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園林景觀膜結(jié)構(gòu)設計的荷載分析

發(fā)布時間：3/9/2015 4:38:51 PM瀏覽次數(shù)：2814
　　園林景觀膜結(jié)構(gòu)設計的荷載分析

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力分布的基礎上進行的，檢查結(jié)構(gòu)在各種荷載組合下的強度、剛度是否滿足預定要求的過程。

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，單元與單元通過結(jié)點相連，外荷載作用在結(jié)點上，通過建立結(jié)點的平衡方程，獲得求解。

由于索膜結(jié)構(gòu)是大變形問題，在推導有限元方程時，需考慮位移高階項對應變的影響，即考慮幾何非線性。當然，膜材本身也是非線性的，在工程應用上時，材料的非線性問題一般不予考慮。

2 風荷載作用

膜結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個顯著特點是輕和柔。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，而風是主要荷載；柔，意味著結(jié)構(gòu)無抗彎剛度，結(jié)構(gòu)對外荷載的抵抗是通過形狀改變來實現(xiàn)的，表現(xiàn)出幾何非線性特征。膜結(jié)構(gòu)的特點決定了膜結(jié)構(gòu)是風敏感結(jié)構(gòu)，抗風設計在膜結(jié)構(gòu)設計中處于主要地位。

膜結(jié)構(gòu)輕、柔、飄的顯著特點決定了膜結(jié)構(gòu)抗風計算的內(nèi)容也有自身特點。

（1）靜風壓體型系數(shù)的確定

風荷載體型系數(shù)是描述風壓在結(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)范直接獲得風壓體型系數(shù)。所以，較大的膜結(jié)構(gòu)基本都要求進行風洞試驗，以獲得比較正確的膜結(jié)構(gòu)的局部風壓凈壓系數(shù)和平均風載體形系數(shù)。由于風洞試驗要滿足一系列的相似準則，如幾何相似、雷諾數(shù)相似等，通常要完全滿足這些相似條件是不可能的，因此風洞模擬實驗結(jié)果有時會超過實測值很多。

（2）脈動風壓系數(shù)的確定

膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移較大，結(jié)構(gòu)位形的變化會對其周圍風場產(chǎn)生影響，所以膜結(jié)構(gòu)的風動力響應過程是流固耦合過程。這種動力過程的風洞試驗必須采用氣動彈性模型，因此實現(xiàn)起來技術(shù)難度較大。近年來發(fā)展的“數(shù)值風洞”技術(shù)受到越來越多的重視。這種技術(shù)簡單的說就是將計算流體力學（CFD）和計算結(jié)構(gòu)力學（CSD）技術(shù)結(jié)合起來，用計算流體力學來模擬結(jié)構(gòu)周圍的風場，用計算結(jié)構(gòu)力學來模擬膜結(jié)構(gòu)，再借助某些參數(shù)的傳遞來實現(xiàn)兩者之間的耦合作用，不過，該方法還處試驗階段。

（3）風振動力分析

風力可分成平均風和脈動風兩部分。平均風的周期較長，其對結(jié)構(gòu)的作用性質(zhì)相當于靜力。脈動風的周期較短，其對結(jié)構(gòu)的作用為動力性質(zhì)。當結(jié)構(gòu)的剛度較小，自振頻率較低時，在脈動風荷載的作用下可能產(chǎn)生較大的變形和振動，所以在設計索膜這類小剛度結(jié)構(gòu)時，應進行風振動力計算。索膜結(jié)構(gòu)具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應不可忽略等特點，針對高層和橋梁結(jié)構(gòu)的風振分析方法不能直接應用。索膜結(jié)構(gòu)的響應與荷載呈非線性關(guān)系，對于索膜結(jié)構(gòu)定義荷載風振系數(shù)或陣風系數(shù)在理論上也是不正確的。

（4）空氣動力失穩(wěn)

膜結(jié)構(gòu)是風敏感結(jié)構(gòu)，存在空氣動力失穩(wěn)（Aerodynamic Instability）的問題。從本質(zhì)上看，結(jié)構(gòu)空氣彈失穩(wěn)是由于結(jié)構(gòu)在振動過程中從與氣流的振型耦合中吸收能量，當吸收能量大于耗散能量時，就會產(chǎn)生能量累積，當這種能量累積達到某一閥值（臨界風速）后，結(jié)構(gòu)就會從一種低能量（穩(wěn)定）的振動形式躍遷到另一種高能量（不穩(wěn)定）的振動形式上去。所以，膜結(jié)構(gòu)存在設計風速作用下的動力失穩(wěn)問題，幸運的是至今還沒有這方面破壞的膜結(jié)構(gòu)實例。

3膜面褶皺問題

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

（1）應力準則：若主應力 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）應變準則：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所有的單元進行逐一判別，如發(fā)現(xiàn)褶皺單元，可按以下方法處理：

（1）修改單元剛度：減小褶皺單元對結(jié)構(gòu)總體剛度的貢獻，即修改褶皺單元的剛度矩陣，從而減小自身的實際荷載分擔，結(jié)果是增加了相臨單元的負擔。

（2）修改結(jié)構(gòu)剛度：回到找形階段，對曲面進行修正，即通過修改局部區(qū)域的邊界條件或調(diào)整預應力的方法來修正結(jié)構(gòu)的剛度。
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