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

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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)的一般原則   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)、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，必須有合適的節(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，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擔(dān)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,成本低,在國外已經(jīng)被廣泛 應(yīng)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 發(fā)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。    （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。若在迭代過程中出現(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，必須選定合適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)還原為平面的無應(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)此建立的非線性方程組將變?yōu)槠娈惙匠探M，這樣得到的解可能是病態(tài)的。所以如何把膜材由預(yù)應(yīng)力狀態(tài)還原為無應(yīng)力狀態(tài)是進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)裁剪分析中的關(guān)鍵技術(shù)，但這個(gè)問題至今還未得到很好的解決。   由于裁剪 分析 與膜結(jié)構(gòu)的形狀、大小、曲率、材性等許多因素有關(guān)，使得 目前 各種裁剪 方法 得 應(yīng)用 均受到一定程度得限制。裁剪分析方法總得來說分為3大類：物理模型方法，幾何模型方法，平衡模型方法。平衡模型方法以其靈活，迅速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)已占據(jù)了膜結(jié)構(gòu)裁剪分析 發(fā)展 和應(yīng)用的主要領(lǐng)域。目前比較成熟的平衡模型方法主要有：力密度法，動(dòng)力松弛法，離散超限變換投影法。   2．索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)   這里主要從結(jié)構(gòu)分析的角度提出以下幾個(gè)特點(diǎn):   （1）索膜材料均不具有抗彎能力,其上所有點(diǎn)在分析模型中只具有三個(gè)自由度這一特點(diǎn)實(shí)際上使索膜體系與同是空間曲面結(jié)構(gòu)的板殼結(jié)構(gòu)相比,其分析變得十分簡單。可將索膜體系簡化為長度任意改變的空間鏈桿體系,或?qū)⒛ず喕癁榭勺杂衫旌娃D(zhuǎn)動(dòng)的三節(jié)點(diǎn)或更多節(jié)點(diǎn)有限元組成的空間網(wǎng)格。   （2）使索、膜材料具有抵抗外荷載的能力,必須預(yù)先對(duì)其施加張拉力,以增加剛度、減小變形當(dāng)一段索或膜材未施加任何預(yù)張力,僅靠其自身的初始抗拉剛度來抵抗外荷載,當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),一定會(huì)產(chǎn)生很大變形,這種情況下索或膜材是無法成為結(jié)構(gòu)材料的。但當(dāng)施加一定預(yù)張力后,相同外荷載下的變形會(huì)大大減小。這一原理已在懸索結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。在張拉膜結(jié)構(gòu)中,由于張拉力呈較為復(fù)雜的空間分布,因此所施加張拉力的大小一般需要通過 計(jì)算 機(jī)找形來確定。   （3）施加預(yù)張力后的索膜體系在承受外荷載之前的初始形狀需要通過找形這一步驟來確定在對(duì)索膜體系進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí),首先要給定結(jié)構(gòu)的邊界條件。而結(jié)構(gòu)預(yù)張拉后在空間上的確定幾何形狀還無法預(yù)知。如何確定在給定邊界條件下索膜結(jié)構(gòu)的空間幾何形狀及與之相應(yīng)的預(yù)張力分布就是找形所要解決的 問題 。索膜體系的找形問題有別于結(jié)構(gòu)的荷載分析問題。進(jìn)行荷載分析時(shí),結(jié)構(gòu)的初始形狀是確定的、平衡的(一般非張拉結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件內(nèi)力為零)。而找形時(shí)并沒有一個(gè)確定的、處于平衡狀態(tài)的初始形狀,需要從假定的幾何形狀和預(yù)張力分布出發(fā)來尋找這個(gè)可用于荷載分析的初始形狀。所得結(jié)果一要滿足邊界條件,二要滿足其預(yù)張力分布處處平衡。找形方法可分為物理方法和數(shù)值方法兩類,物理方法即為模型實(shí)驗(yàn)的方法,而數(shù)值方法又有非線性有限元法、力密度法、 自然 形狀法和動(dòng)力松馳法等等。膜面的初始形狀一般應(yīng)有向上和向下兩個(gè)方向的曲率,避免過分平坦,以抵抗風(fēng)壓力和風(fēng)吸力,這應(yīng)是檢驗(yàn)和調(diào)整找形結(jié)果的一個(gè)基本原則。   （4）索膜材料只可受拉,不能受壓,受壓或拉力為零將實(shí)際上導(dǎo)致膜材出現(xiàn)皺褶,而索將屈曲變形,同時(shí)失去承載能力。根據(jù)這一特點(diǎn),在找形和荷載分析時(shí)都應(yīng)避免受壓單元的出現(xiàn)。具體作法是,建立受壓判據(jù),一旦單元滿足此判據(jù),即作相應(yīng)處理。   （5）荷載作用于索膜結(jié)構(gòu)所引起的水平力和上拔力對(duì)支架結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)有很大 影響 。為抵抗水平力和上拔力,斜拉穩(wěn)定索成為支架結(jié)構(gòu)中的常用構(gòu)件?；A(chǔ)采用抗拔錨錠。如果采用獨(dú)立柱的形式,則柱將成為受彎構(gòu)件,其基礎(chǔ)若仍采用獨(dú)立基礎(chǔ),則可能存在很大的偏心距,設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行特殊處理,在大型結(jié)構(gòu)中常常采用閉合水平構(gòu)件如環(huán)梁或環(huán)索的形式來承擔(dān)水平力。   三、結(jié)語   張力結(jié)構(gòu)是集建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和計(jì)算機(jī) 科學(xué) 于一體的新型結(jié)構(gòu)形式，它必將是21世紀(jì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流?，F(xiàn)在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有許多方法，但缺乏一套系統(tǒng)的 理論 ，仍存在許多問題需要解決和 研究 。比如膜建筑的隔振問題、內(nèi)部環(huán)境問題、屋頂膜材的融雪問題、隔熱問題、積灰問題等，還有應(yīng)將現(xiàn)在的計(jì)算理論與計(jì)算機(jī)相結(jié)合并開發(fā)相應(yīng)的軟件，研究索膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，解決索膜結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工過程中出現(xiàn)的問題。   在 中國 ，膜結(jié)構(gòu)的研究還處在初級(jí)階段，還有很大的發(fā)展空間，我國即將出臺(tái)的《膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》必將會(huì)促進(jìn)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展，只要充分發(fā)揮膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)并對(duì)其不足之處加以著重研究，膜結(jié)構(gòu)才會(huì)變得更加合理、 經(jīng)濟(jì) 、安全，必將會(huì)得到更大的發(fā)展。      參考  文獻(xiàn)    [1] 張其林．索和膜結(jié)構(gòu).同濟(jì)大學(xué)出版社．2002．   [2] 王春江等．索膜結(jié)構(gòu)找形分析理論綜述．第10屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2002．   [3] 衛(wèi)東．薄膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)確定的幾種分析方法研究.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)．2000．   [4] 聶世華等．膜結(jié)構(gòu)技術(shù)評(píng)選.空間結(jié)構(gòu)，1999.5．