膜结构的特殊要求介绍

   本文重点关注膜结构设计的具体方面。这些结构具有特定的要求,例如形状发现和切割图案生成。这些主题是许多研究工作的焦点,并且提出了许多方法来实现期望的结果。然而,在本文中,这些问题将从实践角度而非理论角度进行讨论。

介绍

   膜结构是土木工程的当前趋势之一,因为它们美观,轻便,静电有效且具有挑战性。工程师在设计和施工过程中必须面对许多任务。

在设计这些结构时,不能自由选择形状,但必须进行计算。为了产生适当的形状,必须使用形状发现过程,其中一个成形因子是规定的预应力。虽然工程师使用经纱和纬纱中的特定值来定义预应力,但是形状查找过程的预应力通常与规定的预应力不同。这些差异将在下文中讨论,并将通过示例提供支持。

   当提出形状并且使用非线性静态分析评估膜结构时,必须执行切割图案生成过程以制造该结构。此步骤通常是整个设计过程中最敏感的任务。将呈现切割图案生成过程的当前可能性。

找形

   如上所述,膜和电缆的形状不能自由选择,但必须计算。这项任务是设计与物理定律之间的重要联系。形状是给定边界条件和空间力平衡的结果。这些力是所需的预应力,气动结构的压力以及最终其他负载(例如自重)的总和,其通常几乎没有影响。通过规定边界条件和所需的预应力,我们能够创造出各种各样膜结构的形状。

   通常可以绝对地确定边界条件,而通常不可能在规定的预应力下实现这一点。当使用用于找形的软件时,需要经纱和纬纱的预应力。然而,膜中的预应力通常比两个输入值更加多样化。出现了这样的问题:为什么这种预应力与规定的预应力不同,并且进一步可以实现期望的预应力而不是哪种预应力。此外,如果土木工程师使用不同的找形工具,它们通常会为相同的输入值产生不同的结果预应力。这里出现了另一个问题,哪个解决方案更优化。

   首先,我们将讨论存在定义的预应力的可能性。膜结构具有双曲率,因此高斯曲率不为零。这导致了这样的事实:在整个结构中不存在具有仅一个翘曲预应力值和一个纬纱预应力值的正交预应力。唯一的例外是各向同性预应力,如果它在给定边界内稳定,则可以存在。当使用经线和纬线中的两个不同的预应力值时,所得到的形状将具有值的应力,该值可以接近输入值但不能相等,因为理论上不可能。

   如上所述,如果这种形状在物理上是可能的,则可以在膜中具有精确的各向同性预应力。这种解决方案存在并且可以用于大多数形状,例如hypar,barell,拱顶和充气膜。对于锥形形状,各向同性预应力在物理上不稳定。各向同性预应力也可用于更复杂的形状,其中没有圆锥形区域。

切割模式生成

   膜结构最具特征的特征之一是它们的双曲率。由于这些结构必须由纺织品的角色制造,因此空间形状必须在平面中转换成图案。这个过程包括两个基本步骤,通过切割线划分空间形状,并将预应力空间图案展平成松弛的平面图案。

   为了切割结构,理论上可以使用任何线,但出于实际原因,最常见的线是测地线部分。在展平后具有直线图案是大地测量切割的众所周知的优点。当使用平面切割时,图案是弯曲的。这个陈述可以通过两个测量数据的例子来证明,其中使用了测地线和平面切口。

   切割图案生成的第二步是一项复杂得多的任务,因为在平面中计算最接近的空间图案近似值。这种分析提出了许多方法,其中一些是基于简化的几何方法,另一些是基于更先进的数学映射,最近的先进方法是基于有限元法(FEM)进行的非线性分析。

   最后一种方法是使用非线性分析求解平坦化过程时最常用的方法,并且有可能考虑材料属性。如果我们不希望考虑织物的正交各向异性及其在展平过程中的横向收缩,可以使用泊松比v = 0的各向同性材料。但是,如果打算在展平过程中使用材料数据,则可以实现更精确的图案。

   在膜材料测试期间,通常仅确定经向和纬向的轴向刚度和泊松比。但是,也应确定剪切刚度。剪切刚度的影响将在以下示例中显示。使用上面左侧结构的中间图案之一,使用不同的材料输入进行展平处理。

第一种材料是具有正交各向异性的涂层织物:
          E warp = 1.600kN / m,
          E 纬度 = 1.200kN / m,
          v 经/纬 = 0.05,
          G = 400kN / m。

第二种材料是没有涂层的正交各向异性织物网:
          E warp = 1.600kN / m,
          E weft = 1.200kN / m,
          v warp / weft = 0.05,
          G = 10kN / m。

   当观察整个图案的最终形状时,它们看起来是一样的,但是当它们被缩放时,差异是显而易见的。从精确的材料数据的角度来看,可以改善图案质量。

   通过平坦化过程,通过双轴测试估计的补偿也用于模拟膜中预应力的释放。使用几何非线性分析,无论是否考虑材料正交,我们都可以计算出空间模式的平面图案,它们之间的能量偏差最小。这些使用有限元分析(FEM)的计算是最自然的方式,并且与分析土木结构的方式相对应。

   在失真能量最小化过程中的计算过程中,有可能还考虑其他要求。结构工程师最常见的要求之一是相邻图案的边界线的长度必须相同。另一个要求是为模式的某些边界线设置特殊补偿,这通常称为失代偿。使用非线性分析,发现具有最小失真能量的解决方案考虑了构造要求,因为它们对于制造过程本身是必需的。

结论

   本文的目的是从实际的角度来处理形式发现和切割模式生成过程。由于这两个过程对于设计膜结构至关重要,因此讨论了通过找形过程计算出的预应力的分布,并且进一步说明了关于最小化失真能量的当前解决切割模式的方法。本文接着是在工程软件RFEM中计算的实例,用于补充所提出的文本。

   本文的目的不是要提出工程师应该使用哪种解决方案,而是有意提出设计形状和计算模式的方法的当前可能性。上面描述了预应力的可能存在,它们在整个结构内的分布以及材料特性在切割图案生成过程中的影响。

深圳市金鑫空间膜结构建筑设计院是国内顶尖的膜结构建筑设计单位,是一家专注于膜结构建筑设计与研究的设计院。业务涉及张拉膜结构、骨架式膜结构、充气膜结构、钢结构;对PVC、PTFE、ETFE膜材有着丰富的设计经验。我们尤其擅长大跨度结构、异性空间结构、索结构、封闭式建筑以及开启结构的设计与研究,涉及的领域有景观膜结构、停车棚膜结构、体育设施膜结构、污水加盖池膜结构等。