2018-08-28
膜结构的结构设计与荷载态分析
一、膜结构的结构设计与荷载态分析
1.膜结构上的荷载态及作用
上海展冀膜结构有限公司主要从事张拉膜结构的设计、制作安装及膜结构应用软件的开发。公司拥有一批从事膜结构建筑行业的工程技术及制作安装的高素质人才，也是较早一批获得膜结构设计与承包资质的膜结构工程公司。公司设计使用国际先进的膜结构建筑膜，荷载分析，裁剪及结构设计软件。拥有两千多平米的热合车间两个，采用进口膜材并全套引用国外先进的膜材裁剪及焊接生产线，是国内较早具有PTFE、PVDF和ETFE等膜结构工程设计、制作和安装能力的膜结构公司。
2首先在进行膜结构的荷载态响应分析时，需考虑以下作用及荷载：活荷载、雪荷载、风作用、预张力、恒荷载、支承及边界构件的变形、地震作用以及温度变化的影响等。
3其次由于膜结构表面一般不允许上人，检修、清洗也是由专业膜结构公司来负责，实际工程设计中，一般不考虑活荷载。在非降雪的地区，习惯上用 0.25 或 0.30 kN/m 2 的竖向荷载来检查膜面是否会因降雨而产生积水；即检查在此荷载作用下，变形后膜面的等高线有无近似的圆形区域出现。
4风作用或者按习惯说法风荷载是膜结构设计中的主要荷载。风对积雪形式的影响也需要加以注意。研究表明，低温条件下当风速达到 15～20m/s 时，膜面几乎不存在积雪；但如果膜面存在“死角”，则在这些部位极易形成较深的积雪。另外，对于某些低矢跨比的膜结构，积雪的作用会导致结构表面趋于平坦，甚至在局部出现下凹，必须小心对待。在降雪地区，积雪对膜结构的影响是不容忽视的。由于膜结构多呈负高斯曲率曲面形式，结构上的雪荷载一般为非均匀分布；在计算雪荷载时需根据不同曲面形状、曲率变化来调整雪荷载的分布，以考虑雪荷载不均匀分布可能产生的不利影响。当膜面坡度大于 0.4 时，落雪一般会自动滑下而不产生堆积。
预张力是膜面维持其曲面形状并承受其它荷载的前提。预张力的分布及大小与膜面的形状有关，由找形确定。在作内力分析时，预张力参与所有荷载组合。
二. 风荷载与风洞试验
1 膜结构抗风设计的重要性近年来，一些大型膜结构在强风作用下破坏的实例，也从另一个侧面证明了抗风设计的重要性。比如，美国佐治亚穹顶在建成几年后，于 1995 年的一次大雨强风袭击下，五片薄膜被撕裂，撕裂长度达20余米；
膜结构与传统建筑结构的两个显著特点是轻和柔。轻，意味着结构自身的惯性力很小，地震作用下的影响基本可以忽略不计，相对比较下风对膜结构的影响更为重要；柔，意味着弯曲刚度很低，膜结构对外荷载的抵抗主要通过自身形状的改变来实现，即膜结构在荷载作用下会产生非常大的变形，表现出明显弯曲线性特征。这些特点决定了膜结构是风敏感结构，抗风设计是膜结构的设计中首要考虑的因素。
2 膜结构抗风参数的确定
由于膜结构的形体各异以及相关理论研究的滞后，目前在膜结构的体型系数和风振系数确定方面还没有一种普遍适用的方法。由于膜结构的响应与荷载呈非线性关系，因此定义荷载风振系数在理论上并不完善，应该确定基于响应的风振系数。对于复杂体型的大、中型膜结构，需借助风洞试验来确定相应设计参数。
3 膜结构风洞试验
所谓风洞试验，就是将建筑物的缩尺模型置于一个特殊设计的管道内，用动力设备产生与实际情况近似的可控制的气流，并借助一定的测量仪器，获得所需的气动力信息。
膜结构风荷载的确定包含对膜结构表面风压分布的预测，或是风载体型系数的确定，以及对结构在脉动风荷载作用下的动态响应的预测，或是风振系数的确定两部分。尽管风洞试验具有费用高、周期长、某些相似数无法准确模拟等缺点，但它仍然是目前研究钝体绕流的主要方法。目前的风洞测压试验技术已比较成熟，借助大气边界层风洞，通过对刚性模型表面动态风压的测量，所获得的结果，可以基本满足结构设计的要求。由于膜结构在荷载作用下的位移较大，结构位形的变化必然会对其周围风场产生影响，从而改变其表面的风压分布。所以膜结构的风致动力响应过程是一个典型的流固耦合（风与结构相互作用）过程。对这一动力过程的风洞试验模拟必须采用气动弹性模型。气动弹性模型试验涉及到大量的相似参数和复杂的观测技术，技术难度大，目前国内外在这方面都还处于研究阶段。
随着计算机有限元技术的发展，一种将计算流体力学和计算结构力学结合起来，用计算流体力学来模拟结构周围的风场、用计算结构力学来模拟膜结构，再借助某些参数的传递来实现两者之间的耦合作用的所谓“数值风洞”技术受到了越来越多的重视。从理论上讲，这种方法具有较强的准确度和广泛的适应
性。在实际操作上，还有很多技术问题有待于进一步探讨。
三、计算方法与分析软件
1这主要表现在：①膜不具有弯曲刚度，结构对外荷载的抵抗是通过改变自身形状来实现的；当作用于膜面上的荷载发生变化时，结构除产生弹性变形外还会产生较大的机构性位移，因此变形比较明显；②膜结构属于动不定体系，其结构刚度主要是由初始预张力和互反曲面来提供的，结构刚度与变形相关，表现出明显的几何非线性特点；③膜结构的自振频率较低，且振型频谱密集、相互耦合。这些力学特性决定了膜结构的计算分析具有不同于一般结构的特点，一些通用的工程设计软件无法直接用于膜结构的设计，必须采用专用的分析软件。2由于膜结构的求解问题具有小应变、大变形的特点，因此在推导有限元方程时需考虑位移高阶项对应变的影响，亦即考虑几何刚度的影响。并受时间的影响；由于设计中所采用的预张力及工作应力远小于膜材的抗拉强度，在设计应力范围内，可近似认为膜材是在线弹性范围内工作。计算中经纬向采用各自相应的弹性常数。
3与支撑结构的互助，膜材自重较轻，地震对膜结构的影响较小，故一般可不考虑索、膜构件的地震作用。当下部支承结构在地震作用下有可能产生较大变形时，在膜结构设计中就必须考虑这一因素的影响。将膜与下部支承体系一起进行协同计算，有利于对膜结构进行抗震分析。
4. 膜结构褶皱的处理问题
褶皱是指膜材在单向拉应力状态下出现的平面外变形。膜面的褶皱可分为两种：一种是因膜面在一个方向上张力消失导致膜材松弛而产生，称之为结构褶皱；另一种是因膜材生产过程缺陷、热合不当或包装折叠不当而产生，称之为材料褶皱。结构褶皱是临时的，会随膜面重新受拉而消失，而材料褶皱是永久的。通常所说的褶皱是指前者，即结构褶皱。
褶皱对膜结构的影响不仅体现在视觉效果上，对结构性能的影响也是不可忽视的。褶皱的出现将导致膜面预张力的重分布，从而使得膜面某些区域的应力低于设计值，而另一些区域的应力高于设计值。当膜面应力低于设计值时，将导致结构局部刚度降低，易产生微风振动；当膜面应力高于设计值时，将导致膜材产生较大的应变和徐变，甚至发生膜材局部撕裂。此外褶皱还会影响结构的美观和排水性能；因此应尽量避免膜材在正常使用状态（长期荷载组合）下出现褶皱。
对于第三种情况--单向受拉，可认为将出现褶皱。计算时可采用修改褶皱单元刚度矩阵的方法来减小或忽略褶皱单元对整体刚度矩阵的贡献。如果结构在荷载作用下产生较多褶皱，说明结构的刚度不足，找形得到的曲面存在“病态”。此时应回到找形阶段，对曲面进行修正，即通过修改局部区域的边界条件或
调整预张力的方法来修正结构的刚度。
刚度方面：主要是针对受荷状态而言，即受荷时是否因张力消失而出现褶皱，是否在风雪荷载下出现过大的变形。
应力方面：主要是看是否有应力集中现象；应力分区不宜太多，相邻应力分区的应力值相差不宜太大。
四、总述
本文重点对膜结构荷载态分析中的一些主要问题进行了探讨研究，包括荷载取值、风荷载的确定方法；荷载态分析的方法及需要注意的一些问题；常见的膜结构分析软件等。事实上，膜结构建筑与传统结构的分析一样，设计人员对计算结果的分析与评判，往往比计算分析本身更为重要。（上海展冀膜结构提供）
