現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

膜結(jié)構(gòu)在二十世紀(jì)八十年代開始出現(xiàn)在中國(guó)內(nèi)地，最初僅僅借鑒國(guó)外的膜結(jié)構(gòu)技術(shù)建造了規(guī)模不大的挑棚膜結(jié)構(gòu)，隨著膜結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，其優(yōu)異的外觀形狀和自身自潔性收到了廣大人民的喜愛。膜結(jié)構(gòu)開始大規(guī)模出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)，在1997年在上海更是開創(chuàng)性的建造了面積高達(dá)36100平米的體育場(chǎng)挑棚。根據(jù)工況的不同膜結(jié)構(gòu)的種類和形式的選擇也不同。

一、膜結(jié)構(gòu)的類型

依據(jù)膜結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和其結(jié)構(gòu)形式可以將膜結(jié)構(gòu)分為空氣支承式膜結(jié)構(gòu)和張拉式膜結(jié)構(gòu)?？諝庵问侥そY(jié)構(gòu)利用膜內(nèi)外空氣的的壓強(qiáng)差對(duì)膜面施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行支撐。采用空氣支撐式膜結(jié)構(gòu)由于自重輕其跨度可以發(fā)揮到最大?？諝庵问匠Ｒ娪谝恍┐笮偷捏w育場(chǎng)。張拉式膜結(jié)構(gòu)通過剛性桿構(gòu)件和柔性的拉鎖支撐膜面，在對(duì)膜面施加預(yù)張力使膜面具有一定的剛度能抵御外荷載對(duì)它的影響。張拉式膜結(jié)構(gòu)常見于體育場(chǎng)、停車場(chǎng)和飛機(jī)場(chǎng)?？諝庵С惺侥そY(jié)構(gòu)根據(jù)其功能特性又可以分為氣肋式膜結(jié)構(gòu)、氣枕式膜結(jié)構(gòu)和氣承式膜結(jié)構(gòu)。張拉膜結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式又可以分為骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)、索系支撐式膜結(jié)構(gòu)和張拉式膜結(jié)構(gòu)。

二、膜結(jié)構(gòu)的研究

膜結(jié)構(gòu)在世界各地都開始成為主流建筑，隨著膜結(jié)構(gòu)的建筑增多相應(yīng)的，膜結(jié)構(gòu)發(fā)生的事故也越來越多。由于膜結(jié)構(gòu)自重輕、跨度大、剛度小對(duì)外界荷載十分敏感受到風(fēng)/雨/冰雹等沖擊荷載的影響較大，這些荷載作用在膜面上，導(dǎo)致膜面內(nèi)力松弛使膜面發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐哪っ妗Ｒ虼藢?duì)于膜結(jié)構(gòu)的研究是非常重要的。

選擇比較典型的張拉膜結(jié)構(gòu)作為分析，張拉膜結(jié)構(gòu)在受到冰雹沖擊荷載作用下會(huì)發(fā)生非線性振動(dòng)相應(yīng)。首先采用數(shù)值模擬ANSYS軟件建立模型，并對(duì)整個(gè)膜面施加溫度荷載進(jìn)行找形分析，在膜面分析完成后，將張拉膜結(jié)構(gòu)的有限元模型導(dǎo)入到LS-DYNA中模擬冰雹沖擊膜面后發(fā)生的動(dòng)力響應(yīng)。在參數(shù)設(shè)置完成后模擬冰雹沖擊膜面，設(shè)置不同直徑的冰雹沖擊膜面的動(dòng)力響應(yīng)如圖示：

取膜面的一個(gè)微單元并使用拉梅系數(shù)建立膜面微單元。假設(shè)膜面的彎矩為零，則膜面的平衡微分

N12ABdαdβ-N21ABdαdβ=0

其中N12，N21為微單元剪切應(yīng)力N1，N2為微單元應(yīng)力，α，β為經(jīng)線和緯線。ρ為膜材料的密度，h為橫截面的高度，A和B為拉梅系數(shù)。

其中膜面的幾何方程為

協(xié)調(diào)方程為

冰雹在下落過程中達(dá)到的最大末速度：

由上式看出冰雹在下落的過程中由于其直徑的不同所受到的阻尼也不同：

當(dāng)0.5cm≤d≤5.0cm時(shí)，Cd=0.41d0.185；

當(dāng)5.0cm≤d≤7.5cm時(shí)，Cd=0.575-0.0208(d-4)2；

當(dāng)6.4cm≤d≤16.0cm時(shí)，Cd=0.109d0.253。

將求解得到的冰雹荷載帶入到膜結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)方程中解得魔免在冰雹沖擊荷載下的非線性振動(dòng)解。

三、膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

膜結(jié)構(gòu)近幾年越來越受歡迎，20世紀(jì)60年代建筑師從帳篷建筑中找到了靈感。聯(lián)想到了運(yùn)用帳篷的結(jié)構(gòu)形式去修筑建筑。引發(fā)了新的建筑概念。當(dāng)時(shí)一提出就受到了大部分人的關(guān)注和研究，到目前為止膜結(jié)構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用。

1967年奧托為德國(guó)設(shè)計(jì)了世界著名的膜結(jié)構(gòu)建筑，蒙特利爾世博會(huì)的德國(guó)館。其建筑面積高達(dá)8000平方米，使用了8根鋼鐵的桅桿和50厘米直徑鋼纜結(jié)成的索網(wǎng)支撐起半透明的白色滌綸帳篷。世博會(huì)德國(guó)館的建立奠定了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展也引領(lǐng)著膜結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展它時(shí)第一座使用膜結(jié)構(gòu)的大跨度建筑，同時(shí)也標(biāo)志膜結(jié)構(gòu)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。在1972年又建立了Munich奧林匹克中心，該結(jié)構(gòu)的形式與德國(guó)館類似，但是，在該設(shè)計(jì)中解決了柔性索網(wǎng)屋面與3223、3235、3208、3226，平均值：?單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

核查常數(shù)：H=RSD6(定量)±2×s(RSD6(定量))=0.32%±0.10%，

即0.22%≤H≤0.42%(P=95%)。

(二)第二次進(jìn)行核查時(shí)

(三)核查數(shù)據(jù)分析

第二次進(jìn)行核查時(shí)單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：s2=0.38%，其核查結(jié)果處于0.22%≤H≤0.42%區(qū)間之內(nèi)，因此核查結(jié)果處于核查控制區(qū)間范圍，核查結(jié)果滿意[3]。

五、結(jié)束語

檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室通過期間核查實(shí)施分析儀器質(zhì)量控制狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)將超出預(yù)先確定的判據(jù)時(shí)，應(yīng)遵循已有的計(jì)劃采取措施來糾正出現(xiàn)的問題，并防止報(bào)告錯(cuò)誤的結(jié)果。期間核查是實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)可信性、可靠性和可比性的一部份，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出預(yù)先確定的判據(jù)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)采取有計(jì)劃的措施來糾正出現(xiàn)的問題，防止量值溯源失準(zhǔn)，比如從環(huán)境條件控制、人員技術(shù)水平、增加核查次數(shù)等方面進(jìn)行[4]。