張力結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題(一)

1、張力結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題 一 摘要：介紹張拉膜這種張力結(jié)構(gòu)來說明張力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，總 結(jié)了其在荷載、受力、分析等方面有別于一般建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。關(guān)鍵 詞：張力結(jié)構(gòu)索膜結(jié)構(gòu)張拉膜結(jié)構(gòu)找形一、張力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原那么張力結(jié)構(gòu)體系的分析設(shè)計(jì)應(yīng)分為三個(gè)狀 態(tài)：初始幾何態(tài)、預(yù)應(yīng)力初態(tài)和荷載終態(tài)。雖然，在張力結(jié) 構(gòu)體系的初始幾何態(tài)分析時(shí)也需考慮預(yù)應(yīng)力，但是，初始幾何態(tài)的預(yù) 應(yīng)力分析僅是為了張成曲面幾何外形，而預(yù)應(yīng)力態(tài)時(shí)的預(yù)應(yīng)力分析才 是結(jié)構(gòu)的剛度分析。應(yīng)該說剛度設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，通過調(diào) 整預(yù)應(yīng)力來改變結(jié)構(gòu)剛度，從而改變結(jié)構(gòu)的力流，改變結(jié)構(gòu)性能。在 設(shè)計(jì)中增加截面并不是一種好的方法，改變形態(tài)、

2、改變剛度可以收到 事半功倍的效果。荷載態(tài)的分析主要是進(jìn)行強(qiáng)度校核。在剛性結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)中，結(jié)構(gòu)的幾何外形是已定的，結(jié)構(gòu)的變形也不影響結(jié)構(gòu)的剛度特 征。然而在張力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，尋求初始幾何外形的分析和設(shè)計(jì)是十分 重要的。如果結(jié)構(gòu)的幾何外形設(shè)計(jì)好，不是使結(jié)構(gòu)處于病態(tài)，就是使 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的張力而導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)或邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)產(chǎn)生困難。對(duì) 于復(fù)雜體形的張力結(jié)構(gòu)，其幾何外形的設(shè)計(jì)伴隨著維持其曲面張成所 需的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。張力結(jié)構(gòu)的初始幾何外形設(shè)計(jì)的難度和分析設(shè)計(jì)重 要性均甚于荷載態(tài)時(shí)的分析設(shè)計(jì)。在張力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要保證能施 加足夠的預(yù)應(yīng)力，必須有適宜的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。張力結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)除了具有 一般節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求以外，

3、還有區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的顯著特點(diǎn)，即 該類節(jié)點(diǎn)具有互索的功能。例如，與節(jié)點(diǎn)相連的索單元拉力和桿單元 壓力使得節(jié)點(diǎn)的剛度得到加強(qiáng)。張力結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)剛度是與體系的應(yīng)力 水平相適應(yīng)的，這也是與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系的重要區(qū)別。二、索膜結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)張拉膜結(jié)構(gòu)是膜結(jié)構(gòu)中最常見的一種形式 ,即通過對(duì)膜材內(nèi)部施 加一定的預(yù)張力 ,使其具備了抵抗外荷載能力 ,從而充當(dāng)結(jié)構(gòu)材料的一 種結(jié)構(gòu)體系。張拉膜結(jié)構(gòu)是通過給膜材及加勁索施加預(yù)張力使之具有 剛度并承當(dāng)外荷載的結(jié)構(gòu)，又稱之為索膜結(jié)構(gòu)。這種形式能夠充分 利用膜材的受力性能 ,形成輕巧、美觀、具有現(xiàn)代感的空間大跨曲面結(jié) 構(gòu),并且施工簡單、 快捷,本錢低 ,在國外已經(jīng)被廣泛應(yīng)

4、用于商業(yè)建筑、 體 育建筑、工業(yè)建筑、戶外設(shè)施、文化娛樂建筑等各種領(lǐng)域 ,目前在我國 , 相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)工作也已逐漸展開 ,并且無疑存在著巨大的開展前景。 1索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程張力結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，因此其設(shè)計(jì)過程不同 于一般傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)一般可以分為 3 個(gè)階段：形態(tài)分析， 荷載分析和裁剪分析。 1形態(tài)分析形態(tài)分析包括結(jié)構(gòu)初始試形狀的 確定和結(jié)構(gòu)初始幾何態(tài)的分析，即找形分析的過程。其目的是確定滿 足控制點(diǎn)邊界條件和初始預(yù)應(yīng)力荷載平衡條件的膜結(jié)構(gòu)形狀，以及與 之相關(guān)的初始預(yù)應(yīng)力分布。結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下從初始狀態(tài)變形至 工作狀態(tài)的問題是彈性和彈塑性變形問題，可以采用非線性有限元予 以求解

5、。2荷載分析荷載分析是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)能否在實(shí)際環(huán)境中風(fēng)、雨 或雪等荷載作用下正常工作， 不發(fā)生過大的變形和不出現(xiàn)褶皺和松弛。 在進(jìn)行荷載分析時(shí)，應(yīng)對(duì)計(jì)算的各個(gè)單元中的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力進(jìn) 行判斷。假設(shè)在迭代過程中出現(xiàn)膜的褶皺或松弛，應(yīng)相應(yīng)修改其單元本 構(gòu)矩陣后再進(jìn)行下一步的迭代。 3裁剪分析膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析是膜 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有研究裁剪的工作是在基于形狀判定 和荷載分析之后的特定幾何外形上進(jìn)行的。裁剪分析中最棘手的問題 是考慮初始預(yù)應(yīng)力造成的膜材經(jīng)、緯方向的伸長對(duì)裁剪下料的影響。 膜結(jié)構(gòu)是張力結(jié)構(gòu)的一種，其整體剛度主要由初始預(yù)應(yīng)力提供，單片 膜材的裁剪和拼接是在無應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行的，而結(jié)構(gòu)張成后膜材必須 處于全張力狀態(tài)。裁剪分析過程中，必須選定適宜的裁剪式樣并精確 確定連接坐標(biāo)， 把膜材由空間的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)原為平面的無應(yīng)力狀態(tài)。 而一般情況下這時(shí)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的整體剛度趨于零。據(jù)此建立的非線