膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

某體育場(chǎng)看臺(tái)為二層框架結(jié)構(gòu)，二層看臺(tái)面積1616.5 m，建筑高度9.15m?？磁_(tái)的膜結(jié)構(gòu)在中間主席臺(tái)由一個(gè)在中央的雙圓錐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在兩側(cè)看臺(tái)各一組六個(gè)雙圓錐結(jié)構(gòu)組成的。整個(gè)結(jié)構(gòu)向后傾斜。雨水將流向背后。兩邊的雙圓錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成鋸齒狀。下面就以此膜結(jié)構(gòu)工程為例，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做一個(gè)簡(jiǎn)單的分析。

一、曲面有限單元建立的膜結(jié)構(gòu)理論分析

膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)總體思路為：先找出一個(gè)初始平衡形狀，然后進(jìn)行各種荷載組合下的力學(xué)分析，最后裁剪制作。關(guān)于膜結(jié)構(gòu)的訐算方法，目前以有限元法為最先進(jìn)、最普遍被采用的方法。而單元類型皆為三角形平面常應(yīng)變單元，該方法是從剛性板殼大變形理論移植過(guò)來(lái)的。

膜結(jié)構(gòu)作為只能抗拉的軟殼體是不適宜采用這種平面單元的，因?yàn)閷?duì)于剛性殼體來(lái)說(shuō)，這種平板單元可以看成平面應(yīng)力單元和平板彎曲單元的組合，其單元?jiǎng)傟嚳梢杂蛇@兩種單元?jiǎng)傟嚭喜⒍?。而膜結(jié)構(gòu)作為軟殼體是不能抗彎的，只能靠薄膜曲面的曲率變化，從而引起膜表面中內(nèi)力重分布來(lái)抵抗垂直于曲面的外荷載。如果還是采用這種只有平面內(nèi)應(yīng)力的板單元，則應(yīng)變的線性部分將不反映平面外z方向位移的影響，這導(dǎo)致單元不包含z方向節(jié)點(diǎn)反力，就每個(gè)單元來(lái)說(shuō)靜力是不平衡的。所幸的是應(yīng)變的非線性部分考慮了z向位移的影響，使得各單元合并起來(lái)的總的平衡方程通過(guò)不斷迭代能近似達(dá)到平衡，缺點(diǎn)是需要過(guò)多的平面內(nèi)位移來(lái)滿足平衡的要求，而實(shí)際情況是只需要一定的平面外和平面內(nèi)的位移及曲率變化就可以了。

考慮到以上因素，采用曲面膜單元，應(yīng)變的線性部分引入了z向位移及單元的曲率和扭率，非線性部分仍然保留z向位移的影響項(xiàng)。這樣無(wú)論是每個(gè)單元還是各單元合并后的平衡方程都能很容易滿足，迭代次數(shù)大為減少，而變形結(jié)果也更符合真實(shí)情況。而且由于單元內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力都不相同，據(jù)此判斷皺折是否出現(xiàn)會(huì)更為精確。最后求出的每個(gè)單元的曲率和扭率對(duì)于判斷初始找形的正誤和優(yōu)劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。用曲面有限單元建立的膜結(jié)構(gòu)找形及內(nèi)力計(jì)算方法極小曲面具有非常完美的表面形狀和應(yīng)力狀態(tài)，是膜結(jié)構(gòu)最合理的理想初始狀態(tài)。

二、膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型分析

對(duì)于兩邊的膜結(jié)構(gòu)，每個(gè)架間由一片雙圓錐膜組成。中間的膜結(jié)構(gòu)仍由一片雙圓錐組成。所有的膜都將會(huì)有放射性接縫的設(shè)計(jì)，這是一種最完美的雙圓錐膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

三、對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下幾種荷載工況分析

1.預(yù)應(yīng)力

2.均布雪荷載0.4KN/sqm

3.均布風(fēng)壓力q=0.4KN/sqm，Cp=0.6

4.均布風(fēng)吸力q=0.4KN/sqm，Cp=1.0

5.風(fēng)荷載Y+Ve(正面)，q=0.4KN/sqm，Cp不定

6.風(fēng)荷載Y—Ve（背面），q=0.4KN/sqm，p不定

7.風(fēng)荷載Y+ve（側(cè)面)，q=0.4KN/sqm，Cp不定

風(fēng)荷載和雪荷載分析依據(jù)中國(guó)建筑規(guī)范要求，在負(fù)載的情況下，不會(huì)有積水產(chǎn)生。

四、支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)包括一根懸臂構(gòu)架和桅桿的組合，高點(diǎn)是由短桅桿支撐在構(gòu)件上，以便膜結(jié)構(gòu)以下的空間不阻隔。使用膜結(jié)構(gòu)的反力來(lái)分析支撐結(jié)構(gòu)并且選用相應(yīng)的材料。

五、膜材選擇

在選擇膜材時(shí)，采用國(guó)際上通用的安全系數(shù)，無(wú)論任何工況下的最大膜應(yīng)力均可適用。參照深圳膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范從膜應(yīng)力分布中可以看出，最大的應(yīng)力集中于高點(diǎn)位置。為了優(yōu)化材料的選擇，在這一區(qū)域使用補(bǔ)強(qiáng)片來(lái)增強(qiáng)它的強(qiáng)度。通過(guò)使用補(bǔ)強(qiáng)片，可以計(jì)算出這一部分的強(qiáng)度為通常強(qiáng)度的1.5 倍。