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《张力膜结构的全过程集成分析及其策略研究α》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第4卷 第4期空 间 结 构1998年11月 a张力膜结构的全过程集成分析及其策略研究胥传喜(河海大学 南京210098)摘 要 本文从全过程分析的角度探讨、分析了张力膜结构的形状判定、荷载态分析及裁剪分析三方面的内容及其相互关系,提出了全过程、一体化集成分析的思想,并就全过程分析中各个技术关键的实施策略进行了研究。关键词 张力膜结构 形状判定 荷载态分析 裁剪分析 全过程分析 策略一、引 言张力膜结构(TensionedMembraneStructure)是以建筑织物——膜材为张拉主体,并与支承杆件及拉索共同组成的结构体系。结构
2、的刚度由几何外形及张拉预应力提供,是一种典型的“由形状产生强度”的结构型式。尽管这种结构俗称为帐篷结构,但现代意义上的张力膜结构已远远超出人们传统观念中的“帐篷”,这一方面是缘自于材料本身性能的改善,现代膜材具有防水、透光、阻燃以及性能稳定等一系列特点,使得“帐篷”成为永久性或半永久性建筑;另一方面,来自于造型的新颖性和巨大的覆盖面积。美国丹佛新国际机场的航站楼可以算是张力膜结构的典型代表,巨大的屋盖由2排17根支柱支承的“帐篷”组成,总宽为55m、总长27413m,外加宽12m长27413m两侧廊蓬,远远望去,造型独特的航站楼既象是丹
3、佛外缘白雪皑皑的落矶山的延续,又宛若印第安人居住的帐篷。国内1997年上海八运会最引人注目的建筑是八万人主体育场,其屋盖平面投影为28814m×274.4m的椭圆形,中间一有150m×213m的椭圆孔。屋盖2平面覆盖面积达36100m,由59个架立在马鞍型大悬挑钢管结构上的张力膜单体组成,每个单体均由膜材与8根拉索和1根支承立柱构成。该结构由国内与美国Weidlinger公司共同设计,膜材亦由美国进口。随着我国材料科学和计算技术的发展,张力膜结构以其独特的优点和强大的生命力,也必将在国内得以重视和发展。本文在文献[1]、[2]的基础上,
4、从全过程分析的角度对张力膜结构分析设计的主要方面进行研究,并提出相应的实施策略。a文稿收到日期:199811115。34©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.二、张力膜结构的全过程分析张力膜结构的分析主要包括三大方面:形状判定(FormFinding)、荷载态分析和裁剪分析(Cutting)。以往的工作都将这三方面割立开来分别进行,即首先求得一个所需的几何外形,在此基础上进行荷载态的分析。在分析过程中,对出现压应力的单元采取暂时剔除其对刚度矩阵的贡献
5、、直至其重新受拉的处理方法。最后再通过裁剪分析,求出裁剪线。笔者认为,张力膜结构的形状判定、荷载态分析和裁剪分析是相互联系、互为制约的,必须从全过程、一体化的角度加以考虑。11形状判定张力膜结构是一种柔性张力结构,其刚度由结构的初始几何曲面及初始预应力来提供。传统的分析方法是基于既定的几何外形上进行的。为确定张拉结构的初始几何,从早期的结构模[3]型的量测开始,到后来发展成以计算技术为基础的许多找形方法。为了使结构具备足够的刚度,以确保结构在荷载态时的种种荷载作用及边界条件约束下,结构中的任一部分都满足强度要求,且保证不出现压应力发生皱
6、折退出工作,除使结构的初始曲面具备一定的刚度外,还需施加预应力以进一步获得刚度。而张力膜结构的几何外形与其预应力分布及其数值有着密切的依赖和制约关系,不同的预应力分布、预应力值可以导致不同的几何外形;反过来,确定的一种几何形状必然有唯一一组相应的预应力分布。与此同时,张力膜结构对几何外形又非常敏感,几何外形的微小改变可能引起内力的较大改变。因此,如果在既定的几何外形基础上施加某组给定的预应力以进一步获得刚度的话,结构的几何形状与所施加的预应力将是不平衡的。为取得平衡,结构的几何外形及其预应力都将改变,以取得新的几何及相应的预应力分布和预
7、应力数值。这样,荷载态计算分析的基点将不再是原来既定的几何,初始预应力也不是原来所给定的预应力。基于上述分析,张力膜结构的全过程分析的第一步就是形状判定。在这里,形状判定不光是寻求一个几何外形,同时还要求出基于该几何外形的预应力分布值。在形状判定中,还要包括初始几何曲面的病态判别及其修改。21荷载态分析在经过形状判定、确定了结构几何及其相应的预应力分布及预应力数值之后,就可以进行张力膜结构的荷载态分析。荷载态的分析包括静力分析和动力分析两方面。张力膜结构静力分析的主要荷载是风载、雪载及膜材的自重,由于结构是以大位移方式工作的,故分析要采
8、用非线性的方法。为保证结构始终处于张拉状态,在每一迭代步中,均需对单元的受力状态进行判别。国内外有些文献采用了类似于支座移动法中的方法,即将受压单元退出工作、剔除其对刚度矩阵的贡献,直至其重新受拉。本文认为
