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園林景觀膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載分析

發(fā)布時(shí)間:3/9/2015 4:38:51 PM瀏覽次數(shù):2804
  園林景觀膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載分析

1 荷載分析的內(nèi)容和方法

膜結(jié)構(gòu)的荷載分析是在形狀分析所得到的外形與初始應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,檢查結(jié)構(gòu)在各種荷載組合下的強(qiáng)度、剛度是否滿(mǎn)足預(yù)定要求的過(guò)程。

膜結(jié)構(gòu)的找形有不同的理論方法,但荷載分析基本上都采用非線性有限元法(Nonlinear Finite Element Method),即將結(jié)構(gòu)離散為單元和結(jié)點(diǎn),單元與單元通過(guò)結(jié)點(diǎn)相連,外荷載作用在結(jié)點(diǎn)上,通過(guò)建立結(jié)點(diǎn)的平衡方程,獲得求解。

由于索膜結(jié)構(gòu)是大變形問(wèn)題,在推導(dǎo)有限元方程時(shí),需考慮位移高階項(xiàng)對(duì)應(yīng)變的影響,即考慮幾何非線性。當(dāng)然,膜材本身也是非線性的,在工程應(yīng)用上時(shí),材料的非線性問(wèn)題一般不予考慮。

2 風(fēng)荷載作用

膜結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)是輕和柔。輕,意味著結(jié)構(gòu)自身重量和慣性力小,自重不是主要荷載,地震力可以忽略不計(jì),而風(fēng)是主要荷載;柔,意味著結(jié)構(gòu)無(wú)抗彎剛度,結(jié)構(gòu)對(duì)外荷載的抵抗是通過(guò)形狀改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的,表現(xiàn)出幾何非線性特征。膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),抗風(fēng)設(shè)計(jì)在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中處于主要地位。

膜結(jié)構(gòu)輕、柔、飄的顯著特點(diǎn)決定了膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算的內(nèi)容也有自身特點(diǎn)。

(1)靜風(fēng)壓體型系數(shù)的確定

風(fēng)荷載體型系數(shù)是描述風(fēng)壓在結(jié)構(gòu)上不均勻特征的重要參數(shù),一般結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)可以從荷載規(guī)范查得。但膜結(jié)構(gòu)形狀各異,不能從荷載規(guī)范直接獲得風(fēng)壓體型系數(shù)。所以,較大的膜結(jié)構(gòu)基本都要求進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),以獲得比較正確的膜結(jié)構(gòu)的局部風(fēng)壓凈壓系數(shù)和平均風(fēng)載體形系數(shù)。由于風(fēng)洞試驗(yàn)要滿(mǎn)足一系列的相似準(zhǔn)則,如幾何相似、雷諾數(shù)相似等,通常要完全滿(mǎn)足這些相似條件是不可能的,因此風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果有時(shí)會(huì)超過(guò)實(shí)測(cè)值很多。

(2)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)的確定

膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移較大,結(jié)構(gòu)位形的變化會(huì)對(duì)其周?chē)L(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生影響,所以膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程是流固耦合過(guò)程。這種動(dòng)力過(guò)程的風(fēng)洞試驗(yàn)必須采用氣動(dòng)彈性模型,因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)技術(shù)難度較大。近年來(lái)發(fā)展的“數(shù)值風(fēng)洞”技術(shù)受到越來(lái)越多的重視。這種技術(shù)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)(CSD)技術(shù)結(jié)合起來(lái),用計(jì)算流體力學(xué)來(lái)模擬結(jié)構(gòu)周?chē)娘L(fēng)場(chǎng),用計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)來(lái)模擬膜結(jié)構(gòu),再借助某些參數(shù)的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的耦合作用,不過(guò),該方法還處試驗(yàn)階段。

(3)風(fēng)振動(dòng)力分析

風(fēng)力可分成平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩部分。平均風(fēng)的周期較長(zhǎng),其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用性質(zhì)相當(dāng)于靜力。脈動(dòng)風(fēng)的周期較短,其對(duì)結(jié)構(gòu)的作用為動(dòng)力性質(zhì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度較小,自振頻率較低時(shí),在脈動(dòng)風(fēng)荷載的作用下可能產(chǎn)生較大的變形和振動(dòng),所以在設(shè)計(jì)索膜這類(lèi)小剛度結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)進(jìn)行風(fēng)振動(dòng)力計(jì)算。索膜結(jié)構(gòu)具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應(yīng)不可忽略等特點(diǎn),針對(duì)高層和橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析方法不能直接應(yīng)用。索膜結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與荷載呈非線性關(guān)系,對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)定義荷載風(fēng)振系數(shù)或陣風(fēng)系數(shù)在理論上也是不正確的。

(4)空氣動(dòng)力失穩(wěn)

膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),存在空氣動(dòng)力失穩(wěn)(Aerodynamic Instability)的問(wèn)題。從本質(zhì)上看,結(jié)構(gòu)空氣彈失穩(wěn)是由于結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中從與氣流的振型耦合中吸收能量,當(dāng)吸收能量大于耗散能量時(shí),就會(huì)產(chǎn)生能量累積,當(dāng)這種能量累積達(dá)到某一閥值(臨界風(fēng)速)后,結(jié)構(gòu)就會(huì)從一種低能量(穩(wěn)定)的振動(dòng)形式躍遷到另一種高能量(不穩(wěn)定)的振動(dòng)形式上去。所以,膜結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下的動(dòng)力失穩(wěn)問(wèn)題,幸運(yùn)的是至今還沒(méi)有這方面破壞的膜結(jié)構(gòu)實(shí)例。

3膜面褶皺問(wèn)題

結(jié)構(gòu)上的褶皺(Drape)是指因膜面在一個(gè)方向上出現(xiàn)壓應(yīng)力導(dǎo)致膜材屈服而產(chǎn)生的褶皺現(xiàn)象,而結(jié)構(gòu)松弛是指膜面在兩個(gè)方向上都呈現(xiàn)無(wú)張力狀態(tài),故松弛的膜面不能承受任何荷載。褶皺判別的兩種方法:(設(shè)拉為正、壓為負(fù))

(1)應(yīng)力準(zhǔn)則:若主應(yīng)力 σ2 >0,膜元是張緊的;若σ2 < 0且σ2 > 0,膜元是褶皺的;若σ1 < 0,單元是松弛的。

(2)應(yīng)變準(zhǔn)則:若 ε2 > 0,膜元是張緊的;若ε2 < 0且ε1 > 0,膜元是褶皺的;若ε1< 0,單元是松弛的。在荷載分析中,在每一荷載增量步中對(duì)所有的單元進(jìn)行逐一判別,如發(fā)現(xiàn)褶皺單元,可按以下方法處理:

(1)修改單元?jiǎng)偠龋簻p小褶皺單元對(duì)結(jié)構(gòu)總體剛度的貢獻(xiàn),即修改褶皺單元的剛度矩陣,從而減小自身的實(shí)際荷載分擔(dān),結(jié)果是增加了相臨單元的負(fù)擔(dān)。

(2)修改結(jié)構(gòu)剛度:回到找形階段,對(duì)曲面進(jìn)行修正,即通過(guò)修改局部區(qū)域的邊界條件或調(diào)整預(yù)應(yīng)力的方法來(lái)修正結(jié)構(gòu)的剛度。
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