1.本发明涉及建筑工程的索膜结构设计技术领域，具体地，涉及一种大曲率索膜结构的设计方法。
背景技术：
2.随着社会的不断发展，人们对公共活动空间如大型的展览馆、体育场馆、机场、火车站等需求与日俱增；同时，随着人们的审美水平不断提高，对建筑的美观、轻盈等要求也在不断的增加；索膜结构以其丰富的色彩、轻盈的结构形式、美观的造型也越来越受大众欢迎。这些现象极大的促进了索膜结构的不断创新。不仅是在安全、经济方面的创新，更重要的是在造型方面的创新，满足人们不断更新的审美需求。
3.索膜结构不同于常规建筑结构，其所用膜材为弹塑性材料，材料在拉伸测试时会出现两个屈服平台，最大抗拉强度仅为钢材的1/10左右，在拉力作用下拉伸形变越大产生的徐变越大，力学性能独特；并且膜材对温度变化较为敏感。
4.索膜结构在阻燃性能及透光性方面优势明显，耐久性较好，可以降低结构荷载，还可以降低材料使用量，节约工程投资，近年来得到了较为广泛的应用。
5.但索膜结构易受温度性能影响，大面积膜结构在风、雪荷载作用下容易在结构边缘出现应力集中并产生塑性变形或因温度变化发生较大变形而改变形体尺寸或出现松弛。国内外对索膜结构的分析设计理论尚未完全成熟，因此探索合适的大曲率索膜结构的设计方法，根据特殊建筑形体进行专门设计与加工，并在实际施工中有针对性的进行优化改进，也是促进大跨度、大面积索膜结构的推广应用的需要。
技术实现要素：
6.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大曲率索膜结构的设计方法。本发明的设计方法将钢索、膜材、五金件及索膜支座钢构协同受力体系优化，在充分发挥材料性能的前提下改善结构的整体受力稳定性和构件的适用性，并使建筑形体艺术完美表达。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种大曲率索膜结构的设计方法，包括以下步骤：（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；（2）采用ansys软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用shell41单元模拟索膜结构中的膜材；（3）通过对不同厚度的膜材在风荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；具体包括索袋优化、索夹优
化、铝夹具优化、索膜支座钢构优化、张拉转接件优化；（6）设计膜材的合适透光率，透光率范围为75%至90%。
8.优选的，在所述步骤（1）中，所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为30
‑
35℃；为了能够直观的对膜材的徐变性能进行研究，忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：其中，
ɛ
cr
为徐变应变，l(t)与
ɛ
(t)为t时刻材料的位移与应变；l(t0)与
ɛ
(t0)为材料在初始时刻的位移与应变；l0为夹具间长度，为80
‑
120mm。
9.在上述任一方案中优选的是，在所述步骤（2）中，由于膜材不能抵抗弯曲变形，故找形过程中选择受拉选项以忽略其弯曲刚度；为了防止膜单元在找形过程中发生翘曲，在元素划分时选用了三角形单元，选取650mpa作为膜材的弹性模量，选取0.42作为膜材的泊松比；采用 link10 单元模拟拉索，弹性模量为1.60
×
105mpa，泊松比为 0.3，采用改变初应变的方法为索单元施加预应力；采用小弹性模量法对索膜进行协同找形，采用该方法找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求。
10.在上述任一方案中优选的是，在所述步骤（2）中，找形分析前首先计算确定竖向索布置，随后在横向布置3
‑
5道钢索开展找形分析。
11.在上述任一方案中优选的是，在所述步骤（3）中，膜结构厚度设计时对最大应力进行严格控制，最大应力不超过9mpa；以风压或风吸的形式模拟风荷载向膜面施加作用力，应力与膜材单位长度截面积即膜材厚度成反比；经以上实验分析并综合考虑经济性，选取280
‑
300μm厚度的膜材，既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
12.在上述任一方案中优选的是，在所述步骤（4）中，为保证膜材受力合理，确定结构体系为单层膜加固索网结构；索网布置方案的选定及优化包括采用ansys软件和3d3s软件开展索网体系受力分析及结构设计，确定采用纵横双向索网布置方案，纵向索为主受力钢索，中间膜片布置7
‑
10道竖向钢索，边缘膜片布置3
‑
6道竖向钢索；横向钢索通过受力分析及找形确定布置五道索；钢索直径选择包括通过ansys软件对索网体系风荷载作用下不同钢索布置方案时钢索的内力和位移进行研究，采用12
‑
15mm直径的钢索，此时钢索应力较低且能充分发挥钢索性能。
13.在上述任一方案中优选的是，在所述步骤（5）中，技术验证及五金件优化主要通过在现场制作1:1实体模型实现；所述索袋优化为在膜材上对应纵向钢索的位置处设置索袋，使竖向钢索阴影变窄，弱化索袋及钢索的印迹，使膜面形态更加接近预期造型；所述索夹优化为使用万向索夹，在维持万向索夹圆柱体外形的情况下，使交叉的纵横向钢索可以独立转动，使钢索在张拉的过程中万向索夹可根据钢索受力方向及线型自由调整角度；万向索夹的使用，使索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡。为防止金属的万向索夹与膜面在风荷载下出现摩擦损坏膜面，在万向索夹底部加入柔性硅胶垫，避免金属的万向索夹与膜面直接接触；所述铝夹具优化为依据膜材的边缘线型将铝夹具拉弯，使铝夹具线型与膜材
边缘线型吻合，呈现曲线边缘效果；膜结构依附于主体钢结构，膜结构受力体系通过索膜支座钢构与主体钢结构连接，索膜支座钢构即相当于膜结构的安装支座；为加快施工速度，提高施工质量，所述索膜支座钢构优化为将多个安装支座加工成整体的模块，以模块安装代替大量散件安装，以模块定位代替多个散件定位，同时将焊缝连接设计为螺栓连接，简化安装工艺、提高施工效率；所述张拉转接件优化是在钢索张拉端引入万向转接头，万向转接头与索膜支座钢构连接并垂直于索膜支座钢构螺栓孔处钢板面，钢索张拉端张紧螺栓与万向转接头连接，从而实现角度的灵活调整，钢索张拉索头始终与钢索受力方向保持一致。
14.在上述任一方案中优选的是，进一步包括步骤（7），对选择的膜材进行加工，包括建模下料和裁剪热合。
15.本发明的有益效果为：1.本发明的设计方法将钢索、膜材、五金件及索膜支座钢构协同受力体系优化，在充分发挥材料性能的前提下改善结构的整体受力稳定性和构件的适用性，并使建筑形体艺术完美表达。
16.2.本发明使得找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求；既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
17.3.本发明的设计方法使得膜材受力合理，钢索应力较低且能充分发挥钢索性能；索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡；能够加快施工速度，提高施工质量；简化安装工艺、提高施工效率。
具体实施方式
18.下面将结合本技术的具体实施方式对本技术的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
19.实施例1一种大曲率索膜结构的设计方法，包括以下步骤：（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；（2）采用ansys软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用shell41单元模拟索膜结构中的膜材；（3）通过对不同厚度的膜材在风载荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；具体包括索袋优化、索夹优化、铝夹具优化、索膜支座钢构优化、张拉转接件优化；（6）设计膜材的合适透光率，透光率范围为75%。
20.在所述步骤（1）中，所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为35℃；为了能够直观的对膜材的徐变性能进行研
究，忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：其中，
ɛ
cr
为徐变应变，l(t)与
ɛ
(t)为t时刻材料的位移与应变；l(t0)与
ɛ
(t0)为材料在初始时刻的位移与应变；l0为夹具间长度，为80mm。
21.在所述步骤（2）中，由于膜材不能抵抗弯曲变形，故找形过程中选择受拉选项以忽略其弯曲刚度；为了防止膜单元在找形过程中发生翘曲，在元素划分时选用了三角形单元，选取650mpa作为膜材的弹性模量，选取0.42作为膜材的泊松比；采用 link10 单元模拟拉索，弹性模量为1.60
×
105mpa，泊松比为 0.3，采用改变初应变的方法为索单元施加预应力；采用小弹性模量法对索膜进行协同找形，采用该方法找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求。
22.在所述步骤（2）中，找形分析前首先计算确定竖向索布置，随后在横向布置3
‑
5道钢索开展找形分析。
23.在所述步骤（3）中，膜结构厚度设计时对最大应力进行严格控制，最大应力不超过9mpa；以风压或风吸的形式模拟风荷载向膜面施加作用力，应力与膜材单位长度截面积即膜材厚度成反比；经以上实验分析并综合考虑经济性，选取300μm厚度的膜材，既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
24.在所述步骤（4）中，为保证膜材受力合理，确定结构体系为单层膜加固索网结构；索网布置方案的选定及优化包括采用ansys软件和3d3s软件开展索网体系受力分析及结构设计，确定采用纵横双向索网布置方案，纵向索为主受力钢索，中间膜片布置10道竖向钢索，边缘膜片布置3道竖向钢索；横向钢索通过受力分析及找形确定布置五道索；钢索直径选择包括通过ansys软件对索网体系风荷载作用下不同钢索布置方案时钢索的内力和位移进行研究，采用15mm直径的钢索，此时钢索应力较低且能充分发挥钢索性能。
25.在所述步骤（5）中，技术验证及五金件优化主要通过在现场制作1:1实体模型实现；所述索袋优化为在膜材上对应纵向钢索的位置处设置索袋，使竖向钢索阴影变窄，弱化索袋及钢索的印迹，使膜面形态更加接近预期造型；所述索夹优化为使用万向索夹，在维持万向索夹圆柱体外形的情况下，使交叉的纵横向钢索可以独立转动，使钢索在张拉的过程中万向索夹可根据钢索受力方向及线型自由调整角度；万向索夹的使用，使索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡。为防止金属的万向索夹与膜面在风荷载下出现摩擦损坏膜面，在万向索夹底部加入柔性硅胶垫，避免金属的万向索夹与膜面直接接触；所述铝夹具优化为依据膜材的边缘线型将铝夹具拉弯，使铝夹具线型与膜材边缘线型吻合，呈现曲线边缘效果；膜结构依附于主体钢结构，膜结构受力体系通过索膜支座钢构与主体钢结构连接，索膜支座钢构即相当于膜结构的安装支座；为加快施工速度，提高施工质量，所述索膜支座钢构优化为将多个安装支座加工成整体的模块，以模块安装代替大量散件安装，以模块定位代替多个散件定位，同时将焊缝连接设计为螺栓连接，简化安装工艺、提高施工效率；所述张拉转接件优化是在钢索张拉端引入万向转接头，万向转接头与索膜支座钢构连接并垂
直于索膜支座钢构螺栓孔处钢板面，钢索张拉端张紧螺栓与万向转接头连接，从而实现角度的灵活调整，钢索张拉索头始终与钢索受力方向保持一致。
26.进一步包括步骤（7），对选择的膜材进行加工，包括建模下料和裁剪热合。
27.实施例2一种大曲率索膜结构的设计方法，包括以下步骤：（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；（2）采用ansys软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用shell41单元模拟索膜结构中的膜材；（3）通过对不同厚度的膜材在风载荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；具体包括索袋优化、索夹优化、铝夹具优化、索膜支座钢构优化、张拉转接件优化；（6）设计膜材的合适透光率，透光率范围为90%。
28.在所述步骤（1）中，所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为30℃；为了能够直观的对膜材的徐变性能进行研究，忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：其中，
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cr
为徐变应变，l(t)与
ɛ
(t)为t时刻材料的位移与应变；l(t0)与
ɛ
(t0)为材料在初始时刻的位移与应变；l0为夹具间长度，为120mm。
29.在所述步骤（2）中，由于膜材不能抵抗弯曲变形，故找形过程中选择受拉选项以忽略其弯曲刚度；为了防止膜单元在找形过程中发生翘曲，在元素划分时选用了三角形单元，选取650mpa作为膜材的弹性模量，选取0.42作为膜材的泊松比；采用 link10 单元模拟拉索，弹性模量为1.60
×
105mpa，泊松比为 0.3，采用改变初应变的方法为索单元施加预应力；采用小弹性模量法对索膜进行协同找形，采用该方法找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求。
30.在所述步骤（2）中，找形分析前首先计算确定竖向索布置，随后在横向布置3
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5道钢索开展找形分析。
31.在所述步骤（3）中，膜结构厚度设计时对最大应力进行严格控制，最大应力不超过9mpa；以风压或风吸的形式模拟风荷载向膜面施加作用力，应力与膜材单位长度截面积即膜材厚度成反比；经以上实验分析并综合考虑经济性，选取280μm厚度的膜材，既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
32.在所述步骤（4）中，为保证膜材受力合理，确定结构体系为单层膜加固索网结构；
索网布置方案的选定及优化包括采用ansys软件和3d3s软件开展索网体系受力分析及结构设计，确定采用纵横双向索网布置方案，纵向索为主受力钢索，中间膜片布置7道竖向钢索，边缘膜片布置6道竖向钢索；横向钢索通过受力分析及找形确定布置五道索；钢索直径选择包括通过ansys软件对索网体系风荷载作用下不同钢索布置方案时钢索的内力和位移进行研究，采用15mm直径的钢索，此时钢索应力较低且能充分发挥钢索性能。
33.在所述步骤（5）中，技术验证及五金件优化主要通过在现场制作1:1实体模型实现；所述索袋优化为在膜材上对应纵向钢索的位置处设置索袋，使竖向钢索阴影变窄，弱化索袋及钢索的印迹，使膜面形态更加接近预期造型；所述索夹优化为使用万向索夹，在维持万向索夹圆柱体外形的情况下，使交叉的纵横向钢索可以独立转动，使钢索在张拉的过程中万向索夹可根据钢索受力方向及线型自由调整角度；万向索夹的使用，使索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡。为防止金属的万向索夹与膜面在风荷载下出现摩擦损坏膜面，在万向索夹底部加入柔性硅胶垫，避免金属的万向索夹与膜面直接接触；所述铝夹具优化为依据膜材的边缘线型将铝夹具拉弯，使铝夹具线型与膜材边缘线型吻合，呈现曲线边缘效果；膜结构依附于主体钢结构，膜结构受力体系通过索膜支座钢构与主体钢结构连接，索膜支座钢构即相当于膜结构的安装支座；为加快施工速度，提高施工质量，所述索膜支座钢构优化为将多个安装支座加工成整体的模块，以模块安装代替大量散件安装，以模块定位代替多个散件定位，同时将焊缝连接设计为螺栓连接，简化安装工艺、提高施工效率；所述张拉转接件优化是在钢索张拉端引入万向转接头，转接头与索膜支座钢构连接并垂直于索膜支座钢构螺栓孔处钢板面，钢索张拉端张紧螺栓与万向转接头连接，从而实现角度的灵活调整，钢索张拉索头始终与钢索受力方向保持一致。
34.进一步包括步骤（7），对选择的膜材进行加工，包括建模下料和裁剪热合。
35.实施例3一种大曲率索膜结构的设计方法，包括以下步骤：（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；（2）采用ansys软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用shell41单元模拟索膜结构中的膜材；（3）通过对不同厚度的膜材在风载荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；具体包括索袋优化、索夹优化、铝夹具优化、索膜支座钢构优化、张拉转接件优化；（6）设计膜材的合适透光率，透光率范围为75%。
36.在所述步骤（1）中，所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为35℃；为了能够直观的对膜材的徐变性能进行研究，忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：
其中，
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为徐变应变，l(t)与
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(t)为t时刻材料的位移与应变；l(t0)与
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(t0)为材料在初始时刻的位移与应变；l0为夹具间长度，为100mm。
37.在所述步骤（2）中，由于膜材不能抵抗弯曲变形，故找形过程中选择受拉选项以忽略其弯曲刚度；为了防止膜单元在找形过程中发生翘曲，在元素划分时选用了三角形单元，选取650mpa作为膜材的弹性模量，选取0.42作为膜材的泊松比；采用 link10 单元模拟拉索，弹性模量为1.60
×
105mpa，泊松比为 0.3，采用改变初应变的方法为索单元施加预应力；采用小弹性模量法对索膜进行协同找形，采用该方法找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求。
38.在所述步骤（2）中，找形分析前首先计算确定竖向索布置，随后在横向布置5道钢索开展找形分析。
39.在所述步骤（3）中，膜结构厚度设计时对最大应力进行严格控制，最大应力不超过9mpa；以风压或风吸的形式模拟风荷载向膜面施加作用力，应力与膜材单位长度截面积即膜材厚度成反比；经以上实验分析并综合考虑经济性，选取300μm厚度的膜材，既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
40.在所述步骤（4）中，为保证膜材受力合理，确定结构体系为单层膜加固索网结构；索网布置方案的选定及优化包括采用ansys软件和3d3s软件开展索网体系受力分析及结构设计，确定采用纵横双向索网布置方案，纵向索为主受力钢索，中间膜片布置9道竖向钢索，边缘膜片布置5道竖向钢索；横向钢索通过受力分析及找形确定布置五道索；钢索直径选择包括通过ansys软件对索网体系风荷载作用下不同钢索布置方案时钢索的内力和位移进行研究，采用12mm直径的钢索，此时钢索应力较低且能充分发挥钢索性能。
41.在所述步骤（5）中，技术验证及五金件优化主要通过在现场制作1:1实体模型实现；所述索袋优化为在膜材上对应纵向钢索的位置处设置索袋，使竖向钢索阴影变窄，弱化索袋及钢索的印迹，使膜面形态更加接近预期造型；所述索夹优化为使用万向索夹，在维持万向索夹圆柱体外形的情况下，使交叉的纵横向钢索可以独立转动，使钢索在张拉的过程中万向索夹可根据钢索受力方向及线型自由调整角度；万向索夹的使用，使索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡。为防止金属的万向索夹与膜面在风荷载下出现摩擦损坏膜面，在万向索夹底部加入柔性硅胶垫，避免金属的万向索夹与膜面直接接触；所述铝夹具优化为依据膜材的边缘线型将铝夹具拉弯，使铝夹具线型与膜材边缘线型吻合，呈现曲线边缘效果；膜结构依附于主体钢结构，膜结构受力体系通过索膜支座钢构与主体钢结构连接，索膜支座钢构即相当于膜结构的安装支座；为加快施工速度，提高施工质量，所述索膜支座钢构优化为将多个安装支座加工成整体的模块，以模块安装代替大量散件安装，以模块定位代替多个散件定位，同时将焊缝连接设计为螺栓连接，简化安装工艺、提高施工效率；所述张拉转接件优化是在钢索张拉端引入万向转接头，万向转接头与索膜支座钢构连接并垂直于索膜支座钢构螺栓孔处钢板面，钢索张拉端张紧螺栓与万向转接头连接，从而实现角度的灵活调整，钢索张拉索头始终与钢索受力方向保持一致。
42.进一步包括步骤（7），对选择的膜材进行加工，包括建模下料和裁剪热合。
43.实施例4一种大曲率索膜结构的设计方法，包括以下步骤：（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；（2）采用ansys软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用shell41单元模拟索膜结构中的膜材；（3）通过对不同厚度的膜材在风载荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；具体包括索袋优化、索夹优化、铝夹具优化、索膜支座钢构优化、张拉转接件优化；（6）设计膜材的合适透光率，透光率范围为75%至90%。
44.在所述步骤（1）中，所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为30
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35℃；为了能够直观的对膜材的徐变性能进行研究，忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：其中，
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为徐变应变，l(t)与
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(t)为t时刻材料的位移与应变；l(t0)与
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(t0)为材料在初始时刻的位移与应变；l0为夹具间长度，为80
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120mm。
45.在所述步骤（2）中，由于膜材不能抵抗弯曲变形，故找形过程中选择受拉选项以忽略其弯曲刚度；为了防止膜单元在找形过程中发生翘曲，在元素划分时选用了三角形单元，选取650mpa作为膜材的弹性模量，选取0.42作为膜材的泊松比；采用 link10 单元模拟拉索，弹性模量为1.60
×
105mpa，泊松比为 0.3，采用改变初应变的方法为索单元施加预应力；采用小弹性模量法对索膜进行协同找形，采用该方法找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求。
46.在所述步骤（2）中，找形分析前首先计算确定竖向索布置，随后在横向布置3
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5道钢索开展找形分析。
47.在所述步骤（3）中，膜结构厚度设计时对最大应力进行严格控制，最大应力不超过9mpa；以风压或风吸的形式模拟风荷载向膜面施加作用力，应力与膜材单位长度截面积即膜材厚度成反比；经以上实验分析并综合考虑经济性，选取280
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300μm厚度的膜材，既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
48.在所述步骤（4）中，为保证膜材受力合理，确定结构体系为单层膜加固索网结构；索网布置方案的选定及优化包括采用ansys软件和3d3s软件开展索网体系受力分析及结构设计，确定采用纵横双向索网布置方案，纵向索为主受力钢索，中间膜片布置7
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10道竖向钢
索，边缘膜片布置3
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6道竖向钢索；横向钢索通过受力分析及找形确定布置五道索；钢索直径选择包括通过ansys软件对索网体系风荷载作用下不同钢索布置方案时钢索的内力和位移进行研究，采用12
‑
15mm直径的钢索，此时钢索应力较低且能充分发挥钢索性能。
49.在所述步骤（5）中，技术验证及五金件优化主要通过在现场制作1:1实体模型实现；所述索袋优化为在膜材上对应纵向钢索的位置处设置索袋，使竖向钢索阴影变窄，弱化索袋及钢索的印迹，使膜面形态更加接近预期造型；所述索夹优化为使用万向索夹，在维持万向索夹圆柱体外形的情况下，使交叉的纵横向钢索可以独立转动，使钢索在张拉的过程中万向索夹可根据钢索受力方向及线型自由调整角度；万向索夹的使用，使索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡。为防止金属的万向索夹与膜面在风荷载下出现摩擦损坏膜面，在万向索夹底部加入柔性硅胶垫，避免金属的万向索夹与膜面直接接触；所述铝夹具优化为依据膜材的边缘线型将铝夹具拉弯，使铝夹具线型与膜材边缘线型吻合，呈现曲线边缘效果；膜结构依附于主体钢结构，膜结构受力体系通过索膜支座钢构与主体钢结构连接，索膜支座钢构即相当于膜结构的安装支座；为加快施工速度，提高施工质量，所述索膜支座钢构优化为将多个安装支座加工成整体的模块，以模块安装代替大量散件安装，以模块定位代替多个散件定位，同时将焊缝连接设计为螺栓连接，简化安装工艺、提高施工效率；所述张拉转接件优化是在钢索张拉端引入万向转接头，万向转接头与索膜支座钢构连接并垂直于索膜支座钢构螺栓孔处钢板面，钢索张拉端张紧螺栓与万向转接头连接，从而实现角度的灵活调整，钢索张拉索头始终与钢索受力方向保持一致。
50.进一步包括步骤（7），对选择的膜材进行加工，包括建模下料和裁剪热合。
51.为了进一步提高本发明的技术效果，该实施例中，建模下料时，大曲率索膜结构的加工对精度要求极高，尺寸稍有偏差就会使膜面形态改变或出现褶皱，为提高加工精度，建模下料前需对膜结构安装支座及支座钢构的安装螺栓孔位进行高精度的复测，并将复测结果建立三维模型，在模型的基础上开展双曲面膜结构的建模及绘制加工图。采用三维扫描仪复测索膜支座钢构安装螺栓孔位，三维扫描具有精度高、自动化程度高、可与模型设计软件共同使用等优点。已施工完的钢结构经三维扫描生成包含安装螺栓孔位的结构实体模型，将螺栓孔位空间位置作为膜结构边缘限制条件开展膜面的具体设计。
52.膜面设计的具体步骤如下1）将复测结果与设计数据比对无误后进行展膜，即将空间曲面展开为平面图形。
53.2）确定横索与径索的长度以及万向索夹安装的点位。
54.3）膜面审核，确认无误后方可出图用于下料加工。下料时需要考虑膜面热合的搭接尺寸。
55.裁剪热合时，根据下料图对膜材进行裁剪，采用全自动膜材裁剪机进行立体裁剪，按照空间展膜后的切割曲线一次裁剪完成。膜材裁剪前先对设备进行调试，使设备处于最佳状态，裁剪完成后由质检人员对膜材尺寸进行检验，检验合格的膜材方可进入热合工序。膜材热合前先将热合平台上的灰尘擦拭干净，否则影响热合质量。热合作业人员依照加工顺序，确认膜材编号、扣件编号及转角编号、准备热合的裁剪片。确认膜材重叠方向及熔接宽度，热合宽度与理论设计值之间偏差不超过
±
1mm。
56.热合平台依次设置有膜材牵拉机构、热压合台以及拉伸机构。膜材牵拉机构对裁剪后的膜材进行牵拉，所述热压合台用以将膜材牵拉机构牵拉的膜材进行热压合；所述热
压合台包括平铺拉伸辊以及位于所述平铺拉伸辊上方的热压平台；所述热压平台能向下运动至平铺拉伸辊上；所述拉伸机构位于所述热压合台的后方，用以配合所述热压合台来调节膜材在经过所述热压合台之后的长度；所述热压合台以及拉伸机构通过传动机构相互配合。所述平铺拉伸辊具有粘性，能够在运行时适度粘住膜材，使其在向前输送时保持平铺拉伸状态，保证了在进行热压合时的材质状态。
57.采用一体式的热合平台，节约造价成本，提高生产的流水性和工作效率，并提高了膜材质量。
58.实施例5一种大曲率索膜结构的设计方法，包括以下步骤：（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；（2）采用ansys软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用shell41单元模拟索膜结构中的膜材；（3）通过对不同厚度的膜材在风载荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；具体包括索袋优化、索夹优化、铝夹具优化、索膜支座钢构优化、张拉转接件优化；（6）设计膜材的合适透光率，透光率范围为75%至90%。
59.在所述步骤（1）中，所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为30
‑
35℃；为了能够直观的对膜材的徐变性能进行研究，忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：其中，
ɛ
cr
为徐变应变，l(t)与
ɛ
(t)为t时刻材料的位移与应变；l(t0)与
ɛ
(t0)为材料在初始时刻的位移与应变；l0为夹具间长度，为80
‑
120mm。
60.在所述步骤（2）中，由于膜材不能抵抗弯曲变形，故找形过程中选择受拉选项以忽略其弯曲刚度；为了防止膜单元在找形过程中发生翘曲，在元素划分时选用了三角形单元，选取650mpa作为膜材的弹性模量，选取0.42作为膜材的泊松比；采用 link10 单元模拟拉索，弹性模量为1.60
×
105mpa，泊松比为 0.3，采用改变初应变的方法为索单元施加预应力；采用小弹性模量法对索膜进行协同找形，采用该方法找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求。
61.在所述步骤（2）中，找形分析前首先计算确定竖向索布置，随后在横向布置3
‑
5道钢索开展找形分析。
62.在所述步骤（3）中，膜结构厚度设计时对最大应力进行严格控制，最大应力不超过9mpa；以风压或风吸的形式模拟风荷载向膜面施加作用力，应力与膜材单位长度截面积即
膜材厚度成反比；经以上实验分析并综合考虑经济性，选取280
‑
300μm厚度的膜材，既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
63.在所述步骤（4）中，为保证膜材受力合理，确定结构体系为单层膜加固索网结构；索网布置方案的选定及优化包括采用ansys软件和3d3s软件开展索网体系受力分析及结构设计，确定采用纵横双向索网布置方案，纵向索为主受力钢索，中间膜片布置7
‑
10道竖向钢索，边缘膜片布置3
‑
6道竖向钢索；横向钢索通过受力分析及找形确定布置五道索；钢索直径选择包括通过ansys软件对索网体系风荷载作用下不同钢索布置方案时钢索的内力和位移进行研究，采用12
‑
15mm直径的钢索，此时钢索应力较低且能充分发挥钢索性能。
64.在所述步骤（5）中，技术验证及五金件优化主要通过在现场制作1:1实体模型实现；所述索袋优化为在膜材上对应纵向钢索的位置处设置索袋，使竖向钢索阴影变窄，弱化索袋及钢索的印迹，使膜面形态更加接近预期造型；所述索夹优化为使用万向索夹，在维持万向索夹圆柱体外形的情况下，使交叉的纵横向钢索可以独立转动，使钢索在张拉的过程中万向索夹可根据钢索受力方向及线型自由调整角度；万向索夹的使用，使索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡。为防止金属的万向索夹与膜面在风荷载下出现摩擦损坏膜面，在万向索夹底部加入柔性硅胶垫，避免金属的万向索夹与膜面直接接触；所述铝夹具优化为依据膜材的边缘线型将铝夹具拉弯，使铝夹具线型与膜材边缘线型吻合，呈现曲线边缘效果；膜结构依附于主体钢结构，膜结构受力体系通过索膜支座钢构与主体钢结构连接，索膜支座钢构即相当于膜结构的安装支座；为加快施工速度，提高施工质量，所述索膜支座钢构优化为将多个安装支座加工成整体的模块，以模块安装代替大量散件安装，以模块定位代替多个散件定位，同时将焊缝连接设计为螺栓连接，简化安装工艺、提高施工效率；所述张拉转接件优化是在钢索张拉端引入万向转接头，万向转接头与索膜支座钢构连接并垂直于索膜支座钢构螺栓孔处钢板面，钢索张拉端张紧螺栓与万向转接头连接，从而实现角度的灵活调整，钢索张拉索头始终与钢索受力方向保持一致。
65.进一步包括步骤（7），对选择的膜材进行加工，包括建模下料和裁剪热合。
66.为了进一步提高本发明的技术效果，该实施例中，所述膜材采用以乙烯
‑
四氟乙烯共聚物为主的膜材，包括以下重量份的组分：乙烯
‑
四氟乙烯60
‑
75，二氧化硅25
‑
30、二氧化钛10
‑
12、助交联剂3
‑
5，偶联剂5
‑
6、二硬脂酸锌3
‑
4、过氧化氢第三丁基 5
‑
8、二丁基酞酸酯5
‑
10、n,n
‑
二甲基甲酰胺2
‑
4。
67.其所述制备方法为按重量份称取各组分，先在70℃
‑
80℃的温度条件下将乙烯
‑
四氟乙烯和过氧化氢第三丁基加入到加入密炼机中混合均匀后，继续搅拌在80℃
‑
90℃的温度条件下反应2
‑
3h；然后将剩余组分加入其中，均匀搅拌1
‑
1.5h；最后经螺杆挤出机在280
‑
300℃的温度区间内挤出，得到以乙烯
‑
四氟乙烯共聚物为主的膜材。
68.本发明的膜材具有较高强度和高耐磨性，具有很高的热稳定性，提高了可加工性。此外，该膜材具有更好的材料拉伸性能，且制备方法工艺简单、条件易于控制、适用性强。
69.此外，为了保证本发明的技术效果，可将上述实施例的技术方案进行合理组合。
70.由上述实施例可知，本发明的设计方法将钢索、膜材、五金件及索膜支座钢构协同受力体系优化，在充分发挥材料性能的前提下改善结构的整体受力稳定性和构件的适用性，并使建筑形体艺术完美表达。
71.本发明使得找形的索膜结构成形后膜面应力及索力较均匀，满足工程设计要求；既可以保证索膜结构体系在膜面初始张拉力、风荷载及温度下维持正常的形态，也可以将结构徐变控制到可以接受的范围。
72.本发明的设计方法使得膜材受力合理，钢索应力较低且能充分发挥钢索性能；索网线型曲线过渡平顺，膜面曲面圆滑过渡；能够加快施工速度，提高施工质量；简化安装工艺、提高施工效率。
73.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。