張拉式膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的研究.pdf

1、薄膜結(jié)構(gòu)是二十世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結(jié)構(gòu)，是空間結(jié)構(gòu)形式中的典型代表，其設(shè)計(jì)內(nèi)容和分析方法要比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多。薄膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析是薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。盡管國內(nèi)外對(duì)這一環(huán)節(jié)的研究已趨于成熟，但多數(shù)研究只停留在設(shè)計(jì)層面，而對(duì)與設(shè)計(jì)息息相關(guān)的施工問題研究甚少。本文就以張拉式膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工為主線，研究了張拉式膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)分析、荷載分析、裁剪分析和施工分析的方法，編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，并用本文方法和程序?qū)埨侥?/p>

2、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較深入的分析，在設(shè)計(jì)中考慮施工問題，力求做到設(shè)計(jì)與施工的一體化研究。
　　建筑膜材多采用織物膜材?？椢锬げ木哂姓划愋?，而且只能受拉，不能承受壓力和彎矩，即具有材料非線性；張拉式膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下具有大變形和小應(yīng)變的特性，即幾何非線性，因此本文以非線性有限元理論為基礎(chǔ)，采用膜單元、索單元和桿單元，對(duì)張拉式膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性分析，其中非線性數(shù)值解法采用牛頓迭代法。本文總結(jié)了膜片初始形態(tài)分析的分析方法，并最終采用了小彈性模量

3、的自平衡迭代初始形態(tài)分析法，其本質(zhì)是先利用支座位移法進(jìn)行初步初始形態(tài)分析，然后利用近似曲面逼近法進(jìn)行精確初始形態(tài)分析。在已知等應(yīng)力曲面的膜片中索矢跨比的條件下，推導(dǎo)了膜片中索初始預(yù)張力的顯式公式。
　　本文編制了索桿體系的找力分析程序；利用索桿體系的找力分析方法，結(jié)合膜片的初始形態(tài)分析方法，提出了形態(tài)迭代求解法，此方法可進(jìn)行索桿膜空間結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同初始形態(tài)分析，編制了相應(yīng)的程序；在程序中，通過迭代求解，消除了由膜預(yù)應(yīng)力作用所產(chǎn)生的

4、誤差。本文提出的形態(tài)迭代求解法可以很好地完成索桿膜空間結(jié)構(gòu)體系的初始形態(tài)分析，初始形態(tài)分析結(jié)果不但可以滿足膜片邊界條件、使膜預(yù)應(yīng)力分布接近理論假設(shè)值而且還可以給出指導(dǎo)施工的索張力值，為施工帶來了便利，真正做到了設(shè)計(jì)與施工的一體化。本文還對(duì)在已知施工測(cè)量數(shù)據(jù)的條件下如何驗(yàn)算膜內(nèi)力進(jìn)行了分析，給出了算法并編制了相應(yīng)的程序。
　　荷載分析采用非線性有限元法。利用溫度荷載，提出了施工成形態(tài)分析方法，指出在初始形態(tài)分析結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行施工成形態(tài)

5、的分析，然后再進(jìn)行荷載分析。
　　利用索桿系統(tǒng)確定了裁剪線的初始位置；利用施工成形態(tài)中的反分析思想進(jìn)行了膜片預(yù)應(yīng)力地釋放，并提出了確定無預(yù)應(yīng)力膜片裁剪線的思想，為裁剪下料提供了可靠的依據(jù)。
　　本文針對(duì)索膜之間的相對(duì)滑動(dòng)問題，提出了一種由線彈性模型和非線性滑移剛度模型所建立的新的無摩擦滑移索單元，從而較好地解決了索在膜套中（或在膜表面上）無摩擦滑移的問題；由于索膜之間存在摩擦力，本文最后根據(jù)材料力學(xué)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系推導(dǎo)了索元