膜結構計算方法與分析軟件
1、這主要表現(xiàn)在:①膜不具有彎曲剛度,結構對外荷載的抵抗是通過改變自身形狀來實現(xiàn)的;當作用于膜面上的荷載發(fā)生變化時,結構除產生彈性變形外還會產生較大的機構性位移,因此變形比較明顯;②膜結構屬于動不定體系,其結構剛度主要是由初始預張力和互反曲面來提供的,結構剛度與變形相關,表現(xiàn)出明顯的幾何非線性特點;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,一些通用的工程設計軟件無法直接用于膜結構的設計,必須采用專用的分析軟件。
2、由于膜結構的求解問題具有小應變、大變形的特點,因此在推導有限元方程時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(shù)。
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生較大變形時,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行協(xié)同計算,有利于對膜結構進行抗震分析。
4、膜結構褶皺的處理問題
褶皺是指膜材在單向拉應力狀態(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方向上張力消失導致膜材松弛而產生,稱之為結構褶皺;另一種是因膜材生產過程缺陷、熱合不當或包裝折疊不當而產生,稱之為材料褶皺。結構褶皺是臨時的,會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,即結構褶皺。
褶皺對膜結構的影響不僅體現(xiàn)在視覺效果上,對結構性能的影響也是不可忽視的。褶皺的出現(xiàn)將導致膜面預張力的重分布,從而使得膜面某些區(qū)域的應力低于設計值,而另一些區(qū)域的應力高于設計值。當膜面應力低于設計值時,將導致結構局部剛度降低,易產生微風振動;當膜面應力高于設計值時,將導致膜材產生較大的應變和徐變,甚至發(fā)生膜材局部撕裂。此外褶皺還會影響結構的美觀和排水性能;因此應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。
對于第三種情況--單向受拉,可認為將出現(xiàn)褶皺。計算時可采用修改褶皺單元剛度矩陣的方法來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生較多褶皺,說明結構的剛度不足,找形得到的曲面存在“病態(tài)”。此時應回到找形階段,對曲面進行修正,即通過修改局部區(qū)域的邊界條件或調整預張力的方法來修正結構的剛度。
剛度方面:主要是針對受荷狀態(tài)而言,即受荷時是否因張力消失而出現(xiàn)褶皺,是否在風雪荷載下出現(xiàn)過大的變形。
應力方面:主要是看是否有應力集中現(xiàn)象;應力分區(qū)不宜太多,相鄰應力分區(qū)的應力值相差不宜太大。
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