膜结构挑篷的设计研究(找形、荷载分析)

   膜结构的找形分析和荷载分析可以合称为结构分析,主要完成膜结构的找形、形状判定和内力分析,输出位移、应力和其他后处理系统所需要的数据文件。膜结构是纤维织物构成的。虽然膜材在平面内能承受很大的拉力,但它不能承受平面内的压力和平面外的弯矩,不然膜面会松弛,继而失去刚度出现俗称的褶皱。

   判断结构是否会出现褶皱是判断索膜结构预应力大小选取是否合适、判断索膜结构建筑外形是否合理的一个关键因素。找形和荷载分析的最主要目的也在于此。有褶皱的索膜结构不能体现索膜建筑的力与美。通过找形,得到了结构的曲面几何及其相应的预应力分布,接下来的工作就是荷载的分析了。

   荷载态分析的目的,是检查在各种荷载组合下 , 膜结构的刚度是否足够, 膜面的应力和变形是否在许可的范围内,亦即是否能保证结构的稳定及防止褶皱的出现,是否会出现过大的变形导致应力松弛或因应力过大导致膜材破坏,是否在风雪荷载因变形过大而影响结构的使用功能,是否会因风激振动而导致结构破坏,等等。作用于索膜结构上的荷载主要有:自重,设备重量,风雪荷载以及维护荷载等等。这些荷载都可以作为面荷载转化为等效节点力。
   在膜结构受荷分析的过程中,风荷载常常是结构的起控制作用的荷载。韩国济州岛世界杯足球赛场的膜结构在 2002 年的台风中也被掀去了,主要原因是由于局部构造措施不当,导致应力集中所致。对于很简单的几何形式,规范是可以借鉴,对于重要性的结构,风洞实验是确定设计参数的必要手段。索膜结构受荷分析时,雪荷载也是很重要的荷载。雪荷载对膜结构的影响不仅是考虑膜结构对雪荷载的承受能力,是否会被罕见的大雪压跨。

   积雪对膜的影响不仅仅如此,由积雪造成的膜长期受荷所产生的非常规徐变会减低膜的预张力,严重的话会造成膜丧失预张力导致失稳。有可能的话,在结构选形时要尽量避免产生积雪。也就是说,曲率设计切忌平缓,这在北方尤其重要。需要注意的是,积雪荷载通常是非均匀分布的,要视结构的表面形状作相应的调整。

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