新型充气膜混合结构形态分析及受力性能研究

【摘要】：充气膜结构具有质量较轻、建造速度快和外形美观等优点,自出现以来被广泛应用于大跨空间结构建筑。目前,世界各地的学者对充气膜结构的结构形式与力学性能开展了诸多研究,并取得了丰硕的成果。然而,传统充气膜结构在近几十年的工程实践中逐渐暴露出一些难以解决的问题,如结构形式单一、整体刚度较小、承载能力不足等,这些日益突出的问题极大地限制了其在建筑工程领域的应用。为此,本文充分考虑充气膜结构的受力特点,提出将传统充气膜结构与刚性构件组合起来的新型充气膜混合结构体系,重点探讨了三种可能的新型充气膜混合结构体系的实现形式。进一步将基于图解静力法的组合平衡建模法(CEM)应用于充气膜混合结构的形态分析,基于数值模拟和模型试验研究分析了结构体系的力学性能,并总结了充气膜混合结构体系的设计方法。本文主要完成了以下几方面的内容:1、三类新型充气膜混合结构体系的提出根据各类充气膜结构在内气压和外力作用下的整体受力,提出气承式混合结构、气囊式混合结构和肋环多气囊式混合结构三种充气膜混合结构新体系,通过力学概念分析和数值模拟方法探讨混合结构中充气膜结构与刚性构件的最优组合方式,目的在于提高充气膜结构在外荷载作用下的整体刚度和承载力,并使所提出的混合结构体系具有丰富的建筑造型。2、基于组合平衡建模法的充气膜混合结构体系的形态分析由于充气膜混合结构的构件种类较多、受力较复杂,传统形态分析方法难以形象直观地建立整体模型,且难以表达结构体系中形与力的显性关系。为此介绍了一种基于力的平衡的形态分析方法,该方法衍生于基于向量的三维图解静力法和组合平衡建模法,进而结合内气压迭代的方式可应用于充气膜结构的形态分析中。针对三种新型结构体系,讨论了在所提出的形态分析方法中能够实现的设计参数变化,并通过调整“形”与“态”的相关参数进行形态分析。分析结果表明,所提出的形态分析方法收敛速度较快,允许设计师根据需要生成大量可能的结构平衡形态,并且可以同时考虑结构受力和建筑外观,特别适用于建筑结构的前期方案设计阶段。3、气囊式混合结构体系静力性能试验研究为了准确了解气囊式混合结构的受力性能,设计并制作了4m跨度的模型试件,开展了在充气加压成形、全跨荷载和半跨荷载下的结构静力性能试验研究。试验中设计制作了自动化的加载和测量装置,测量了结构各构件的应力和位移随荷载增加的发展变化情况,得到了此类结构在外荷载作用下的受力机理,并获得了内气压在充气成形和外荷载作用下的变化规律。同时,建立了非线性有限元模型进行仿真计算,并与试验结果进行对比验证,证明了本文数值模拟方法的正确性。试验结果表明该结构体系在充气成形和静力加载过程中均有稳定可靠的力学性能,气囊可以给上弦刚性构件提供有力的支撑作用。4、新型充气膜混合结构静力性能数值分析为全面系统了解三种混合结构体系的受力性能,建立了考虑膜材的精细化非线性有限元模型,将其在内气压作用下的有限元计算结果与形态分析模型进行对比分析,讨论了两个模型之间内力的对应关系。进一步将有限元分析结果与试验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。在数值分析模型中,针对所提出三种充气膜混合结构,分别考虑了气囊内气体量恒定和内气压恒定两种情况,并证明了将气囊式混合结构的气囊分割为多个气室后对整体结构的有利影响。研究表明三种结构体系均具有良好的受力性能,在此基础上讨论了从方案设计到精细化设计的创新型设计方法。