骨架支承式膜结构设计与分析

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:vicky 点击次数:111
论文字数:45255 论文编号:sb2021041313170735166 日期:2021-04-25 来源:硕博论文网
本文以一个较为规则的且相对平整的骨架支承式膜结构为研究背景,对其进行找形与荷载分析。利用 3D3S 软件,对膜面施加初始预张力进行找形分析。在找形分析的基础上,施加荷载,进行受力分析。根据《膜结构技术规程》中的相关要求,计算包括风、雪荷载在内的各种荷载组合下膜面应力、位移;研究不同参数对骨架膜结构性能的影响,讨论初始预张力、张拉刚度以及膜材正交异性在荷载作用下的荷载-应力曲线,荷载-位移曲线。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
随着当今膜材的开发与应用,膜结构在我国迅速的发展起来。膜结构由膜材与加强构件(钢框架、钢柱或钢索)通过施加一定的初始预张力,形成能承受外荷载的稳定空间形状[1]。而与其它结构形式相比,膜结构可塑造自由的外形,经济效益高、缩短工期、降低能耗、建筑空间大、具有良好的阻燃性和自洁性[2]。而且该结构体系抗震性能较好,适合强震区。2000 年以后,便开始广泛应用于各类大型体育馆、商场、公共交通服务中心等大跨度建筑中。
由于膜材为柔性材料,不能承受弯矩、剪力和压力,其承载能力需靠初始预张力来提供,也就是所谓的初始形态分析[3]。因此,对于膜结构来说,初始形态分析极为重要,是设计中务必确保的核心与关键。
薄膜对负载非常敏感,当受到外部载荷时,膜材会产生竖向变形,表面张力较大。若变形较大,结构可能破坏。对于大跨度轻质膜结构来说,大变形会降低膜外表面光洁度,降低力学性能;此外,褶皱导致膜的刚度发生变化,对结构影响较大。为保障工程质量,延长结构使用年限,避免过早毁坏以及减少事故等,探究该结构的受力性能,让设计人员对这类结构更加了解,以便在设计时考虑这些特性。由此可见,研究该结构形式的力学特性,是发展建筑膜结构的一个重要环节。因此,为了更好地将膜结构应用于工程实践中,本文将结合某实际工程,通过有限元软件深入研究骨架支承式膜结构初始形态和力学性能,为今后实际工程提供理论参考价值。
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1.2 国内外研究现状及发展动态
1.2.1 国内研究现状及发展动态
最近十几年膜结构在我国快速发展。当前我国膜结构在膜材、结构设计与分析、裁剪安装等相关的技术上进行研究与开发[4-12]。
自 1990 年北京调研组赴国外考察索膜结构体系在大型体育馆建筑中的应用后,膜结构逐渐走进国人视线。天津大学吴建生教授带领着国内的一些研究人员较早展开了薄膜结构的研究。另外,同济大学开发了膜结构设计软件 3D3S,并应用到实际工程中。中国钢结构协会组织编制了《膜结构技术规程》(下文将简化写成《膜规程》)CECS158:2015[13]。
相比国外,我国膜结构在设计方面起步较晚。但近几十年由于 2008 年奥运会、2010 世博会等全国性大型活动在我国举行,以及经济的快速发展,膜结构在我国迅速发展起来。
我国最早的大型膜结构项目是上海八万人体育场(图 1-1),总面积为 2.89万 m2,共 8 万个座位,是当时世界上最大的悬臂钢桁架结构[14]。该工程将桁架作为支承结构,屋顶覆盖 PTFE 膜材,用来遮阳、挡雨和抗风,彰显大型体育场独特的建筑艺术形象。整个看台西高东低,高低落差悬殊。
图 1-1 上海体育场图
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第 2 章 膜结构简介

2.1 膜结构分类及优缺点
2.1.1 膜结构分类
膜结构的特征是膜材在构造和使用过程中受到一定的张力。根据建筑造型需要和支承条件,膜结构主要分成以下四类[39-40]。
(1)整体张拉式膜结构
利用桅杆提供支承,周围布置锚固点,将薄膜与钢索悬挂张拉,使结构稳固。这种结构通常呈负高斯曲面形式,膜材为主要受力构件,和索共同承担外荷载,见图 2-1。
(2)骨架支承式膜结构
将刚性结构作为承重骨架,上面张紧薄膜材料,向膜施加初始预张力,使膜材获得一定刚度。该结构结合两种材料的特性,并利用了膜材的自然光照和应力均布的优点,具有很高的经济效益。骨架结构体系可以是各类大跨空间结构,如网架、网壳等,该类型结构是钢骨架作为承重结构,而膜材为覆盖材料起维护作用,见图 2-2。
(3)索系支承式膜结构
将膜材和索系结构结合,将索系作为承重结构,膜材张紧布置在索系上,膜材与索杆一起承受外荷载。最常见的有索穹顶膜结构,图 2-3 所示。
(4)空气支承式膜结构
膜材作为表面覆盖材料,通过空气使内部形成压力差,利用压力差来使结构稳定。具体结构形式有气承式、气枕式和气肋式。
气承式由单层膜组成,通过向结构内部吹空气,使膜材向上拱起,同时产生预应力使结构具有一定的刚度,见图 2-4。也可通过增设钢索提高结构抵抗外荷载能力。而气枕式和气肋式均是向封闭的单个膜构件内部充气,使内部气压维持形状,然后多个膜构件进行组合。
骨架支承式膜结构设计与分析
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2.2 膜材的结构、分类及特性
2.2.1 膜材的结构
膜材是膜结构的重要部分,具有高强度、重量轻和厚度小等优点,相当于钢材和混凝土的作用。膜材被称为“第五代建筑材料”。主要分为织物类和热塑性化合物两类[41]。
常用的织物膜材通常是由聚合物涂层和高强织物基材组成的[25],其结构如图2-5、图 2-6 所示。织物基材由不同织物纤维编织而成,一般呈网格状。涂层附在基材上,对基材起保护作用,涂层可以是单层或多层、单面或双面,通常选择高分子树脂和织物纤维纺织材料基体制成,且织物强度受纤维基本强度直接影响。使用胶粘剂将各涂层、纤维基布之间胶合,或采用热浸涂的方式把涂层附在基材上[27]。

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第 3 章 膜结构分析基本理论及软件介绍.................................17
3.1 膜面变形理论..........................17
3.1.1 小挠度理论下的膜面变形...................................17
3.1.2 荷载下膜面大变形...........................17
第 4 章 膜结构找形分析...............................29
4.1 工程概况................................29
4.2 找形方法......................30
第 5 章 膜结构荷载分析.................................41
5.1 荷载作用下膜结构可能失效形式.....................41
5.2 膜结构设计方法..............41

第 5 章 膜结构荷载分析

5.1 荷载作用下膜结构可能失效形式
由于膜材的特殊性,实际工程中可能会出现以下几种失效形式[54-55]:
(1)荷载分布不均造成结构倾覆;(2)因膜材、钢构件连接位置强度未达标,造成膜面开裂;(3)膜面荷载局部聚积,引起明显变形,引起经、纬向应力超出抗拉强度,造成结构损伤;(4)由于撕裂导致的破坏。
上述失效形式都源于强度破坏,因此膜材抗拉、撕裂强度、结构稳定性都应满足规程要求。
膜结构设计理论有极限状态或容许应力两种。前者表示不同设计荷载组合、标准荷载组合下,结构应当分别符合强度设计、变形要求。后者表示荷载下应力不大于材料屈服应力某一百分比。本节将基于上述两种理论,采用中国、日本、德国三种设计方法对骨架膜结构进行荷载分析。
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结论与展望

结论
本文以一个较为规则的且相对平整的骨架支承式膜结构为研究背景,对其进行找形与荷载分析。利用 3D3S 软件,对膜面施加初始预张力进行找形分析。在找形分析的基础上,施加荷载,进行受力分析。根据《膜结构技术规程》中的相关要求,计算包括风、雪荷载在内的各种荷载组合下膜面应力、位移;研究不同参数对骨架膜结构性能的影响,讨论初始预张力、张拉刚度以及膜材正交异性在荷载作用下的荷载-应力曲线,荷载-位移曲线。通过上述研究工作得到以下结论:
(1)随着初始预张力的不断增大,找形后膜面应力逐渐增大,而膜面位移变化很小。说明在找形分析时,预张力的改变主要影响找形后的膜面应力,对膜面变形影响很小,因此在本工程及其类似相关工程中可忽略预张力对膜面变形的影响。
(2)预张力一定时,若弹性模量相同而膜材厚度不同,找形后的膜面应力随张拉刚度的增大逐渐减小;若膜材厚度相同而弹性模量不同,膜面应力随张拉刚度的增大逐渐增大。因此,进行实际工程设计分析时,需综合考虑膜材厚度和弹性模量,来选取合适的张拉刚度,避免膜面应力过小出现应力松弛。无论是弹性模量相同膜材厚度不同还是膜材厚度相同而弹性模量不同,其张拉刚度变化对找形后膜面变形影响均非常小,本工程及其类似相关工程中可忽略张拉刚度对膜面变形的影响。
(3)在找形基础上,采用非线性有限元方法,根据中国、德国、日本不同设计方法,进行荷载组合分析,计算和校核各种方法荷载组合下膜面应力、位移。发现在风荷载、雪荷载参与设计时,膜面应力、位移较大。
(4)对比中国、德国、日本设计方法可知,均满足承载力要求,但所求安全因子有所差异。我国设计方法与日本设计方法相比,偏安全;与德国设计方法相比,在风荷载组合下,采用我国设计方法偏安全,在雪荷载下,采用德国设计方法偏安全。
参考文献(略)

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