張拉膜結構找形試驗研究及雪荷載下的響應分析方法研究.pdf

1、目前國內完成的張拉膜結構成形試驗屈指可數(shù),其存在的主要問題是膜面應力的測定目前還沒有一套完善的設備。另外,基于膜材費用較高且結構模型的實際構造設計和張拉工藝比較復雜,目前國內采用真實膜材進行試驗研究的更少,且大都尺度偏小,從材料的選用到節(jié)點的設計以及制作安裝都非常的簡易,無法完全模擬實際的施工過程,測試結果與真實膜結構會有偏差。 雪荷載是張拉膜結構的控制荷載,因雪荷載處理不當而導致的工程事故時有發(fā)生。《建筑結構荷載規(guī)范》(GB5

2、0009-2001)中規(guī)定屋面水平投影面上的雪荷載標準值應按屋面積雪分布系數(shù)乘以基本雪壓來計算,而積雪分布系數(shù)僅與屋面坡度相關聯(lián)。影響膜結構雪荷載分布形式的不確定性因素很多,如風、日曬、室內溫度、結構形狀、材料參數(shù)等。因此《膜結構技術規(guī)程》中規(guī)定膜結構工程設計中還應考慮雪荷載不均勻分布產(chǎn)生的不利影響。工程中目前的做法是用僅與膜面坡度有關的積雪分布系數(shù)來體現(xiàn)雪荷載的不均勻分布。顯然這種方法沒有細致體現(xiàn)諸多不確定因素對雪荷載分布的影響。

3、 綜上,本文以法拉利Fluotop T2膜材為材料進行了膜結構的張拉成形試驗,張拉方法完全模擬實際工程,并用可靠度理論的最大熵法處理柔性張拉膜結構雪荷載不均勻分布問題。研究表明： 1.單軸向拉伸試驗說明法拉利Fluotop T2膜材始終為非線性材料,經(jīng)、緯向彈性模量很接近,各向異性不顯著。在2萬個左右微應變范圍內,經(jīng)、緯向的彈性模量隨著材料拉伸應變的變化而發(fā)生非線性變化,模量值隨應變的增大而增大,當應變增大到1萬至1.2萬個

4、微應變時,模量值開始下降。膜材經(jīng)向極限抗拉強度略高于緯向極限抗拉強度,但緯向織物的韌性較經(jīng)向好。在整個拉伸直至破斷過程中,經(jīng)、緯向E-ε曲線的形狀非常相似,始終呈現(xiàn)非線性。在膜材經(jīng)、緯向達到22萬多個微應變時,膜材即將斷裂,此時兩方向彈性模量值較小,且呈快速下降趨勢。膜材在短時間內受荷,沒有表現(xiàn)出徐變性質。 2.試驗模型為-平面尺寸為4m×4m柔性索邊界、四點支承的馬鞍形張拉膜結構。張拉過程采用應力和位移同時控制,即量測模型零狀

5、態(tài)、中間狀態(tài)和張拉成形后狀態(tài)邊索和膜面的應變值及膜面監(jiān)測點的空間坐標。由于氣候寒冷,導致用于測量膜面應變的光纖在試驗過程中斷裂,故本文用解析法求得一定范圍內膜面的平均應變值。在膜面空間坐標(形狀)的比較上,改進力密度法所獲得的膜面形狀與ANSYS方法、解析法十分接近,與試驗值有一定誤差。其中,遠離四根索邊界測點的實測值與理論值更為接近,而靠近邊界測點的實測值與理論值相差較大,這主要由于模型邊緣膜材褶皺、膜與索應力傳遞不均勻及支座的加工誤

6、差造成的；在索應變的比較上,在張拉成形時四根邊索長度與理論值完全相等的前提下,邊索應變的實測值與理論值相接近；在膜面應變的比較上,理論計算時對膜結構裁剪再縫合的成形過程進行了仿真,以期得到的計算應變值更接近實際工程。但由于現(xiàn)有程序無法反應膜材復雜的E-ε關系,故僅按找形試驗膜材工作應變范圍(0～4000με)的中間值也即2000με確定膜材的Ex(經(jīng)向)、Ey(緯向)進行仿真分析。試驗值與理論值對比表明,試驗平均應變值處于仿真計算應變值

7、的區(qū)域內,這一結果是合理的。去除試驗客觀因素的影響,我們通過試驗值與理論值在膜面應變、索應變及膜面空間坐標的比較及與ANSYS法、解析法的比較,說明改進力密度法是正確的,可用于實際工程的膜結構找形分析。 3.采用可靠度理論來處理柔性張拉膜結構雪荷載不均勻分布問題。將雪荷載等效為膜面進行網(wǎng)格劃分后的各節(jié)點荷載。膜結構的雪載一般是均勻施加到膜面上的,但考慮到風吹拂、雪融化等不確定因素,本文設定兩種模型:A.考慮雪團大小不一地遍布滿跨

8、--用滿跨結構范圍內一組均勻分布的隨機數(shù)模擬各節(jié)點雪荷載；B.考慮極端情況：所有雪荷載全部大小不一地堆積在半跨結構--用半跨結構范圍內一組均勻分布的隨機數(shù)模擬各節(jié)點雪荷載。再用最大熵法計算出各節(jié)點位移的概率密度函數(shù),提取各節(jié)點最大概率所對應的位移值；將其與確定性分析得到的相應值作對比分析。結果顯示最大熵法與現(xiàn)行工程設計方法對于雪荷載滿跨布置這一工況的結果是基本一致的,但分析不同材性的結構在承受半跨雪荷載時,確定性方法與最大熵法得到的膜面

9、最大應力之比較小。當膜材各向同性時,比值僅為0.78,說明工程中所用的確定性分析方法對于自重輕、對外荷載敏感的膜結構而言有些偏于不安全。 本文的創(chuàng)新點在于： 1.在張拉成形試驗的理論計算時,對膜結構裁剪再縫合的成形過程進行了仿真,使得得到的計算應變值更能真實反應試驗模型的工作狀況。 2.采用可靠度理論來處理柔性張拉膜結構雪荷載不均勻分布問題。將雪荷載等效為膜面進行網(wǎng)格劃分后的各節(jié)點荷載,再用最大熵法計算出各節(jié)點位