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膜結(jié)構(gòu)的荷載態(tài)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

日期:2018-03-02

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1.膜結(jié)構(gòu)上的荷載及作用


  在進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)的荷載態(tài)響應(yīng)分析時(shí),需考慮以下荷載及作用:恒荷載、活荷載、雪荷載、風(fēng)作用、預(yù)張力、支承及邊界構(gòu)件的變形、地震作用以及溫度變化的影響等等。


  恒荷載通常就是膜材的自重。由于膜材自身的質(zhì)量很輕(僅為 1kg/m 2 左右),恒載對(duì)膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形的影響通??梢院雎?。


  由于膜結(jié)構(gòu)表面一般不允許上人,檢修、清洗也是由專業(yè)膜結(jié)構(gòu)公司負(fù)責(zé),實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,一般不考慮活荷載。在非降雪地區(qū),習(xí)慣上用 0.25 或 0.30 kN/m 2  的豎向荷載來檢查膜面是否會(huì)因降雨而產(chǎn)生積水;即檢查在此荷載作用下,變形后膜面的等高線有無近似的圓形區(qū)域出現(xiàn)。


  在降雪地區(qū),積雪對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的。由于膜結(jié)構(gòu)多呈負(fù)高斯曲率曲面形式,結(jié)構(gòu)上的雪荷載一般為非均勻分布;在計(jì)算雪荷載時(shí)需根據(jù)不同曲面形狀、曲率變化來調(diào)整雪荷載的分布,以考慮雪荷載不均勻分布可能產(chǎn)生的不利影響。當(dāng)膜面坡度大于 0.4 時(shí),落雪一般會(huì)自動(dòng)滑下而不產(chǎn)生堆積。風(fēng)對(duì)積雪形式的影響也需要加以注意。研究表明,低溫條件下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到 15~20m/s 時(shí),膜面幾乎不存在積雪;但如果膜面存在“死角”,則在這些部位極易形成較深的積雪。另外,對(duì)于某些低矢跨比的膜結(jié)構(gòu),積雪的作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面趨于平坦,甚至在局部出現(xiàn)下凹,必須小心對(duì)待。


  風(fēng)作用或者按習(xí)慣說法風(fēng)荷載是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要荷載。在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)需要確定兩個(gè)重要的參數(shù),即風(fēng)載體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)。由于膜結(jié)構(gòu)的體型復(fù)雜,而各國荷載規(guī)范所能提供的風(fēng)載體型系數(shù)又十分有限,對(duì)復(fù)雜體型的膜結(jié)構(gòu),國內(nèi)外一般都通過風(fēng)洞試驗(yàn)的方法來確定體型系數(shù)。風(fēng)振系數(shù)的確定則更為復(fù)雜,目前無論是在工程上還是在理論研究方面都還沒有提出切實(shí)有效的解決辦法。有關(guān)這部分內(nèi)容,將在下一小節(jié)中作更詳細(xì)的闡述。


  預(yù)張力是膜面維持其曲面形狀并承受其它荷載的前提。預(yù)張力的分布及大小與膜面的形狀有關(guān),由找形確定。在作內(nèi)力分析時(shí),預(yù)張力參與所有荷載組合。


  支承及邊界構(gòu)件的變形會(huì)導(dǎo)致膜面應(yīng)力重分布。由于膜結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量很輕,地震作用的影響不是十分明顯。在溫度變化大的地區(qū),還要考慮熱脹冷縮對(duì)膜面應(yīng)力的影響以及高溫對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響。


2.  風(fēng)荷載的確定與風(fēng)洞試驗(yàn)


2.1  膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要性


  膜結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)是輕和柔。輕,意味著結(jié)構(gòu)自身的慣性力很小,地震作用的影響可以忽略不計(jì),相比之下風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更為重要;柔,意味著彎曲剛度很低,膜結(jié)構(gòu)對(duì)外荷載的抵抗主要通過自身形狀的改變來實(shí)現(xiàn),即結(jié)構(gòu)在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的變形,表現(xiàn)出明顯的幾何非線性特征。這些特點(diǎn)決定了膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),抗風(fēng)設(shè)計(jì)在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中占有特別重要的地位。


  近年來,一些大型膜結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下破壞的實(shí)例,也從另一個(gè)側(cè)面證明了抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要性。例如,美國佐治亞穹頂在建成 3 年后,于 1995 年的一次強(qiáng)風(fēng)大雨襲擊下,四片薄膜被撕裂,撕裂長度達(dá) 10余米;加拿大蒙特利爾奧林匹克體育場的可開啟式膜屋蓋在 1999 年冬天的一場暴風(fēng)雪之后,一塊膜屋蓋

突然破裂;韓國為 2002 年世足賽建造的濟(jì)洲島體育場挑篷膜結(jié)構(gòu)在 2002 年 6 月和 8 月先后兩次在臺(tái)風(fēng)的襲擊下出現(xiàn)膜材撕裂現(xiàn)象。國內(nèi)的膜結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐時(shí)間雖然不長,但也出現(xiàn)了一些工程在施工過程中膜材被強(qiáng)風(fēng)撕裂的情況,圖 1 所示即為一例。特別值得說明的是,以上這些實(shí)例在破壞發(fā)生時(shí),當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速均明顯低于設(shè)計(jì)風(fēng)速。這說明無論是在國內(nèi)還是國外,膜結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論都還不夠成熟、 對(duì)某些情況下風(fēng)作用的破壞機(jī)理尚不十分清楚。



2.2  抗風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定


  由于膜結(jié)構(gòu)的形體各異以及相關(guān)理論研究的滯后,目前在膜結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)確定方面還沒有一種普遍適用的方法。對(duì)于一些形狀較為簡單的膜結(jié)構(gòu),例如圖 2a 所示的鞍形膜結(jié)構(gòu),在不同風(fēng)向下的體型系數(shù)可參照?qǐng)D 2b 選用(圖中 f/L=1/12,風(fēng)向角=0~90 度)[1];文獻(xiàn)[2]根據(jù)大量的參數(shù)分析(考慮跨度、矢跨比和預(yù)張力的變化),基本確定膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)在 1.8 左右。值得說明的是,由于膜結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與荷載呈非線性關(guān)系,因此定義荷載風(fēng)振系數(shù)在理論上并不完善,應(yīng)該確定基于響應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)。對(duì)于復(fù)雜體型的大、中型膜結(jié)構(gòu),需借助風(fēng)洞試驗(yàn)來確定相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)。



2.3  膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)


  所謂風(fēng)洞試驗(yàn),就是將建筑物的縮尺模型置于一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的管道內(nèi),用動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生與實(shí)際情況近似的可控制的氣流,并借助一定的測量儀器,獲得所需的氣動(dòng)力信息。建筑風(fēng)洞也叫做大氣邊界層風(fēng)洞,它要求對(duì)來流的模擬要滿足大氣邊界層的某些特征,如風(fēng)剖面、湍流度等。風(fēng)洞試驗(yàn)還要滿足一系列

的相似準(zhǔn)則,如幾何相似、雷諾數(shù)相似等[3]。實(shí)際上,要完全滿足這些相似條件是不可能的,只能根據(jù)具體情況選擇那些起決定作用的相似條件。


  膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的確定包含對(duì)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓分布的預(yù)測,或者說是風(fēng)載體型系數(shù)的確定,以及對(duì)結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的預(yù)測,或者說是風(fēng)振系數(shù)的確定兩部分。盡管風(fēng)洞試驗(yàn)具有費(fèi)用高、周期長、某些相似數(shù)無法準(zhǔn)確模擬等缺點(diǎn),但它仍然是目前研究鈍體繞流的主要方法。目前的風(fēng)洞測壓試驗(yàn)技術(shù)已比較成熟,借助大氣邊界層風(fēng)洞,通過對(duì)剛性模型表面動(dòng)態(tài)風(fēng)壓的測量,所獲得的結(jié)果,可以基本滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。由于膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移較大,結(jié)構(gòu)位形的變化必然會(huì)對(duì)其周圍風(fēng)場產(chǎn)生影響,從而改變其表面的風(fēng)壓分布。所以膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)過程是一個(gè)典型的流固耦合(風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用)過程。對(duì)這一動(dòng)力過程的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M必須采用氣動(dòng)彈性模型。氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)涉及到大量的相似參數(shù)和復(fù)雜的觀測技術(shù),技術(shù)難度大,目前國內(nèi)外在這方面都還處于研究階段。


  隨著計(jì)算機(jī)有限元技術(shù)的發(fā)展,一種將計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)合起來,用計(jì)算流體力學(xué)來模擬結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場、用計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)來模擬膜結(jié)構(gòu),再借助某些參數(shù)的傳遞來實(shí)現(xiàn)兩者之間的耦合作用的所謂“數(shù)值風(fēng)洞”技術(shù)受到了越來越多的重視。從理論上講,這種方法具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確度和廣泛的適應(yīng)

性。在實(shí)際操作上,還有很多技術(shù)問題有待于進(jìn)一步探討。


  通過風(fēng)洞試驗(yàn),可以獲得建筑物表面任一測點(diǎn)的凈風(fēng)壓。將此壓力除以一個(gè)特定的參考風(fēng)壓(通常選擇梯度風(fēng)壓或建筑物檐口高度風(fēng)壓),得到一個(gè)無量綱系數(shù),稱為壓力分布系數(shù)。值得注意的是,壓力分布系數(shù)和風(fēng)載體型系數(shù)是不一樣的,即便是在同一個(gè)面上不同測點(diǎn)的壓力分布系數(shù)也是不一樣的。根據(jù)這些系數(shù)可以畫出建筑物表面的風(fēng)壓等值線圖。在實(shí)際工程中,為了應(yīng)用的方便,通常采用一個(gè)面上壓力分布系數(shù)的加權(quán)平均作為風(fēng)載體型系數(shù),以供設(shè)計(jì)參考。


3.  計(jì)算方法與分析軟件 


  膜結(jié)構(gòu)作為典型的柔性張拉結(jié)構(gòu),在力學(xué)性能上明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)等剛性結(jié)構(gòu)。這主要表現(xiàn)在:①膜不具有彎曲剛度,結(jié)構(gòu)對(duì)外荷載的抵抗是通過改變自身形狀來實(shí)現(xiàn)的;當(dāng)作用于膜面上的荷載發(fā)生變化時(shí),結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生彈性變形外還會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)構(gòu)性位移,因此變形比較明顯;②膜結(jié)構(gòu)屬于動(dòng)不定體系,其結(jié)構(gòu)剛度主要是由初始預(yù)張力和互反曲面來提供的,結(jié)構(gòu)剛度與變形相關(guān),表現(xiàn)出明顯的幾何非線性特點(diǎn);③膜結(jié)構(gòu)的自振頻率較低,且振型頻譜密集、相互耦合。這些力學(xué)特性決定了膜結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析具有不同于一般結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),一些通用的工程設(shè)計(jì)軟件無法直接用于膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),必須采用專用的分析軟件。


3.1  膜結(jié)構(gòu)計(jì)算中的幾個(gè)問題


1.幾何非線性問題


  盡管膜結(jié)構(gòu)的找形有不同的理論和方法,但荷載態(tài)的分析大都采用非線性有限元法,即將結(jié)構(gòu)離散為單元和結(jié)點(diǎn),單元與單元通過結(jié)點(diǎn)相連,外荷載作用在結(jié)點(diǎn)上,通過建立結(jié)點(diǎn)的平衡方程反復(fù)迭代求解。


  由于膜結(jié)構(gòu)的求解問題具有小應(yīng)變、大變形的特點(diǎn),因此在推導(dǎo)有限元方程時(shí)需考慮位移高階項(xiàng)對(duì)應(yīng)變的影響,亦即考慮幾何剛度的影響。


2. 材料非線性與各向異性


  基于以下原因,織物膜材從本質(zhì)上講是非線性的:經(jīng)緯向纖維本身的性能是非線性的;纖維間的約束與經(jīng)緯向應(yīng)力比有關(guān);涂層的性能是非線性的,并受時(shí)間的影響;由于編織,經(jīng)緯向纖維在初始狀態(tài)是松弛的,而涂層對(duì)纖維受拉變直又有約束作用。因此,膜材的應(yīng)力—應(yīng)變曲線在應(yīng)力較大時(shí)呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性(如圖 3 所示),同時(shí)呈現(xiàn)很強(qiáng)的正交異性性能, 一些膜材的經(jīng)緯向變形能力相差達(dá) 5 倍左右。


  由于設(shè)計(jì)中所采用的預(yù)張力及工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于膜材的抗拉強(qiáng)度(通常預(yù)張力不超過 5%的抗拉強(qiáng)度,工作應(yīng)力不超過 20%的抗拉強(qiáng)度),在設(shè)計(jì)應(yīng)力范圍內(nèi),可近似認(rèn)為膜材是在線彈性范圍內(nèi)工作。計(jì)算中經(jīng)緯向采用各自相應(yīng)的彈性常數(shù)。


3. 徐變問題


  徐變是指結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力作用下,隨著時(shí)間的推移在構(gòu)件中產(chǎn)生的塑性變形。松弛則是指在構(gòu)件兩端固定的情況下,由于徐變變形而導(dǎo)致其應(yīng)力隨時(shí)間的增長而逐漸降低的過程。徐變和松弛是相互關(guān)聯(lián)的,它揭示了材料的粘彈性力學(xué)性能隨時(shí)間的變化規(guī)律。徐變的特點(diǎn)是:(1)開始階段發(fā)展較快;(2)預(yù)應(yīng)力越大,松弛損失就越大;(3)應(yīng)力損失與構(gòu)件材料有關(guān);(4)與溫度的高低有關(guān)?!?/span>


  國外一些實(shí)測資料顯示,索結(jié)構(gòu)由于徐變所導(dǎo)致的預(yù)張力損失可達(dá)到 10%-25%左右;膜面因徐變所導(dǎo)致的預(yù)張力損失隨膜材的種類和品牌不同而不同。為消除由于徐變所帶來的預(yù)張力損失,施工時(shí),可對(duì)索和膜實(shí)施適當(dāng)?shù)某瑥埨换蛘咴诮Y(jié)構(gòu)施工一段時(shí)間后(通常為半年到一年左右),對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施二次張拉。對(duì)采用 PVC 膜材料的工程,二次張拉尤其有必要。


  松弛不僅與材料的徐變效應(yīng)有關(guān),還與連接錨固處的滑移、支座移動(dòng)、溫度應(yīng)力、反向荷載等因素有關(guān)。通過荷載效應(yīng)分析,可以調(diào)整索和膜面的形狀及初始預(yù)張力,避免因松弛而導(dǎo)致局部索或膜面退出工作,以保證結(jié)構(gòu)的整體剛度。


4. 與支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同計(jì)算問題


  膜結(jié)構(gòu)通常是支承在下部鋼結(jié)構(gòu)上或直接與地錨相連。設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮膜自身的應(yīng)力和變形,還要考慮下部鋼結(jié)構(gòu)和地錨的工作性能。換句話說,膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)與鋼結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行。通常在設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)時(shí),將膜結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)分開計(jì)算,即先將支承點(diǎn)看作不動(dòng)鉸支座對(duì)膜結(jié)構(gòu)做內(nèi)力分析,然后再將膜結(jié)構(gòu)計(jì)算的反力值施加到鋼結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)上,計(jì)算下部結(jié)構(gòu)。對(duì)于剛性支承體系的膜結(jié)構(gòu), 剛性邊界或支承構(gòu)件在膜面張力作用下的變形會(huì)引起膜面張力損失;當(dāng)支承點(diǎn)有可能產(chǎn)生較大位移時(shí),也必須考慮其對(duì)膜結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響。 這就需要將膜與下部支承體系一起進(jìn)行整體計(jì)算。需要說明的是,下部支承結(jié)構(gòu)并非越剛越好;相反,在某些情況下,下部支承結(jié)構(gòu)的位移可以促使膜內(nèi)的應(yīng)力重分布,使應(yīng)力趨于均勻,減少可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中或褶皺現(xiàn)象。


  膜材自重較輕,地震對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響較小,故一般可不考慮索、膜構(gòu)件的地震作用。當(dāng)下部支承結(jié)構(gòu)在地震作用下有可能產(chǎn)生較大變形時(shí),在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就必須考慮這一因素的影響。將膜與下部支承體系一起進(jìn)行協(xié)同計(jì)算,有利于對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析。


5. 褶皺的處理問題


  褶皺是指膜材在單向拉應(yīng)力狀態(tài)下出現(xiàn)的平面外變形。膜面的褶皺可分為兩種:一種是因膜面在一個(gè)方向上張力消失導(dǎo)致膜材松弛而產(chǎn)生,稱之為結(jié)構(gòu)褶皺;另一種是因膜材生產(chǎn)過程缺陷、熱合不當(dāng)或包裝折疊不當(dāng)而產(chǎn)生,稱之為材料褶皺。結(jié)構(gòu)褶皺是臨時(shí)的,會(huì)隨膜面重新受拉而消失,而材料褶皺是永久的。通常所說的褶皺是指前者,即結(jié)構(gòu)褶皺。


  褶皺對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響不僅體現(xiàn)在視覺效果上,對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響也是不可忽視的。褶皺的出現(xiàn)將導(dǎo)致膜面預(yù)張力的重分布,從而使得膜面某些區(qū)域的應(yīng)力低于設(shè)計(jì)值,而另一些區(qū)域的應(yīng)力高于設(shè)計(jì)值。當(dāng)膜面應(yīng)力低于設(shè)計(jì)值時(shí),將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部剛度降低,易產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng);當(dāng)膜面應(yīng)力高于設(shè)計(jì)值時(shí),將導(dǎo)致膜材產(chǎn)生較大的應(yīng)變和徐變,甚至發(fā)生膜材局部撕裂。此外褶皺還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的美觀和排水性能;因此應(yīng)盡量避免膜材在正常使用狀態(tài)(長期荷載組合)下出現(xiàn)褶皺。


  在荷載態(tài)分析中,可以通過對(duì)單元主應(yīng)力的計(jì)算來判別褶皺單元。設(shè)單元主應(yīng)力為σ1 和σ 2,且σ1 >σ 2 ,則:


1) σ1 > 0,σ 2> 0,單元正常工作;


2) σ0,σ 0,單元退出工作;


3) σ1 > 0,σ 0,單元為單向受拉。


  對(duì)于第三種情況--單向受拉,可認(rèn)為將出現(xiàn)褶皺。計(jì)算時(shí)可采用修改褶皺單元?jiǎng)偠染仃嚨姆椒▉頊p小或忽略褶皺單元對(duì)整體剛度矩陣的貢獻(xiàn)。如果結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生較多褶皺,說明結(jié)構(gòu)的剛度不足,找形得到的曲面存在“病態(tài)”。此時(shí)應(yīng)回到找形階段,對(duì)曲面進(jìn)行修正,即通過修改局部區(qū)域的邊界條件或

調(diào)整預(yù)張力的方法來修正結(jié)構(gòu)的剛度。


3.2 相關(guān)分析軟件


  膜結(jié)構(gòu)分析軟件可大致分為三種類型。第一類是單純的找形軟件,它們多數(shù)是從相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件的找形部分分離出來的。像德國的 CADISI 相當(dāng)于 EASY的找形模塊,意大利的 TensoCAD相當(dāng)于 Forten 找形模塊,新加坡的 WinFabric/Lite 是 WinFabric 找形部分。這些軟件可供建筑師用于找形概念設(shè)計(jì)。第二類軟件包含找形及裁剪兩部分,即不僅能找出形狀還能確定裁剪線,并繪出膜材的下料圖,但荷載態(tài)的分析要借助其它非線性軟件完成。像英國的 Patterner 及新西蘭的 Surface 等均屬此類。第三類軟件包括找形、荷載態(tài)分析及裁剪等全部內(nèi)容,可生成直接供電腦控制的裁剪機(jī)器下料的數(shù)據(jù),像德國的 EASY,英國的inTENS,意大利的 Forten32,新加坡的 WinFabric 等。一些著名的膜結(jié)構(gòu)公司如 Birdair等擁有自己開發(fā)的專用軟件。


4.  計(jì)算結(jié)果的分析


4.1  曲面病態(tài)的判定與調(diào)整


  找形的目的是要得到既符合建筑師的外形構(gòu)思,又符合邊界約束和力學(xué)平衡的空間形狀。但是并非所有通過找形得到的形狀都是合理的,或是最優(yōu)的。由于膜結(jié)構(gòu)的形狀與膜面內(nèi)的應(yīng)力之間存在相互制約的關(guān)系,因而如果在荷載態(tài)分析中出現(xiàn)褶皺過多或變形過大的情況,就說明膜結(jié)構(gòu)的形狀不合理,即存在“病態(tài)”區(qū)域或曲面是“病態(tài)”的。


1. “病態(tài)”曲面的判定


  對(duì)于“病態(tài)”曲面的判定可以從幾何﹑應(yīng)力和剛度三方面來考察。


  幾何方面:主要是看外形是否盡可能接近建筑師的外形構(gòu)思;是否存在較大范圍的扁平域(扁平意味著幾何剛度低,易產(chǎn)生積水或積雪);曲面的曲率變化是否平緩(曲率的過大變化,將導(dǎo)致支承條件復(fù)雜且膜面應(yīng)力集中),等等。


  應(yīng)力方面:主要是看是否有應(yīng)力集中現(xiàn)象;應(yīng)力分區(qū)不宜太多,相鄰應(yīng)力分區(qū)的應(yīng)力值相差不宜太大。


  剛度方面:主要是針對(duì)受荷狀態(tài)而言,即受荷時(shí)是否因張力消失而出現(xiàn)褶皺,是否在風(fēng)雪荷載下出現(xiàn)過大的變形。


2. “病態(tài)”曲面的調(diào)整


  對(duì)于病態(tài)曲面,可考慮采用以下修改方法:


  幾何控制修改法:通過修改支承及邊界條件來修改曲面幾何,從而修正結(jié)構(gòu)的剛度。


  應(yīng)力控制修改法:通過修改曲面的預(yù)張力分布及數(shù)值來修正結(jié)構(gòu)的剛度。


  綜合修改法:同時(shí)修改支承及邊界條件和膜面預(yù)張力,得到新的平衡曲面。


  曲面的病態(tài)判別及修改,在某種程度上,就是一個(gè)曲面優(yōu)化的問題。這里的優(yōu)化,要結(jié)合荷載態(tài)分析的結(jié)果(是否有張力消失,變形是否過大)來進(jìn)行,所以說,找形與荷載態(tài)分析是個(gè)多次反復(fù)的過程。


4.2  位移控制和應(yīng)力控制


  膜結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的幾何非線性,各項(xiàng)荷載效應(yīng)無法進(jìn)行線性組合。目前國內(nèi)外習(xí)慣上都還采用基于安全系數(shù)的容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮不同的荷載組合,其中恒荷載、初始預(yù)張力參與所有的組合。


1. 位移控制


  膜結(jié)構(gòu)是通過大變形來適應(yīng)外加荷載的。對(duì)于小品類膜結(jié)構(gòu)而言,膜面的容許位移可以取大一些;而中、大跨度的膜結(jié)構(gòu),一般膜面較為扁平,過大的豎向位移易導(dǎo)致積雪積水,使膜面產(chǎn)生漬斑甚至結(jié)構(gòu)倒塌;水平位移過大也易使人產(chǎn)生不舒適感。另外,要注意防止膜結(jié)構(gòu)因大位移與周圍其他物體產(chǎn)生摩擦或撞擊導(dǎo)致膜面破裂。


2. 應(yīng)力控制要求


  在各種荷載作用下,膜面各點(diǎn)在經(jīng)緯方向的最大應(yīng)力應(yīng)小于所用膜材的抗拉強(qiáng)度除以相應(yīng)的安全系數(shù)。此外,還應(yīng)保證在各種荷載組合作用下,所有索段均處于受拉狀態(tài);在長期荷載組合(恒荷載、初始預(yù)張力)作用下,所有膜片均處于張力狀態(tài)。


5.  膜材、索及索具的設(shè)計(jì)


5.1  膜材的設(shè)計(jì)

 

  膜材通常存在以下幾種失效模式:①膜材內(nèi)的拉應(yīng)力超過其經(jīng)向或緯向抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致膜材被拉斷;②由于膜材接縫處或膜與其它結(jié)構(gòu)的連接處的連接強(qiáng)度不足所導(dǎo)致的開裂;③在膜材安裝過程中或由于構(gòu)造不當(dāng)所導(dǎo)致的膜材撕裂。從結(jié)構(gòu)角度講,對(duì)膜材的選擇就是要保證膜材的抗拉強(qiáng)度、連接強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。


  對(duì)于第一種失效模式,可以通過增大膜材的安全系數(shù)來避免。通常在永久性荷載(如自重、預(yù)張力)作用下,膜材的安全系數(shù)取 8;對(duì)于風(fēng)荷載起控制作用的組合,安全系數(shù)取 4;對(duì)于雪荷載,安全系數(shù)則取 5[4]。因?yàn)檠┖奢d通常會(huì)持續(xù)一段較長的時(shí)間,可以認(rèn)為是一種半永久性荷載。由于膜材的經(jīng)緯向抗拉強(qiáng)度及膜面在各個(gè)方向的應(yīng)力并不相同,上述校核要按方向分別進(jìn)行。


  對(duì)于第二種失效模式,可在接縫計(jì)算時(shí)加大安全系數(shù)、保證必要的接縫寬度來避免。當(dāng)采用焊接連接時(shí),通常 PVC 及 PTFE 膜材的接縫寬度為 40 至 60 mm,小品中也有采用 25 mm 的;ETFE 膜材的焊接接縫寬度一般為 10 mm。具體寬度取決于膜面設(shè)計(jì)應(yīng)力及焊接加工的質(zhì)量;接縫強(qiáng)度還與溫度相關(guān),溫度越高,強(qiáng)度越低。除設(shè)計(jì)選定外,實(shí)際加工時(shí)還需試焊、測試接縫強(qiáng)度。


  第三種失效模式,往往與應(yīng)力集中有關(guān),這也是設(shè)計(jì)和安裝過程中尤其要注意避免的。由于膜材的撕裂強(qiáng)度僅為其抗拉強(qiáng)度的十分之一左右, 從國內(nèi)已有膜結(jié)構(gòu)的工程經(jīng)驗(yàn)來看,膜材撕裂是最易發(fā)生的工程事故。膜材安裝過程中的臨時(shí)固定措施不當(dāng)是導(dǎo)致膜材撕裂的主要原因之一,此時(shí)的膜材已經(jīng)展開但尚未繃緊,在陣風(fēng)的作用下極易導(dǎo)致膜材撕裂。設(shè)計(jì)中所采用的構(gòu)造措施不當(dāng),也是導(dǎo)致膜材內(nèi)的應(yīng)力集中并最終撕裂的原因之一。在膜面與其它構(gòu)件的連接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,對(duì)這些部位應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),即增加邊界處膜的層數(shù)。此外,由于膜結(jié)構(gòu)的變形比較大,在膜結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)的連接部位應(yīng)保證具有足夠的自由度;同時(shí)要防止膜面在風(fēng)作用下與周圍其它物體相碰撞或摩擦而使膜面受損。


5.2  索及索具的設(shè)計(jì)


  膜結(jié)構(gòu)用索一般為高強(qiáng)鋼絲組成的半平行鋼絲索、鋼絞線、鋼絲繩等。半平行鋼絲索是由若干高強(qiáng)度鋼絲并攏經(jīng)大節(jié)距扭鉸而成,能夠充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼絲的強(qiáng)度,彈性模量也與高強(qiáng)鋼絲接近,多用于大跨度建筑和重要建筑中。鋼絞線是由若干鋼絲捻鉸在一起而成,由于各鋼絲之間受力不均勻,其抗拉強(qiáng)度和彈性模量都要低于半平行鋼絲索。鋼絲繩是由若干股鋼絞線沿同一方向纏繞而成,其強(qiáng)度和彈性模量又略低于鋼絞線;其優(yōu)點(diǎn)是比較柔軟,適用于需要彎曲且曲率較大的構(gòu)件,在一些中小型膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。


  對(duì)于索的性能的評(píng)估主要有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和化學(xué)成分等幾個(gè)方面。通常,高強(qiáng)鋼絲的抗拉強(qiáng)度為 1470 N/mm 2 ~1860 N/mm 2 ,伸長率為 5%~6%。對(duì)于半平行鋼絲索和鋼絞線,其彈性模量約為 1.9×10 5  Mpa;鋼絲繩的彈性模量視構(gòu)造及成型工藝不同大多介于 0.7~1.1×10 5  Mpa 之間, 經(jīng)過預(yù)張拉處理后的可達(dá) 1.4~1.7×10 5  Mpa。


  索的防腐處理一般有三種方式:鋼鉸線鍍鋅、裹以樹脂防護(hù)套、表面噴涂。鍍鋅有電鍍和熱蘸鍍兩種方式,鍍鋅厚度約為 25~40 微米,防護(hù)有效期與所處環(huán)境的惡劣程度有關(guān)。樹脂防護(hù)套形成一個(gè)密封的隔離層阻止了索與外界環(huán)境的接觸,所用材料多為高密度聚乙烯(PE)。表面噴涂也是為了形成一種隔離層,所用材料是礦脂化合物或合成蠟,融化后噴涂。對(duì)于膜結(jié)構(gòu)用索,國內(nèi)多采用鍍鋅鋼絞線或鍍鋅鋼絲繩;當(dāng)鋼絞線、鋼絲繩外露時(shí),則需采用 PE 護(hù)套或其他方式防護(hù)。國外膜結(jié)構(gòu)用索多為不銹鋼索。


  索具是連接索與其它結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件,其力學(xué)性能必須保證:①在索破斷拉力的作用下沒有明顯屈服;②在各種荷載組合和環(huán)境變化下,確保安全可靠;③在動(dòng)荷載反復(fù)作用下不會(huì)出現(xiàn)疲勞失效,也不會(huì)導(dǎo)致索端頭的局部疲勞失效。


  膜結(jié)構(gòu)用索具可采用熱鑄(如巴氏合金、鋅銅合金等)或壓接(如套環(huán)、異型螺桿等)。索具應(yīng)作表面鍍鋅處理,并應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷。索具與索的連接處應(yīng)進(jìn)行密封處理, 還應(yīng)保證索具與索連接部分的強(qiáng)度不小于索抗拉強(qiáng)度的 95%。由于不銹鋼材料的強(qiáng)度高,用其做成的索具小巧、精致、耐久,條件許可時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用。




  索和索具的強(qiáng)度校核多采用容許應(yīng)力法。對(duì)于索,安全系數(shù)一般不小于 2.0,即索的抗拉破斷力應(yīng)不小于其最大工作應(yīng)力的 2.0 倍。索具的安全系數(shù)一般不小于 2.2。


6.  結(jié)語


  本文著重對(duì)膜結(jié)構(gòu)荷載態(tài)分析中的一些主要問題進(jìn)行了探討,包括荷載取值、特別是風(fēng)荷載的確定方法;荷載態(tài)分析的方法及需要注意的一些問題;常見的膜結(jié)構(gòu)分析軟件等。事實(shí)上,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析一樣,設(shè)計(jì)人員對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析與評(píng)判,往往比計(jì)算分析本身更為重要。文章后半部分介紹了如何評(píng)判計(jì)算結(jié)果,以及膜、索及索具等構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法。



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