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膜结构的设计

时间:2016-08-12 17:07:13,点击:0
张拉膜结构是膜结构中最常见的一种形式,即通过对膜材内部施加一定的预张力,使其具备了抵抗外荷载能力,从而充当结构材料的一种结构体系。张拉膜结构是通过给膜材及加劲索施加预张力使之具有刚度并承担外荷载的结构,又称之为索-膜结构。这种形式能够充分利用膜材的受力性能,形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构,并且施工简单、快捷,成本低,在国外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域,目前在我国,相应的应用开发工作也已逐渐展开,并且无疑存在着巨大的发展前景。
1.索膜结构的设计过程
张力结构属于柔性结构,因此其设计过程不同于一般传统的刚性结构。其设计一般可以分为3个阶段:形态分析,荷载分析和裁剪分析。
(1)形态分析
形态分析包括结构初始试形状的确定和结构初始几何态的分析,即找形分析的过程。其目的是确定满足控制点边界条件和初始预应力荷载平衡条件的膜结构形状,以及与之相关的初始预应力分布。结构在外部荷载作用下从初始状态变形至工作状态的问题是弹性和弹塑性变形问题,可以采用非线性有限元予以求解。 
(2)荷载分析
荷载分析是检验结构能否在实际环境中风、雨或雪等荷载作用下正常工作,不发生过大的变形和不出现褶皱和松弛。在进行荷载分析时,应对计算的各个单元中的最大应力和最小应力进行判断。若在迭代过程中出现膜的褶皱或松弛,应相应修改其单元本构矩阵后再进行下一步的迭代。
(3)裁剪分析
膜结构的裁剪分析是膜结构设计中的一个关键技术。现有研究裁剪的工作是在基于形状判定和荷载分析之后的特定几何外形上进行的。裁剪分析中最棘手的问题是考虑初始预应力造成的膜材经、纬方向的伸长对裁剪下料的影响。膜结构是张力结构的一种,其整体刚度主要由初始预应力提供,单片膜材的裁剪和拼接是在无应力状态下进行的,而结构张成后膜材必须处于全张力状态。裁剪分析过程中,必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标,把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。而一般情况下这时所对应的结构的整体刚度趋于零。据此建立的非线性方程组将变为奇异方程组,这样得到的解可能是病态的。所以如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜结构裁剪分析中的关键技术,但这个问题至今还未得到很好的解决。
由于裁剪分析与膜结构的形状、大小、曲率、材性等许多因素有关,使得目前各种裁剪方法得应用均受到一定程度得限制。裁剪分析方法总得来说分为3大类:物理模型方法,几何模型方法,平衡模型方法。平衡模型方法以其灵活,迅速、准确的特点已占据了膜结构裁剪分析发展和应用的主要领域。目前比较成熟的平衡模型方法主要有:力密度法,动力松弛法,离散超限变换投影法。
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