2016-03-18
张拉膜弹性找形密度分析
张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure),是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。在阳光的照射下,膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。此外,在夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。具有膜的表层光滑,具有弹性,大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透,经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性的特点。

张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶,如体育与娱乐性场馆,需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑,使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。同时呢我们还应该注意:踪测试与材料的加载与加速气候变化的试验,证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了20%至30%,但仍可正常使用。

带有张力结构的建筑在进行荷载态的分析之前,都有一个找形的过程。 什么是膜结构找形呢?所谓找形 ,简言之就是找出合理的形体。

传统的结构设计是由建筑师先给出建筑方案,结构师选择合理的结构体系并初步选定构件的截面尺寸,然后才是结构分析和构件设计。需要强调的是,这里讲的是设计而不是计算,设计更多的是从荷载传递途径或者说力流分布角度来考虑的,用时下流行的话说,是“概念设计”;而结构方案确定之后具体到每个构件要用多大的截面﹑配多少钢筋等等,则是计算或者叫计算设计。计算可以由相应的电脑程序来完成,而设计才是工程师的主要工作。

张力结构以索﹑膜等柔性材料为主要受力构件,而索膜本身并不能维持既定的空间形状。要保持稳定,必须施加预应力。不同的预应力分布及其数值,决定不同的形状, 建筑师给出的任一外形,未必有合理的预应力分布与之对应,甚至未必能够张成。

找形的目的,就是找出既满足建筑师的外形构思,又符合边界条件和力学平衡的空间形状。

找形的结果,是得到上述空间形状的三维坐标以及基于该形状的预应力分布值。

由于几何非线性效应,小变形条件下的几何方程和平衡条件不再适用,需要给出大变形下的反应和应力的度量以及平衡方程的表述。

由于膜材本身没有抗弯刚度,在荷载作用下,通过自身形状的改变,达到新的平衡状态,因此,张拉膜结构的分析属于大变形问题。