2016-12-02
设计空间膜结构需要知道的因素?

了解设计空间膜结构的因素

    空间膜结构是在预张力作用下工作的,而膜材的裁剪下料是在无应力状态下进行的,因而在确定裁剪式样时,有一个对膜材释放预应力、进行应变补偿的问题。影响膜材应变补偿率的因素可归纳为以下几个方面:

    (1)膜面的预应力值及膜材的弹性模量和泊松比,这是影响应变补偿率的最直接因素。
    (2)主应力方向与膜材经、纬向纤维间的夹角,这一问题变的重要是因为膜材是正交异性材料。
    (3)热合缝及补强层,热合缝及补强层的性能不同于单层膜,其应变补偿应区别对待。
    (4)环境温度及材料的热应变性能,尤其是双层膜结构环境温度相差较大时,要特别注意。
    在荷载分析中,在每一荷载增量步中对所有的单元进行逐一判别,如发现褶皱单元,可按以下方法处理:
    (1)修改单元刚度:减小褶皱单元对结构总体刚度的贡献,即修改褶皱单元的刚度矩阵,从而减小自身的实际荷载分担,结果是增加了相临单元的负担。
    (2)修改结构刚度:回到找形阶段,对曲面进行修正,即通过修改局部区域的边界条件或调整预应力的方法来修正结构的刚度。

    裁剪分析的内容:膜结构的分析包括三大方面内容,即形状确定(FormFinding)、荷载分析(LoadingCaseAnalysis)和裁剪分析(CuttingPattern)。裁剪分析,就是将由找形得到并经荷载分析复核的空间曲面,转换成无应力的平面下料图。
    风荷载作用:膜结构区别于传统结构的两个显著特点是轻和柔。轻,意味着结构自身重量和惯性力小,自重不是主要荷载,地震力可以忽略不计,而风是主要荷载;柔,意味着结构无抗弯刚度,结构对外荷载的抵抗是通过形状改变来实现的,表现出几何非线性特征。膜结构的特点决定了膜结构是风敏感结构,抗风设计在膜结构设计中处于主要地位。
    空气动力失稳:膜结构是风敏感结构,存在空气动力失稳(的问题。从本质上看,结构空气弹失稳是由于结构在振动过程中从与气流的振型耦合中吸收能量,当吸收能量大于耗散能量时,就会产生能量累积,当这种能量累积达到某一阀值(临界风速)后,结构就会从一种低能量(稳定)的振动形式跃迁到另一种高能量(不稳定)的振动形式上去。所以,膜结构存在设计风速作用下的动力失稳问题,幸运的是至今还没有这方面破坏的膜结构实例。
    风振动力分析:风力可分成平均风和脉动风两部分。平均风的周期较长,其对结构的作用性质相当于静力。脉动风的周期较短,其对结构的作用为动力性质。当结构的刚度较小,自振频率较低时,在脉动风荷载的作用下可能产生较大的变形和振动,所以在设计索膜这类小刚度结构时,应进行风振动力计算。索膜结构具有振型频谱密集、非线性特征和三维效应不可忽略等特点,针对高层和桥梁结构的风振分析方法不能直接应用。索膜结构的响应与荷载呈非线性关系,对于索膜结构定义荷载风振系数或阵风系数在理论上也是不正确的。