至在局部出现下凹，必须小心对待。

风作用或者按习惯说法风荷载是膜结构设计中的主要荷载。在计算风荷载时需要确定两个重要的参数，即风载体型系数和风振系数。由于膜结构的体型复杂，而各国荷载规范所能提供的风载体型系数又十分有限，对复杂体型的膜结构，国内外一般都通过风洞试验的方法来确定体型系数。风振系数的确定则更为复杂，目前无论是在工程上还是在理论研究方面都还没有提出切实有效的解决办法。有关这部分内容，将在下一小节中作更详细的阐述。

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预张力是膜面维持其曲面形状并承受其它荷载的前提。预张力的分布及大小与膜面的形状有关，由找形确定。在作内力分析时，预张力参与所有荷载组合。

支承及边界构件的变形会导致膜面应力重分布。由于膜结构本身的质量很轻，地震作用的影响不是十分明显。在温度变化大的地区，还要考虑热胀冷缩对膜面应力的影响以及高温对焊缝强度的影响。

膜结构区别于传统结构的两个显著特点是轻和柔。轻，意味着结构自身的惯性力很小，地震作用的影响可以忽略不计，相比之下风对结构的影响更为重要；柔，意味着弯曲刚度很低，膜结构对外荷载的抵抗主要通过自身形状的改变来实现，即结构在荷载作用下会产生较大的变形，表现出明显的几何非线性特征。这些特点决定了膜结构是风敏感结构，抗风设计在膜结构的设计中占有特别重要的地位。

近年来，一些大型膜结构在强风作用下破坏的实例，也从另一个侧面证明了抗风设计的重要性。例如，美国佐治亚穹顶在建成3年后，于1995年的一次强风大雨袭击下，四片薄膜被撕裂，撕裂长度达10余米；加拿大蒙特利尔奥林匹克体育场的可开启式膜屋盖在1999年冬天的一场暴风雪之后，一块膜屋盖突然破裂；韩国为2002年世足赛建造的济洲岛体育场挑篷膜结构在2002年6月和8月先后两次在台风的袭击下出现膜材撕裂现象。国内的膜结构工程实践时间虽然不长，但也出现了一些工程在施工过程中膜材被强风撕裂的情况，图1所示即为一例。特别值得说明的是，以上这些实例在破坏发生时，当地的风速均明显低于设计风速。这说明无论是在国内还是国外，膜结构的抗风设计理论都还不够成熟、 对某些情况下风作用的破坏机理尚不十分清楚。

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