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张拉膜结构的找形分析

李英灏  
【摘要】:膜结构是一种近二三十年新兴起来的建筑结构,以其独特飘逸的造型和极具张力的表现形式而为世人所喜爱。然而,作为一种新型的结构形式,膜结构的设计理念和方法与传统的结构差异很大。膜结构是以高强度柔韧薄膜材料为屋顶,与支撑及张拉体系相结合,形成具有一定刚度的空间结构形状,从而承受一定外载荷的一种空间结构形式。 由于这些薄膜材料不能抵抗弯矩,其抗剪能力很小,又具有物理、几何的高度非线性,因此膜结构与传统结构的设计过程和方法完全不同。膜结构的设计过程主要包括找形分析、荷载分析和裁剪分析三个步骤。而其中的关键则是找形分析环节,另外由于张拉膜结构相对于充气膜结构具有更好的设计和使用性能,因此本文着重对张拉膜结构的找形分析加以研究。 本文简要比较了三种常用的找形方法:力密度法、动力松弛法和非线性有限元法,并采用非线性有限元法对张拉膜结构的找形问题加以分析。考虑到温度荷载可以产生均匀应力,另外为了方便初始曲面的确定,提出了采用温度荷载结合支点位移的找形方法,并对两种典型的膜结构形态进行了分析。为了更好地把握施工过程中的应力控制以及施工误差所引起的影响,提出了基于此的一种找形方法——在找形的过程中完成对施工张拉的模拟分析。 在一般的膜结构设计中,往往把边界当作刚性或忽略边界变形作用。这样虽然可以简化计算步骤,但却带来一些问题。因为膜的裁剪和施工直接和找形相关,这种忽略边界变形作用的后果在实际工程中表现为出现褶皱现象。而膜面出现褶皱则意味着该部分结构没有达到预期的预应力,在受外荷载作用时,易于出现局部受压区域,造成局部结构退出工作,严重时甚至影响整个结构的正常工作。为此本文结合某一工程小品,在对其进行按刚性支撑的基础上,考虑了弹性支撑的影响,并提出了新的解决方案——交互分析。


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