膜結構計算方法與分析軟件
1、這主要表現在:①膜不具有彎曲剛度,結構對外荷載的抵抗是通過(guò)改變自身形狀來(lái)實(shí)現的;當作用于膜面上的荷載發(fā)生變化時(shí),結構除產(chǎn)生彈性變形外還會(huì )產(chǎn)生較大的機構性位移,因此變形比較明顯;②膜結構屬于動(dòng)不定體系,其結構剛度主要是由初始預張力和互反曲面來(lái)提供的,結構剛度與變形相關(guān),表現出明顯的幾何非線(xiàn)性特點(diǎn);③膜結構的自振頻率較低,且振型頻譜密集、相互耦合。這些力學(xué)特性決定了膜結構的計算分析具有不同于一般結構的特點(diǎn),一些通用的工程設計軟件無(wú)法直接用于膜結構的設計,必須采用專(zhuān)用的分析軟件。
2、由于膜結構的求解問(wèn)題具有小應變、大變形的特點(diǎn),因此在推導有限元方程時(shí)需考慮位移高階項對應變的影響,亦即考慮幾何剛度的影響。并受時(shí)間的影響;由于設計中所采用的預張力及工作應力遠小于膜材的抗拉強度,在設計應力范圍內,可近似認為膜材是在線(xiàn)彈性范圍內工作。計算中經(jīng)緯向采用各自相應的彈性常數。
3、與支撐結構的互助,膜材自重較輕,地震對膜結構的影響較小,故一般可不考慮索、膜構件的地震作用。當下部支承結構在地震作用下有可能產(chǎn)生較大變形時(shí),在膜結構設計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)同計算,有利于對膜結構進(jìn)行抗震分析。
4、膜結構褶皺的處理問(wèn)題
褶皺是指膜材在單向拉應力狀態(tài)下出現的平面外變形。膜面的褶皺可分為兩種:一種是因膜面在一個(gè)方向上張力消失導致膜材松弛而產(chǎn)生,稱(chēng)之為結構褶皺;另一種是因膜材生產(chǎn)過(guò)程缺陷、熱合不當或包裝折疊不當而產(chǎn)生,稱(chēng)之為材料褶皺。結構褶皺是臨時(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(shuō)的褶皺是指前者,即結構褶皺。
褶皺對膜結構的影響不僅體現在視覺(jué)效果上,對結構性能的影響也是不可忽視的。褶皺的出現將導致膜面預張力的重分布,從而使得膜面某些區域的應力低于設計值,而另一些區域的應力高于設計值。當膜面應力低于設計值時(shí),將導致結構局部剛度降低,易產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng);當膜面應力高于設計值時(shí),將導致膜材產(chǎn)生較大的應變和徐變,甚至發(fā)生膜材局部撕裂。此外褶皺還會(huì )影響結構的美觀(guān)和排水性能;因此應盡量避免膜材在正常使用狀態(tài)(長(cháng)期荷載組合)下出現褶皺。
對于第三種情況--單向受拉,可認為將出現褶皺。計算時(shí)可采用修改褶皺單元剛度矩陣的方法來(lái)減小或忽略褶皺單元對整體剛度矩陣的貢獻。如果結構在荷載作用下產(chǎn)生較多褶皺,說(shuō)明結構的剛度不足,找形得到的曲面存在“病態(tài)”。此時(shí)應回到找形階段,對曲面進(jìn)行修正,即通過(guò)修改局部區域的邊界條件或調整預張力的方法來(lái)修正結構的剛度。
剛度方面:主要是針對受荷狀態(tài)而言,即受荷時(shí)是否因張力消失而出現褶皺,是否在風(fēng)雪荷載下出現過(guò)大的變形。
應力方面:主要是看是否有應力集中現象;應力分區不宜太多,相鄰應力分區的應力值相差不宜太大。
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