本发明涉及一种用于承重的长条形结构构件，具体涉及一种预应力增强膜结构体及组合式预应力增强膜结构体。
背景技术：
在结构工程中，长条形的结构构件主要由混凝土、钢、木等材料及其组合制成。其中，梁构件在荷载作用下会产生受压区和受拉区，为充分利用材料的特性并减轻自重，可采用钢筋混凝土梁以及钢-混凝土组合梁及木-混凝土梁；为进一步减轻自重并节约材料，可采用t形梁、箱梁等截面形式，也可选用腹板开孔的梁。
但随着跨度的增加，结构的自重产生的荷载效应随之显著增加，因此，以上结构形式不适于大跨度梁。大跨度结构可采用桁架、预应力张弦梁等结构形式。
以上的结构构件运用的材料各异，零件组合方式也各不相同，但受压区材料均采用固体材料。采用混凝土作为受压区材料使得结构自重较大，跨度受到限制；而钢梁、桁架等结构形式采用钢材作为受压区材料或压杆，钢材和钢压杆存在受压失稳的问题，材料强度不能充分利用。且受压材料无法使用如预应力钢材类似的轻质高强的材料，使结构整体的质荷比不高。
为了解决上述问题，2002年，瑞士airlight公司和empa组合结构研究中心的科技人员提出了一种充气组合梁——气撑式张弦梁，并应用在了实际工程中。在此梁中，上翼缘为金属压杆，索按照梁的主应力迹线布置作为下翼缘，低压气囊作为梁的腹杆。该结构使用低压气囊代替腹杆，但仍然在上翼缘设置了压杆。且其气囊内压为低压，也限制了其承载力的提高。
李玉刚等发明了刚壁气承轴心受压杆件和偏心受压杆件，使用空气作为受压材料，利用刚性管约束气体，但该系列发明仅限于轴压杆件和偏压杆件，不能应用于更为普遍的构件的受力情形，且其刚性管部分的材料也难以应用预应力钢材等高强度材料。
为提高工程结构中梁的比强度，充分利用高强度材料，有必要发明一种新形式的构件，该形式的构件的受压区使用较高比强度的材料，并充分利用材料的受拉强度，从而达到提高工程结构中梁的比强度的目的。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种预应力增强膜结构体及组合式预应力增强膜结构体，预应力增强膜结构体中采用流体作为受压材料，并通过向囊体填充流体并加压的方式建立预应力，具有轻质、便携，安装、拆卸方便的特点，同时承载能力和刚度高，耐冲击强度大。
本发明是这样实现的：一种预应力增强膜结构体，包括能够在充满流体后保持固定形状的囊体、用于在所述囊体膨胀的过程中建立预应力的柔性增强骨架和用于承受环向力的环形刚性构件；所述囊体的内容物为流体；所述环形刚性构件分别设于所述囊体对应的端部的外周以使所述受力孔承受所述囊体的环向力；所述柔性增强骨架设于所述囊体的外部；所述柔性增强骨架主要由若干柔性索、柔性纤维布或二者的组合构成；所述柔性增强骨架包含柔性索时，所述柔性索沿所述囊体的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在囊体外周，或两者混合布置；沿囊体的素线布置的柔性索与交错缠绕在囊体外周的柔性索的交点使用能够传力的节点连接，并且所述囊体充满流体后的轮廓尺寸比所述柔性索构成的柔性增强骨架的轮廓尺寸大；所述柔性增强骨架包含柔性纤维布时，纤维布完全包裹住囊体。
进一步地，所述囊体的尺寸从中部向两端逐渐变小或变大；所述柔性增强骨架主要由若干柔性索构成时，一部分柔性索交错缠绕在囊体外周，另一部分柔性索沿囊体的素线布置，两部分柔性索相交处使用能够传力的节点连接，交错缠绕的柔性索与所述囊体的素线的夹角从所述囊体的中部向两端逐步变小或变大。
进一步地，所述囊体为中部为圆柱形、两端为半球状的筒状的囊体；所述柔性增强骨架包含若干柔性索构成时，一部分柔性索采用螺旋交错布置，另一部分柔性索沿素线布置；两部分柔性索相交处采用能够传力的节点；所述柔性增强骨架主要由若干柔性纤维布构成时，所述柔性纤维布的布置方式与柔性索相同，两部分柔性纤维布相交处用粘结剂固连。
进一步地，所述囊体为曲率变化的弯曲状、多边形状、圆环状或半圆环状的囊体；所述柔性增强骨架主要由若干柔性索构成时，一部分柔性索采用螺旋交错布置，另一部分柔性索沿囊体的素线布置，两部分柔性索相交处采用能够传力的节点；所述柔性增强骨架主要由若干柔性纤维布构成时，所述柔性纤维布的布置方式与柔性索相同，两部分柔性纤维布相交处用粘结剂固连。
进一步地，能够传力的节点为在相互缠绕的柔性索之间所形成的交点处设有带弧面的构造物，从而实现柔性索在该处的变向.
进一步地，所述柔性增强骨架主要由柔性索构成时，在所述囊体的端部位置的柔性索缠绕在端部刚性构件上。
进一步地，在所述囊体的内部和/或外部还设有用于贴合囊体以建立预应力的管状刚性构件，位于囊体内部的管状刚性构件与囊体的内壁贴合，位于囊体外的管状刚性构件与囊体的外壁贴合外部，所述柔性增强骨架布置于最外侧，并通过对所述囊体加压建立所述柔性增强骨架的预拉应力及所述管状刚性构件的预压应力。
进一步地，沿所述囊体的纵向布置一个或多个连接件以分别构成悬臂、简支或多跨连续的结构形式。
进一步地，在预应力增强膜结构体的外部加套一层膜材，并对柔性增强骨架进行防护处理。
本发明还提供了一种组合式预应力增强膜结构体，包括若干个能够在充满流体后保持固定形状的囊体、用于在所述囊体膨胀的过程中建立预应力的柔性增强骨架和用于承受环向力的环形刚性构件；所有囊体依次紧靠排布并用柔性增强骨架连接为整体，所述环形刚性构件分别设于所述囊体对应的端部的外周以使所述环形刚性构件内侧承受所述囊体的环向力；所述柔性增强骨架设于所述囊体的外部；所述柔性增强骨架主要由若干柔性索、柔性纤维布或二者的组合构成；所述柔性增强骨架主要由若干柔性索构成时，所述柔性索沿所述囊体的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在各囊体之间，或两者混合布置，从而使所有囊体连接成整体；沿囊体的素线布置的柔性索与交错缠绕在囊体外周的柔性索的交点使用能够传力的节点连接；所述柔性增强骨架包含若干柔性索时，所述囊体充满流体后的轮廓尺寸比其外柔性索构成的柔性增强骨架的轮廓尺寸大；所述柔性增强骨架包含柔性纤维布时，纤维布完全包裹住囊体。
本发明还提供了一种组合式预应力增强膜结构体，包括多个如上述的预应力增强膜结构体，所有预应力增强膜结构体依次排布设置；所述囊体为多边形状或圆环状的囊体；所述的预应力增强膜结构体间通过环向骨架以缠绕或编织的方式连接成预应力增强膜结构组；所述环向骨架主要由若干柔性索、柔性纤维布或两者的组合构成；在所述环向骨架外布置环状膜材；所述柔环向骨架包含柔性索时，所述柔性索沿所述环状膜材的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在预应力增强膜结构体之间，或两者混合布置；所述环向骨架包含柔性纤维布时，纤维布完全包裹住囊体。
本发明还提供了一种组合式预应力增强膜结构体，包括多个如上述的预应力增强膜结构体，相邻两个预应力增强膜结构体的囊体的端部或中部通过连接件和/或柔性增强骨架固定连接。
进一步地，所述的预应力增强膜结构体间通过环向骨架以缠绕或编织的方式连接成预应力增强膜结构组；所述环向骨架主要由若干柔性索、柔性纤维布或两者的组合构成；在所述环向骨架外布置环状膜材；所述柔环向骨架包含柔性索时，所述柔性索沿所述环状膜材的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在所述预应力增强膜结构体之间，或两者混合布置；所述环向骨架包含柔性纤维布时，纤维布完全包裹住囊体。
本发明带来的有益效果是：
1.本发明通过对加强材料施加预应力，荷载作用下，受柔性增强骨架约束的流体承担压力，从而间接实现在受压区利用高强材料，极大地提高了结构的质荷比并避免了材料的失稳问题，用于中、大跨度的结构可以显著减小自重引起的弯矩，用于高层结构及塔结构可有效减轻结构自重作用下的轴力，并且质荷比的提高也能够减轻地基与基础的荷载。
2.本发明利用索、纤维布、膜等柔性构件作为主要构件，使得结构的成形形状能够满足不同的结构或建筑功能需求，不存在传统变截面结构所需的模板或模具，只需控制各部分的索长及交角即可形成不同的外形。
3.本发明有一定刚度的充满流体的囊体为索和膜提供连续的弹性支承，提高了梁的整体的稳定性能；对囊体的充气过程即是对结构施加初始预应力的过程，无需张拉设备，施工方便快捷，更重要的是，充气的过程是对囊体施加均布荷载的过程，这使得外部的柔性增强骨架能够得到均匀的张拉，避免了传统的端部张拉预应力过程中存在的部分预应力损失问题。
4.本发明一方面相较传统索膜结构外部柔性增强骨架的较稀疏的布索方式，本发明柔性增强骨架分散布置，索间间距可减小一个数量级，使得索对囊体的膜材能够起到有效的支承作用，并使囊体能够达到更高的内压，刚度和承载力得到显著的提高；另一方面，采用斜向螺旋布置的柔性增强骨架能起到抗剪、抗扭的作用，类似桁架中的斜腹杆，从而使得预应力增强膜结构体的应用范围囊括了拉、压、弯、剪、扭等受力状态。本发明也因此能够根据支座位置设计成简支梁、连续梁、悬臂梁、刚架等不同的结构形式。
5.本发明与混凝土结构杂交可形成新型预应力混凝土结构，与传统的预应力混凝土结构相比，原预应力混凝土结构中的大部分混凝土被囊体及流体代替，其自重更轻，预应力筋的布置和张拉更便捷，节约了锚具以及张拉设备。
6.本发明中起主要受力作用的柔性增强骨架和环向骨架在工作状态下处于受拉状态，柔性增强骨架或环向骨架如采用碳纤维等高强度材料，能够保证该结构在发生大变形的情况下碳纤维等高强度材料仍处于受拉状态且不失稳，从而能够充分发挥材料的强度。因此本发明能够应用于对于强度储备要求较高而极端荷载作用下变形控制不严格的结构，如汽车车身和防撞结构。且本发明在工作状态下柔性增强骨架完全处于弹性受拉状态，在冲击荷载产生的应力波效应下柔性增强骨架至多局部拉应力为零，避免了传统防撞结构(如保险杠)在冲击荷载下受压侧的失稳与屈服，其结构形态具有弹性恢复能力，能够多次承受冲击荷载而不需更换。
7.本发明为自平衡体系，外部柔性增强骨架的预应力与囊体的内压力相平衡，边界约束主要以竖向反力为主。故其边界约束要求低，支座受力明确，易设计和制作。
8.本发明在储存运输时，各部分构件所占体积小，在保证与传统结构同样高的承载力的同时由于可使用气体作为受压材料，施工过程省去了混凝土的养护及部分焊接工艺流程，整个生产流程较传统结构快，不仅适合大跨度空间结构，也适合临时性构筑物。
9.本发明构件种类少，交错缠绕索或斜向纤维布尺寸和安装方法基本相同，故构件生产以及现场安装简单，也有利于实现自动化生产。
10.本发明可应用于柱的加固，一方面，本发明能够通过对囊体内的流体加压而给柱构件施加均匀的侧向压力，提高柱的承载力，另一方面建立的柔性增强骨架的预应力，能够充分发挥碳纤维布等加固材料的强度。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构主视图；
图2是图1所示实施例中滑轮传力节点示意图；
图3是图1所示实施例中滑轮传力节点处素线索缠绕示意图
图4是图1所示实施例中小圆环传力节点示意图
图5是图1所示实施例中小圆环传力节点处素线索缠绕示意图
图6是图1所示实施例中端部柔性索缠绕固定示意图；
图7是图1所示实施例中预应力增强膜结构体截面示意图
图8是现有技术中稀索体系索膜结构的截面示意图；
图9是图1所示实施例的替代例的截面示意图；
图10是本发明实施例二的结构主视图；
图11是图10所示实施例的替代例的结构主视图；
图12是图10所示实施例的另一个替代例的结构主视图
图13是本发明实施例三的结构主视图；
图14是图13所示实施例的替代例的结构主视图；
图15是本发明实施例四的结构截面示意图；
图16是本发明实施例五的结构截面示意图；
图17是本发明实施例五的结构主视图；
图18是本发明实施例六的结构主视图；
图19是图18所示施例的交错缠绕索在截面方向上的缠绕示意图；
图20是图18所示施例的交错缠绕索在纵向上的缠绕示意图；
图21是图18所示实施例的替代例的截面示意图；
图22是图18所示实施例的另一个替代例的结构主视图；
图23是图22所示实施例的交错缠绕索的缠绕示意图；
图24是本发明实施例七的结构主视图；
图25是图24所示实施例的替代例的结构主视图；
图26是图24所示实施例的另一个替代例的结构主视图；
图27是图26所示实施例中的相贯管节点的立体图；
图28是本发明实施例八的结构主视图；
图29是图28所示实施例的替代例的结构主视图；
图30是图28所示实施例截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
如图1所示，本实施例预应力增强膜结构体由囊体1、柔性增强骨架2、环形刚性构件3、连接件5。囊体1为椭球面，或母线为抛物线的旋转曲面，囊体为一层以上的膜结构,环形刚性构件可由钢或其他高强材料制成。环形刚性构件3的内侧面为圆形，从而匹配囊体1的外壁。所述柔性增强骨架2采用预应力钢绞线或frp等高强索材；交错缠绕索2.1.1与囊体素线的夹角从囊体的中部向两端逐步变小，参照囊体成形后的主应力线变化，从所述夹角变化为零的点开始在囊体两端设置环形刚性构件，且所述夹角不再变化；囊体中部亦可设置环形刚性构件以便柔性索转向，在该部分环形刚性构件上加工出缺口，柔性索在缺口处转向即可。交错缠绕索具体的缠绕方式为螺旋交错缠绕；另沿囊体素线在荷载作用方向的上下侧布置柔性索，这部分柔性索即素线索2.1.2，并与相交的交错缠绕索缠绕在同一滑轮9.1上以建立能够传力的节点，如图2，其素线索的缠绕方式如图3，也可缠绕在同一小圆环9.2上，如图4，其素线索的缠绕方式如图5，图中箭头表示缠绕方向；柔性索2.1在囊体两端的环形刚性构件上缠绕固定后继续起加强作用，如图6。本例中，除了滑轮与小圆环外，能够传力的节点还可以采用具有弧面的其它构造物，此处不再赘述。
柔性索的端头锚定在支座上，支座与两端环形刚性构件焊接；如图7，为本实施例截面示意图，所述囊体的轮廓尺寸比所述柔性增强骨架的轮廓a尺寸大，从而使填充流体后的囊体的曲率大于所述柔性增强骨架的曲率；完成柔性增强骨架的布置后对囊体充气，建立柔性增强骨架的预应力；囊体中也可灌水以提高刚度，即以水袋代替，通过提高水压建立预应力。可以在预应力增强膜结构体的外部加套一层膜材，并将预应力增强膜结构体与外层膜材之间抽真空，或在金属柔性索的表面涂防腐油脂。通过这样的保护措施，保证了预应力增强膜结构体的受力骨架与外界环境隔离，有助于提高耐久性。如图7与图8，柔性骨架大小相同的情况下，本发明中的囊体的曲率比传统稀索体系索膜结构的囊体的曲率大，因此囊体所受的力也相比传统稀索体系的膜结构的囊体要小，从而使得预应力增强膜结构体能够使用高内压囊体，提高结构的承载力和刚度。本实施例中的囊体1还可采用中部小，两端大的形状，如图9，交错缠绕索2.1.1与囊体素线的夹角从囊体的中部向两端逐步变大，参照囊体成形后的主应力线变化，其他实施方案同上。
除本例中的仅采用柔性索作为柔性增强骨架的布置方式之外，柔性增强骨架2还可以用纤维布代替柔性索，此时纤维布完全包裹囊体。也可以采用纤维布和柔性索混合的方式布置，此时柔性索按照本例中给出的方式布置，纤维布按照前述的方式布置。
本实施例采用变截面囊体，使得素线索在均布荷载作用下起到类似悬索结构的作用，应用于大跨度结构能够减少柔性增强骨架的材料用量。
实施例二
如图10所示，本实施例与具体实施例一不同的是：本实施例中的结构体采用的囊体1为中部为圆柱状、两端为半球状的筒状的囊体。环形刚性构件3上焊接有滑轮3.1，螺旋缠绕的柔性索绕过滑轮后变向为沿囊体两端素线布置；其连接件5与主体结构以铰接或刚接的方式相连，可形成简支梁结构如图10、连续梁如图11或悬臂梁结构如图12。
本实施例中的柔性索可用纤维布代替，将纤维布密铺在囊体表面，铺设方向同上述柔性索。纤维布在接头处及两端球状区域涂胶粘结牢固，沿囊体素线布置的纤维布与螺旋缠绕的纤维布的接触面也需涂胶粘结牢固。其他实施方案同上。
实施例三
如图13所示，本实施例与具体实施例二不同的是：本实施例中的结构体采用的囊体1为圆环状的囊体，锚具4设置在一个套在囊体外的环形刚性构件上，连接件5与环形刚性构件3焊接，交错缠绕索2.1.1与成形后的囊体的素线的夹角为常量，参照囊体成形后的主应力线角度；完成柔性增强骨架2的布置后对囊体充气，建立柔性索或纤维布的预应力，如图结构可以作为自行车轮圈，能够减轻车重。
本实施例中的囊体亦可用半环状的囊体或曲率变化的弯曲状的囊体代替，两端的柔性增强骨架与连接件5相连以形成拱形预应力增强膜结构，如图14。所述囊体1为曲率变化的弯曲状或半圆环状的囊体时，其两端的柔性增强骨架与连接件5相连以形成拱结构。所谓曲率变化的弯曲状囊体是指：轴线沿曲率变化的曲线延伸而成的囊体，该曲线为囊体的轴线。
本实施例中的柔性索囊体1还可以用圆柱状的囊体，两端相粘接后构成首尾相连接但不相连通的圆环状囊体，按照上述方法布置柔性增强骨架，在填充流体后能起到与使用环状的囊体相同的效果，两端的粘接仅起到临时固定作用，也可采用其他连接方式，如用绳系紧。
实施例四
如图15所示，本实施例与具体实施例二不同的是：本实施例中的结构体中，在囊体1外安置管状刚性构件10，使之与囊体外壁相贴，柔性增强骨架2布置于管状刚性构件外侧，通过对囊体加压建立外部柔性增强骨架的预拉应力及管状刚性构件的预压应力。管状刚性构件10同样也可布置于囊体内侧。在轴压或偏压荷载作用下，外部管状刚性构件使得结构的刚度增加的同时也起到保护囊体的作用。本实施例所述预应力增强膜结构体作为柱相对传统柱而言，其外部柔性增强骨架采用强度更高的预应力钢材或其他高强材料，在高层结构中的应用能够减小低层柱的轴力。且其外部的柔性增强骨架的受力特性类似于桁架，使得其刚剪强度和刚度较同等用钢量的钢柱更高。此处提及的管状刚性构件也包括管片状构件，通过对囊体加压对其施加预应力后管片状构件会相互挤紧，形成完整的管状刚性构件。管片状构件相对完整的管状刚性构件具有运输更加便捷的优点。
实施例五
如图16以及图17，本实施例与具体实施例二不同的是：本实施例中的结构体中的囊体1成形后截面接近半圆形，将位于荷载作用下受压侧的柔性索预埋入混凝土8，图21中虚线部分即预埋入混凝土的柔性索，预埋入混凝土的柔性索在横截面上的投影为以半圆形囊体直径为长轴的半椭圆，柔性索端头锚入囊体端部的混凝土。混凝土为荷载提供承载面的同时利用混凝土的抗压能力与刚度，且相对传统预应力混凝土结构，本实施例中的预应力混凝土结构的预应力索规格、安装方式都更便于安装，结构的自重也更小。
实施例六
本实施例与具体实施例二不同的是：本实施例中的结构体，通过如图18、图19、图20所示的编织方式用柔性索将数个圆柱状的囊体连接在一起，各囊体按照轴线平行的方式依次紧靠排布，图18为交错缠绕索在截面方向上的缠绕方式示意图，交错缠绕索在囊体轴线连成的平面两侧交替缠绕，到达囊体组的尽头之后折返。图19为交错缠绕索在纵向上的缠绕方式示意图，图中2a为缠绕在囊体组前侧的索，2b为缠绕在后侧的索的缠绕方式，交错缠绕索在纵向上采用蛇形缠绕的方式。在此基础上，还可以将数个圆柱状的囊体组成管状的预应力增强膜结构体，其截面方向上囊体的排列如图21。
按照上述囊体间的连接方式还可将实施例三中环状的囊体组合为管状的预应力增强膜结构体，如图22，按照囊体轴线所在平面平行的方式依次紧靠排布，图23说明了缠绕在外侧的索2c和缠绕在内侧的索2d的缠绕方式，交错缠绕索在囊体轴线连成的管状曲面内外侧交替缠绕，在纵向上采用螺旋缠绕的方式。除此之外，还可将囊体组以其它方式排布组合成组合式预应力增强膜结构体，然后利用本实施例中柔性索的布置方式配置成不同的结构体，故不再赘述。本实施例所述组合式预应力增强膜结构体的截面形式多样，包含了空心截面形式，能够减小流体的充入。管状的预应力增强膜结构体能够作为受环向荷载的结构使用。
实施例七
本实施例与具体实施例二不同的是：本实施例中的结构体包含三个囊体1，不同囊体之间的环形刚性构件焊接连接，不同囊体之间使用同一套柔性增强骨架相连，如图24所示，使得囊体连接处能够传递弯矩，从而形成刚架式结构。或将不同囊体之间的环形刚性构件焊接在同一弯管7.1上以起到传递弯矩的作用，柔性索在环形刚性构件的滑轮上转向后仍螺旋缠绕在原囊体外侧起增强作用，如图25；或将相贯管节点7.2套在囊体1a外，在相贯管节点上焊接滑轮，囊体1b与囊体1c的端部安装在相贯管节点剩余的两个管口，并将柔性索缠绕固定在其外的滑轮上，如图26。相贯管节点如图27。
三个以上的囊体可参照上述方法连接，亦可将各囊体之间首尾相连构成多边形或环形预应力增强膜结构体，故不再赘述。
实施例八
如图28，本实施例中的结构体将按照实施例三制成的数个圆环状预应力增强膜结构体11a之间用柔性索2.1连接，柔性索通过缠绕在圆环状预应力增强膜结构体上与之固连，可参见图6，两者形成环向骨架12，相邻圆环状预应力增强膜结构体之间的柔性索长度可根据需要选定；然后将环状膜材14包在上述受力骨架外，环状膜材的直径为圆环状预应力增强膜结构体11a的外环直径的1.4倍；如图30，在环向压力的作用下环状膜材受拉向内弯曲并将所受的力传递给环向骨架12。本实施例中的柔性索也可参照施例一中采取螺旋缠绕的方式建立预应力增强膜结构体之间的连接。本实施例中的圆环状预应力增强膜结构体11a也可替换为实施例3中的拱形预应力增强膜结构11b，其两端的柔性增强骨架与连接件5相连以形成拱结构，以便应用于地面或水底，如图29。与传统受环向压力的结构相反，本实施例所述的结构只有囊体中的流体受压，其他材料全部受拉，使得在受环向压力的受力状态下也能够应用预应力钢绞线等高强材料，也避免了结构的失稳。
类似地，上述实施例中的圆环状预应力增强膜结构体亦可用实施例七中所述多边形或环形预应力增强膜结构体或刚架式预应力增强膜结构体替代。
所述囊体1为能够套设或围绕于柱状构件外部的用于在向所述囊体1内充满流体的过程中建立柔性增强骨架的预应力的柱状体或管状体
需要说明的是，本发明中的囊体的形状是指在囊体填充满流体后形成的稳定的、具有特定形态的形状。本发明中所述的交错缠绕在柔性索的间距足够小时则接近将索材编织在囊体外，这种形式也应视为本发明的保护范围。
发明中，母线、素线及导线的定义为：将曲面看作是一动线在空间运动的轨迹，该动线称为母线，母线处于曲面上任一位置时，称为素线，控制母线运动的线称为导线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
1.一种预应力增强膜结构体，其特征在于：包括能够在充满流体后保持固定形状的囊体（1）、用于在所述囊体（1）膨胀的过程中建立预应力的柔性增强骨架（2）和用于承受环向力的环形刚性构件（3）；所述囊体（1）的内容物为流体；所述环形刚性构件（3）分别设于所述囊体（1）对应的端部的外周以使所述受力孔（3.1）承受所述囊体（1）的环向力；所述柔性增强骨架（2）设于所述囊体（1）的外部；所述柔性增强骨架（2）主要由若干柔性索（2.1）、柔性纤维布（2.2）或二者的组合构成；所述柔性增强骨架（2）包含柔性索（2.1）时，所述柔性索（2.1）沿所述囊体（1）的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在囊体外周，或两者混合布置；沿囊体的素线布置的柔性索（2.1）与交错缠绕在囊体外周的柔性索的交点使用能够传力的节点连接，并且所述囊体（1）充满流体后的轮廓尺寸比所述柔性索（2.1）构成的柔性增强骨架（2）的轮廓尺寸大；所述柔性增强骨架（2）包含柔性纤维布（2.2）时，纤维布完全包裹住囊体。
2.根据权利要求1所述的预应力增强膜结构体，其特征在于：所述囊体（1）的尺寸从中部向两端逐渐变小或变大；所述柔性增强骨架（2）主要由若干柔性索（2.1）构成时，一部分柔性索交错缠绕在囊体外周，另一部分柔性索沿囊体的素线布置，两部分柔性索相交处使用能够传力的节点连接，交错缠绕的柔性索与所述囊体的素线的夹角从所述囊体的中部向两端逐步变小或变大。
3.根据权利要求1所述的预应力增强膜结构体，其特征在于：所述囊体（1）为中部为圆柱形、两端为半球状的筒状的囊体；所述柔性增强骨架（2）包含若干柔性索（2.1）构成时，一部分柔性索采用螺旋交错布置，另一部分柔性索沿素线布置；两部分柔性索相交处采用能够传力的节点；所述柔性增强骨架（2）主要由若干柔性纤维布（2.2）构成时，所述柔性纤维布的布置方式与柔性索相同，两部分柔性纤维布相交处用粘结剂固连。
4.根据权利要求1所述的预应力增强膜结构体，其特征在于：所述囊体（1）为曲率变化的弯曲状、多边形状、圆环状或半圆环状的囊体；所述柔性增强骨架（2）主要由若干柔性索（2.1）构成时，一部分柔性索（2.1）采用螺旋交错布置，另一部分柔性索（2.1）沿囊体（1）的素线布置，两部分柔性索（2.1）相交处采用能够传力的节点；所述柔性增强骨架（2）主要由若干柔性纤维布（2.2）构成时，所述柔性纤维布的布置方式与柔性索相同，两部分柔性纤维布相交处用粘结剂固连。
5.根据权利要求1至4任一所述的预应力增强膜结构体，其特征在于：能够传力的节点为在相互缠绕的柔性索之间所形成的交点处设有带弧面的构造物，从而实现柔性索在该处的变向。
6.根据权利要求1所述的预应力增强膜结构体，其特征在于：所述柔性增强骨架（2）主要由柔性索（2.1）构成时，在所述囊体（1）的端部位置的柔性索缠绕在端部刚性构件上。
7.根据权利要求1所述的预应力增强膜结构体，其特征在于：在预应力增强膜结构体的外部加套一层膜材，并对柔性增强骨架进行防护处理。
8.根据权利要求1所述的预应力增强膜结构体，其特征在于：在所述囊体的内部和/或外部还设有用于贴合囊体以建立预应力的管状刚性构件（10），位于囊体内部的管状刚性构件与囊体的内壁贴合，位于囊体外的管状刚性构件与囊体的外壁贴合外部，所述柔性增强骨架（2）布置于最外侧，并通过对所述囊体加压建立所述柔性增强骨架的预拉应力及所述管状刚性构件的预压应力。
9.根据权利要求要1一种预应力增强膜结构体，其特征在于：沿所述囊体（1）的纵向布置一个或多个连接件（5）以分别构成悬臂、简支或多跨连续的结构形式。
10.一种组合式预应力增强膜结构体，其特征在于：包括若干个能够在充满流体后保持固定形状的囊体（1）、用于在所述囊体（1）膨胀的过程中建立预应力的柔性增强骨架（2）和用于承受环向力的环形刚性构件（3）；所有囊体依次紧靠排布并用柔性增强骨架连接为整体，所述环形刚性构件（3）分别设于所述囊体（1）对应的端部的外周以使所述环形刚性构件（3）内侧承受所述囊体（1）的环向力；所述柔性增强骨架（2）设于所述囊体（1）的外部；所述柔性增强骨架（2）主要由若干柔性索（2.1）、柔性纤维布（2.2）或二者的组合构成；所述柔性增强骨架（2）主要由若干柔性索（2.1）构成时，所述柔性索（2.1）沿所述囊体（1）的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在各囊体之间，或两者混合布置，从而使所有囊体连接成整体；沿囊体的素线布置的柔性索与交错缠绕在囊体外周的柔性索的交点使用能够传力的节点连接；所述柔性增强骨架（2）包含若干柔性索（2.1）时，所述囊体（1）充满流体后的轮廓尺寸比其外柔性索（2.1）构成的柔性增强骨架（2）的轮廓尺寸大；所述柔性增强骨架（2）包含柔性纤维布（2.2）时，纤维布完全包裹住囊体。
11.一种组合式预应力增强膜结构体，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的预应力增强膜结构体，所有预应力增强膜结构体依次排布设置；所述囊体（1）为多边形状或圆环状的囊体；所述的预应力增强膜结构体间通过环向骨架（12）以缠绕或编织的方式连接成预应力增强膜结构组；所述环向骨架主要由若干柔性索（2.1）、柔性纤维布（2.2）或两者的组合构成；在所述环向骨架外布置环状膜材（14）；所述柔环向骨架包含柔性索时，所述柔性索沿所述环状膜材的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在预应力增强膜结构体之间，或两者混合布置；所述环向骨架（12）包含柔性纤维布（2.2）时，纤维布完全包裹住囊体。
12.一种组合式预应力增强膜结构体，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的预应力增强膜结构体，相邻两个预应力增强膜结构体的囊体的端部或中部通过连接件和/或柔性增强骨架固定连接。
13.根据权利要求12所述的组合式预应力增强膜结构体，其特征在于：所述的预应力增强膜结构体间通过环向骨架（12）以缠绕或编织的方式连接成预应力增强膜结构组；所述环向骨架主要由若干柔性索（2.1）、柔性纤维布（2.2）或两者的组合构成；在所述环向骨架外布置环状膜材（14）；所述柔环向骨架包含柔性索时，所述柔性索沿所述环状膜材的素线或导线方向布置，或者交错缠绕在所述预应力增强膜结构体之间，或两者混合布置；所述环向骨架（12）包含柔性纤维布（2.2）时，纤维布完全包裹住囊体。
技术总结