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膜结构的典型形状

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膜结构的典型形状

发布日期:2018-07-13 作者: 点击:

膜结构的典型形状


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膜结构的形状是多种多样的。从其根本构成来看,绝大多数是由鞍形、伞形、拱支式和脊谷式这四种根本形状演化而来的。深化剖析这四种典型结构办法的曲面构成和力学特征,有助于增进对膜结构中形与力的知道。

1.鞍形(saddle shape)

  鞍形曲面由四个不共面的角点和衔接角点的边际构件围合而成,是典型的互反曲面办法。在这四个角点中,一般有两个对角点为高点(HP),另两个为低点(LP)。鞍形膜结构的边际构件可所以混凝土梁或空间钢桁架,即构成所谓的刚性鸿沟;也能够选用边索,经过对其施加较大的预张力构成柔性鸿沟。由于柔性鸿沟能够较好地习气膜面的变形,防止膜面在装置和受荷进程中出现褶皱,因而较为常用。

  关于菱形平面的鞍形膜结构,可界说两对角点间的水平间隔 L 为跨度,高点(或低点)与跨中点间的高差f 为矢高,f / L为矢跨比(如图 4b所示)。矢跨比是操控鞍形曲面形状的重要参数。矢跨比越大,膜面曲率越大,结构刚度就越好;一般矢跨比在 1/ 8~1/ 12之间。

  鞍形膜结构的适用跨度较小,一般多用于膜结构小品中。



1.膜结构上的荷载及作用

  在进行膜结构的荷载态呼应剖析时,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、支承及鸿沟构件的变形、地震作用以及温度改动的影响等等。

  恒荷载一般就是膜材的自重。由于膜材本身的质量很轻(仅为 1kg/m 2 左右),恒载对膜结构的内力及变形的影响一般能够疏忽。

  由于膜结构表面一般不答应上人,检修、清洗也是由专业膜结构公司担任,实践工程规划中,一般不考虑活荷载。在非降雪区域,习气上用 0.25 或 0.30 kN/m 2  的竖向荷载来查看膜面是否会因降雨而发作积水;即查看在此荷载作用下,变形后膜面的等高线有无近似的圆形区域出现。

  在降雪区域,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办法,结构上的雪荷载一般为非均匀散布;在核算雪荷载时需依据不同曲面形状、曲率改动来调整雪荷载的散布,以考虑雪荷载不均匀散布可能发作的晦气影响。当膜面斜度大于 0.4 时,落雪一般会主动滑下而不发作堆积。风对积雪办法的影响也需求加以留意。研讨标明,低温条件下当风速到达 15~20m/s 时,膜面简直不存在积雪;但假设膜面存在“死角”,则在这些部位极易构成较深的积雪。别的,关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整,乃至在部分出现下凹,有必要当心对待。

  风作用或许按习气说法风荷载是膜结构规划中的首要荷载。在核算风荷载时需求断定两个重要的参数,即风载体型系数和风振系数。由于膜结构的体型杂乱,而各国荷载规范所能供给的风载体型系数又非常有限,对杂乱体型的膜结构,国表里一般都经过风洞实验的办法来断定体型系数。风振系数的断定则更为杂乱,现在不管是在工程上仍是在理论研讨方面都还没有提出切实有用的解决办法。有关这部分内容,将在下一末节中作更详细的论述。

  预张力是膜面坚持其曲面形状并接受其它荷载的条件。预张力的散布及巨细与膜面的形状有关,由找形断定。在作内力剖析时,预张力参加悉数荷载组合。

  支承及鸿沟构件的变形会导致膜面应力重散布。由于膜结构本身的质量很轻,地震作用的影响不对错常显着。在温度改动大的区域,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。

2.  风荷载的断定与风洞实验

2.1  膜结构抗风规划的重要性

  膜结构差异于传统结构的两个显着特征是轻和柔。轻,意味着结构本身的惯性力很小,地震作用的影响能够疏忽不计,比较之劣势对结构的影响更为重要;柔,意味着曲折刚度很低,膜结构对外荷载的反抗首要经过本身形状的改动来完结,即结构在荷载作用下会发作较大的变形,表现出显着的几许非线性特征。这些特征决议了膜结构是风灵敏结构,抗风规划在膜结构的规划中占有特别重要的方位。

  近年来,一些大型膜结构在强风作用下损坏的实例,也从另一个旁边面证明晰抗风规划的重要性。例如,美国佐治亚穹顶在建成 3 年后,于 1995 年的一次强风大雨突击下,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敞开式膜屋盖在 1999 年冬天的一场暴风雪之后,一块膜屋盖
俄然决裂;韩国为 2002 年世足赛缔造的济洲岛体育场挑篷膜结构 2002 年 6 月和 8 月先后两次在飓风的突击下出现膜材撕裂现象。国内的膜结构工程实践时刻尽管不长,但也出现了一些工程在施工进程中膜材被强风撕裂的情况,图 1 所示即为一例。特别值得阐明的是,以上这些实例在损坏发作时,当地的风速均显着低于规划风速。这阐明不管是在国内仍是国外,膜结构的抗风规划理论都还不行老练、 对某些情况劣势作用的损坏机理尚不非常清楚。


2.2  抗风规划参数的断定

  由于膜结构的形体各异以及相关理论研讨的滞后,现在在膜结构的体型系数和风振系数断定方面还没有一种遍及适用的办法。关于一些形状较为简略的膜结构,例如图 2a 所示的鞍形膜结构,在不同风向下的体型系数可参照图 2b 选用(图中 f/L=1/12,风向角=0~90 度)[1];文献[2]依据许多的参数剖析(考虑跨度、矢跨比和预张力的改动),根本断定膜结构的风振系数在 1.8 左右。值得阐明的是,由于膜结构的呼应与荷载呈非线性联络,因而界说荷载风振系数在理论上并不完善,应该断定依据呼应的风振系数。关于杂乱体型的大、中型膜结构,需凭借风洞实验来断定相应规划参数。


2.3  膜结构的风洞实验

  所谓风洞实验,就是将修建物的缩尺模型置于一个特别规划的管道内,用动力设备发作与实践情况近似的可操控的气流,并凭借必定的丈量仪器,取得所需的气动力信息。修建风洞也叫做大气鸿沟层风洞,它要求对来流的模仿要满意大气鸿沟层的某些特征,如风剖面、湍流度等。风洞实验还要满意一系列
的相似原则,如几许相似、雷诺数相似等[3]。实践上,要彻底满意这些相似条件是不行能的,只能依据详细情况挑选那些起决议作用的相似条件。

  膜结构风荷载的断定包含对结构表面风压散布的猜测,或许说是风载体型系数的断定,以及对结构在脉动风荷载作用下的动态呼应的猜测,或许说是风振系数的断定两部分。尽管风洞实验具有费用高、周期长、某些相似数无法精确模仿等缺陷,但它仍然是现在研讨钝体绕流的首要办法。现在的风洞测压实验技能已比较老练,凭借大气鸿沟层风洞,经过对刚性模型表面动态风压的丈量,所取得的成果,能够根本满意结构规划的要求。由于膜结构在荷载作用下的位移较大,结构位形的改动必定会对其周围风场发作影响,然后改动其表面的风压散布。所以膜结构的品格动力呼应进程是一个典型的流固耦合(风与结构彼此作用)进程。对这一动力进程的风洞实验模仿有必要选用气动弹性模型。气动弹性模型实验涉及到许多的相似参数和杂乱的观测技能,技能难度大,现在国表里在这方面都还处于研讨阶段。

  跟着核算机有限元技能的打开,一种将核算流体力学和核算结构力学结合起来,用核算流体力学来模仿结构周围的风场、用核算结构力学来模仿膜结构,再凭借某些参数的传递来完结两者之间的耦合作用的所谓“数值风洞”技能遭到了越来越多的注重。从理论上讲,这种办法具有较强的精确度和广泛的习气
性。在实践操作上,还有许多技能问题有待于进一步讨论。

  经过风洞实验,能够取得修建物表面任一测点的净风压。将此压力除以一个特定的参阅风压(一般挑选梯度风压或修建物檐口高度风压),得到一个无量纲系数,称为压力散布系数。值得留意的是,压力散布系数和风载体型系数是不相同的,即使是在同一个面上不同测点的压力散布系数也是不相同的。依据这些系数能够画出修建物表面的风压等值线图。在实践工程中,为了运用的便利,一般选用一个面上压力散布系数的加权均匀作为风载体型系数,以供规划参阅。

3.  核算办法与剖析软件 

  膜结构作为典型的柔性张拉结构,在力学功用上显着差异于传统的混凝土和钢结构等刚性结构。这首要表现在:①膜不具有曲折刚度,结构对外荷载的反抗是经过改动本身形状来完结的;当作用于膜面上的荷载发作改动时,结构除发作弹性变形外还会发作较大的安排性位移,因而变形比较显着;②膜结构归于动不定体系,其结构刚度首要是由初始预张力和互反曲面来供给的,结构刚度与变形相关,表现出显着的几许非线性特征;膜结构的自振频率较低,且振型频谱密布、彼此耦合。这些力学特性决议了膜结构的核算剖析具有不同于一般结构的特征,一些通用的工程规划软件无法直接用于膜结构的规划,有必要选用专用的剖析软件。

3.1  膜结构核算中的几个问题

1.几许非线性问题

  尽管膜结构的找形有不同的理论和办法,但荷载态的剖析大都选用非线性有限元法,行将结构离散为单元和结点,单元与单元经过结点相连,外荷载作用在结点上,经过树立结点的平衡方程重复迭代求解。

  由于膜结构的求解问题具有小应变、大变形的特征,因而在推导有限元方程时需考虑位移高阶项对应变的影响,亦即考虑几许刚度的影响。

2. 材料非线性与各向异性

  依据以下原因,织物膜材从本质上讲对错线性的:经纬向纤维本身的功用对错线性的;纤维间的束缚与经纬向应力比有关;涂层的功用对错线性的,并受时刻的影响;由于织造,经纬向纤维在初始情况是松懈的,而涂层对纤维受拉变直又有束缚作用。因而,膜材的应力—应变曲线在应力较大时出现很强的非线性(如图 3 所示),一同出现很强的正交异性功用, 一些膜材的经纬向变形才干相差达 5 倍左右。

  由于规划中所选用的预张力及作业应力远小于膜材的抗拉强度(一般预张力不超越 5%的抗拉强度,作业应力不超越 20%的抗拉强度),在规划应力规划内,可近似以为膜材是在线弹性规划内作业。核算中经纬向选用各自相应的弹性常数。

3. 徐变问题

  徐变是指结构在高应力作用下,跟着时刻的推移在构件中发作的塑性变形。松懈则是指在构件两头固定的情况下,由于徐变变形而导致其应力随时刻的添加而逐步下降的进程。徐变和松懈是彼此相关的,它提醒了材料的粘弹性力学功用随时刻的改动规则。徐变的特征是:(1)开端阶段打开较快;(2)预应力越大,松懈丢失就越大;(3)应力丢失与构件材料有关;(4)与温度的凹凸有关。 

  国外一些实测材料显现,索结构由于徐变所导致的预张力丢失可到达 10%-25%左右;膜面因徐变所导致的预张力丢失随膜材的品种和品牌不同而不同。为消除由于徐变所带来的预张力丢失,施工时,可对索和膜施行恰当的超张拉;或许在结构施工一段时刻后(一般为半年到一年左右),对结构施行二次张拉。对选用 PVC 膜材料的工程,二次张拉特别有必要。

  松懈不只与材料的徐变效应有关,还与衔接锚固处的滑移、支座移动、温度应力、反向荷载等要素有关。经过荷载效应剖析,能够调整索和膜面的形状及初始预张力,防止因松懈而导致部分索或膜面退出作业,以保证结构的全体刚度。

4. 与支承结构的协同核算问题

  膜结构一般是支承在下部钢结构上或直接与地锚相连。规划时不但要考虑膜本身的应力和变形,还要考虑下部钢结构和地锚的作业功用。换句话说,膜结构的规划应与钢结构和根底的规划一同进行。一般在规划膜结构时,将膜结构与下部支承结构分隔核算,即先将支承点看作不动铰支座对膜结构做内力剖析,然后再将膜结构核算的反力值施加到钢结构或根底上,核算下部结构。关于刚性支承体系的膜结构 刚性鸿沟或支承构件在膜面张力作用下的变形会引起膜面张力丢失;当支承点有可能发作较大位移时,也有必要考虑其对膜结构内力散布的影响。 这就需求将膜与下部支承系一同起进行全体核算。需求阐明的是,下部支承结构并非越刚越好;相反,在某些情况下,下部支承结构的位移能够促进膜内的应力重散布,使应力趋于均匀,削减可能出现的应力会集或褶皱现象。

  膜材自重较轻,地震对膜结构的影响较小,故一般可不考虑索、膜构件的地震作用。当下部支承结构在地震作用下有可能发作较大变形时,在膜结构规划中就有必要考虑这一要素的影响。将膜与下部支承系一同起进行协同核算,有利于对膜结构进行抗震剖析。

5. 褶皱的处理问题

  褶皱是指膜材在单向拉应力情况下出现的平面外变形。膜面的褶皱可分为两种:一种是因膜面在一个方向上张力消失导致膜材松懈而发作,称之为结构褶皱;另一种是因膜材出产进程缺陷、热合不妥或包装折叠不妥而发作,称之为材料褶皱。结构褶皱是暂时的,会随膜面从头受拉而消失,而材料褶皱是永久的。一般所说的褶皱是指前者,即结构褶皱。

  褶皱对膜结构的影响不只表现在视觉作用上,对结构功用的影响也是不行忽视的。褶皱的出现将导致膜面预张力的重散布,然后使得膜面某些区域的应力低于规划值,而另一些区域的应力高于规划值。当膜面应力低于规划值时,将导致结构部分刚度下降,易发作和风振荡;当膜面应力高于规划值时,将导致膜材发作较大的应变和徐变,乃至发作膜材部分撕裂。此外褶皱还会影响结构的漂亮和排水功用;因而应尽量防止膜材在正常运用情况(长时刻荷载组合)下出现褶皱。

  在荷载态剖析中,能够经过对单元主应力的核算来判别褶皱单元。设单元主应力为σ1 和σ 2,且σ1 >σ 2 ,则:

1) σ1 > 0,σ 2> 0,单元正常作业;

2) σ1 < 0,σ 2 < 0,单元退出作业;

3) σ1 > 0,σ 2 < 0,单元为单向受拉。

  关于第三种情况--单向受拉,能够为将出现褶皱。核算时可选用批改褶皱单元刚度矩阵的办法来减小或疏忽褶皱单元对全体刚度矩阵的奉献。假设结构在荷载作用下发作较多褶皱,阐明结构的刚度缺乏,找形得到的曲面存在“病态”。此刻应回到找形阶段,对曲面进行批改,即经过批改部分区域的鸿沟条件或
调整预张力的办法来批改结构的刚度。


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