膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析主要包括形狀確定、荷載分析和裁剪分析三大方面。
1、膜結(jié)構(gòu)的形狀確定
?。ǎ保┙o定預(yù)應(yīng)力分布的形狀確定問題:預(yù)先假定膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)力的分布情況,再根據(jù)受力合理或經(jīng)濟(jì)原則進(jìn)行分析計(jì)算,得到膜的初始幾何狀態(tài)。
?。ǎ玻┙o定幾何邊界條件的形狀確定問題:預(yù)先確定膜結(jié)構(gòu)的幾何邊界條件,然后計(jì)算分析預(yù)應(yīng)力分布和空間形狀。
常用的計(jì)算機(jī)找形方法有:力密度法、動力松弛法、有限元法。
2、膜結(jié)構(gòu)的荷載分析
膜結(jié)構(gòu)的荷載分析是在形狀分析所得到的外形與初始應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,檢查結(jié)構(gòu)在各種荷載組合下的強(qiáng)度、剛度是否滿足預(yù)定要求的過程。膜結(jié)構(gòu)的荷載分析基本上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,獲得求解。
膜結(jié)構(gòu)輕、柔、飄的顯著特點(diǎn)決定了膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的內(nèi)容也有自身特點(diǎn)。
?。?)靜風(fēng)壓體型系數(shù)的確定
風(fēng)荷載體型系數(shù)是描述風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)上不均勻特征的重要參數(shù),一般結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)可以從荷載規(guī)范查得。但膜結(jié)構(gòu)形狀各異,不能從荷載規(guī)范直接獲得風(fēng)壓體型系數(shù)。所以,較大的膜結(jié)構(gòu)基本都要求進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),以獲得比較正確的膜結(jié)構(gòu)的局部風(fēng)壓凈壓系數(shù)和平均風(fēng)載體形系數(shù)。由于風(fēng)洞試驗(yàn)要滿足一系列的相似準(zhǔn)則,如幾何相似、雷諾數(shù)相似等,通常要完全滿足這些相似條件是不可能的,因此風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果有時(shí)會超過實(shí)測值很多。
?。?)脈動風(fēng)壓系數(shù)的確定
膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移較大,結(jié)構(gòu)位形的變化會對其周圍風(fēng)場產(chǎn)生影響,所以膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)動力響應(yīng)過程是流固耦合過程。這種動力過程的風(fēng)洞試驗(yàn)必須采用氣動彈性模型,因此實(shí)現(xiàn)起來技術(shù)難度較大。近年來發(fā)展的“數(shù)值風(fēng)洞”技術(shù)受到越來越多的重視。這種技術(shù)簡單的說就是將計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)技術(shù)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,不過,該方法還處試驗(yàn)階段。
?。?)風(fēng)振動力分析
風(fēng)力可分成平均風(fēng)和脈動風(fēng)兩部分。平均風(fēng)的周期較長,其對結(jié)構(gòu)的作用性質(zhì)相當(dāng)于靜力。脈動風(fēng)的周期較短,其對結(jié)構(gòu)的作用為動力性質(zhì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度較小,自振頻率較低時(shí),在脈動風(fēng)荷載的作用下可能產(chǎn)生較大的變形和振動,所以在設(shè)計(jì)索膜這類小剛度結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)進(jìn)行風(fēng)振動力計(jì)算。索膜結(jié)構(gòu)具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應(yīng)不可忽略等特點(diǎn),針對高層和橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析方法不能直接應(yīng)用。索膜結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與荷載呈非線性關(guān)系,對于索膜結(jié)構(gòu)定義荷載風(fēng)振系數(shù)或陣風(fēng)系數(shù)在理論上也是不正確的。
?。?)空氣動力失穩(wěn)
膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),存在空氣動力失穩(wěn)的問題。從本質(zhì)上看,結(jié)構(gòu)空氣彈失穩(wěn)是由于結(jié)構(gòu)在振動過程中從與氣流的振型耦合中吸收能量,當(dāng)吸收能量大于耗散能量時(shí),就會產(chǎn)生能量累積,當(dāng)這種能量累積達(dá)到某一閥值(臨界風(fēng)速)后,結(jié)構(gòu)就會從一種低能量(穩(wěn)定)的振動形式躍遷到另一種高能量的振動形式上去。所以,膜結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下的動力失穩(wěn)問題,幸運(yùn)的是至今還沒有這方面破壞的膜結(jié)構(gòu)實(shí)例。
3、膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析
裁剪分析就是將由找形得到并經(jīng)荷載分析復(fù)核的空間曲面,轉(zhuǎn)換成無應(yīng)力的平面下料圖。裁剪分析包含三個(gè)步驟:
?。?)空間膜面剖分成空間膜條
膜結(jié)構(gòu)是通過結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)造型,空間膜面在剖分成膜條時(shí),要充分考慮膜條的邊線即熱合縫對美觀的影響;同時(shí)膜材是正交異性材料,為使其受力性能更佳,應(yīng)保證織物的經(jīng)、緯方向與曲面上的主應(yīng)力方向盡可能一致;此外,用料更省、縫線更短,也是進(jìn)行膜面剖分必須考慮的因素。
?。?)空間膜條展開成平面膜片
空間膜條展開成平面膜片,即將膜條的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二維數(shù)據(jù),采用幾何方法,簡單可行。但如果膜條本身是個(gè)不可展曲面,就得將膜條再剖分成多個(gè)單元,采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵湔归_。此展開過程是近似的,為保證相鄰單元拼接協(xié)調(diào),展開時(shí)要使得單元邊長的變化為極小。
(3)應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化到無應(yīng)力狀態(tài)
從應(yīng)力狀態(tài)到無應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)化,即釋放預(yù)應(yīng)力、進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償。膜結(jié)構(gòu)是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下工作的,而平面膜材的下料是在無應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的,為確定膜材的下料圖,需對膜片釋放預(yù)應(yīng)力,并進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償。這里的補(bǔ)償實(shí)際上是縮減,在此基礎(chǔ)上加上熱合縫的寬度,即可得膜材的下料圖。