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张拉膜结构的工程研究

徐其功  
【摘要】:张拉膜结构作为现代建筑的一种特种结构,自20世纪40年代问世,已有60多年的历史,目前被广泛用于体育场馆等大空间结构。本文从理论和工程两方面对膜结构进行研究,主要内容如下: 一、 理论方面 1.引入“T单元”完善力密度法找形分析。本文建立了包含“T单元”的单元-节点拓扑关系矩阵,统一包含“T单元”的节点与标准索网节点的平衡方程,导出完整的力密度法找形分析的计算公式。利用本文方法和编制的程序可分析具有谷索、脊索、索边界及固定边界的组合膜结构。 2.以索网代替连续的膜材,进行膜结构受荷后的静力分析。采用与力密度法找形分析相同的索网模型,导出张拉膜结构静力分析的平衡方程及午顿法求解的刚度矩阵。 3.提出收缩补偿值的计算公式。收缩补偿值的确定是裁剪分析的核心内容和膜结构研究领域的难题之一。本文首先导出平面膜片坐标值的修正公式,然后采用空间曲面的展开与初应力释放两步方法,研究初应力、膜材非弹性性质和徐变等因素对补偿值的影响,并分析补偿值与荷载作用下膜内力的耦合作用。从工程角度提出解决问题的方法,建立收缩补偿值的计算公式。 4.探索成形后膜曲面内力的研究方法。由于膜材的非线性性质及平面展开的近似性,根据下料图制作张拉而成的膜结构,其初应力必然与找形分析得到的初应力有很大不同。初应力的改变直接影响力学分析结果,从而改变结构安全的可靠度。本文采用非线性有限元法,通过膜下料的平面膜片中的单元划分与空间初始形状的单元一一对应关系,以三角形单元边长差引起的应力为初应力,在节点不平衡力的作用下,达到新的平衡状态,从而求出膜曲面的实际应力。 二、工程研究方面 1.找形分析若干工程问题的研究。 1)索网模型网格划分方向的研究。在索网模型力密度法中网格的划分不仅仅是将连续的膜材离散为线单元,同时也代表了经向和纬向的确定。网格的方向人为地规定了主应力方向。不同网格的划分方向对找形分析和静力分析结果有很大影响。本文分析其原因,并给出解决办法。 2)研究膜曲面两向应力比、索膜应力比与初始形状之间的关系。通过对两种基本膜单元(马鞍形和锥形)进行分析,寻求膜曲面两向应力比、索膜应力比与初始形状之间的普遍规律,为膜结构系统分析打下基础。 2.荷载分析和裁剪分析若干工程问题的研究。


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