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(lái)說(shuō)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(shuō)剛度設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要 內(nèi)容 ，通過(guò)調(diào)整預(yù)應(yīng)力來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)單、快捷,成本低,在國(guó)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(guó),相應(yīng)的應(yīng)用開發(fā)工作也已逐漸展開,并且無(wú)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(guò)程   張力結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，因此其設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)。現(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(zhǎng)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(lái)說(shuō)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(jiǎn)單?？蓪⑺髂んw系簡(jiǎn)化為長(zhǎng)度任意改變的空間鏈桿體系,或?qū)⒛ず?jiǎn)化為可自由拉伸和轉(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(lái)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(wú)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(guò) 計(jì)算 機(jī)找形來(lái)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(guò)找形這一步驟來(lái)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(wú)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(lái)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(guò)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?jiǎn)卧某霈F(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(lái)承擔(dān)水平力。   三、結(jié)語(yǔ)   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(guò)程中出現(xiàn)的問題。   在 中國(guó) ，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(guó)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．