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冰雹和暴雨荷载作用下正交异性鞍形膜结构的动力响应研究

王凡  
【摘要】:随着工程材料科学和现代建筑结构技术的迅速发展,膜结构建筑越来越受到建筑师们的青睐。虽然膜结构有诸多优点,但其自重轻、刚度较小,因而对冲击荷载(如风、暴雨、冰雹、风卷残物等)的作用非常敏感。在荷载作用下容易发生较大振动变形,致使膜结构产生松弛、褶皱、损伤等,甚至导致工程事故。目前膜结构动力响应的研究主要关注于风致动力响应和平面膜结构的冲击问题。以理论解析的方法对空间膜结构的冲击荷载问题的研究未见报道。本文以工程中广泛应用的正交异性鞍形膜结构为研究对象;通过理论解析、数值模拟和试验研究方法分析对其在冰雹和暴雨荷载作用下的动力响应;总结规律,揭示膜结构的致灾机理,为膜结构的设计分析和施工建造提供理论依据,达到防灾减灾的目的。在解析理论中考虑膜材正交异性和大挠度变形,运用冯·卡门大挠度理论和达朗贝尔原理分别建立冰雹冲击荷载和暴雨荷载作用下正交异性鞍形膜结构受迫振动的控制方程组。通过伽辽金法化简并用KBM摄动法和自由参数摄动法进行近似求解。在算例分析中,以荷载大小,膜面矢跨比以及预张力等级为变化参数分别对冰雹和暴雨荷载作用下的动力响应结果进行了详细的对比分析。采用ANSYS/LS-dyna有限元分析软件对鞍形膜结构在冰雹冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,得到膜面动力响应的数值模拟结果。进行鞍形膜结构暴雨荷载冲击试验,得到暴雨荷载下的动力响应数据。将解析理论、数值模拟和试验研究的结果进行对比和参数分析,得出以下主要结论:1.虽然冰雹和暴雨荷载不会直接导致膜结构的材料破坏和结构失稳,但是会导致膜结构会产生大挠度的位移和强烈的非线性振动。随着荷载的增大,膜面振幅显著增大,但荷载增大对振动频率和周期的影响不大。并且通过分析发现,较低的振动频率对膜结构的稳定性是不利的,因此在膜结构计算中应重点考虑低频振动。2.相比于膜面预张力,膜面矢跨比对膜面振幅和周期的影响更显著。因此在膜结构初步设计阶段,尽量采用较大的膜面矢跨比,使其具有较强的抵抗荷载和抑制振动的能力同时有利于排水。当确定膜结构的矢跨比后,增大预张力等级有助于抵抗外部荷载和抑制振动。3.膜结构在运行和维护过程中应保持较高并且稳定的拉力,以减少膜面应力松弛和塑性变形。在荷载作用下,膜面产生的松弛会降低膜结构的临界风速,因此在承受外荷载之后需要对膜结构的预张力等级进行拉力检测和再张拉。


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