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风载下充气膜与索的接触分析
- 2020-12-30-

  充气膜结构在风荷载的作用下,防止过大变形甚至破坏的方法主要有增加内压、施加拉索。将风荷载等效为静力荷载施加到具有初始形态的膜面上进行计算,并分别考虑索膜结构受风向、风速、内压及摩擦系数的影响。

  一、风向:

  将风速24.5m/的风荷载作用在施加X向一道拉索、500Pa内压的气承式充气膜结构上,考虑风向改变(沿Z轴负向与拉索垂直夹角90°、沿X轴负向与拉索平行夹角0°、沿XZ角平分线负方向与拉索夹角45°)的影响。拉索轴向应力均为正,不会出现松弛、退出工作的状况。风向0°时,拉索应力越小,迎风面接触法向应力为负,这体现了拉索随膜面变形的一致性,而且该拉索段接触摩擦应力(即切向接触应力)接近零,滑动量较大,背风面拉索伴随膜的变形同样较大,整体大致呈M形;风向90°时,拉索应力相对凸出且分布很有规律,球冠顶位置拉索段应力较大,两边逐渐降低,呈对称分布,相应接触法向应力较大,摩擦应力中间拉索段较小,两端凸出,索移动量较小;风向45°时,背风面拉索段应力较大,而接触法向应力较小,摩擦应力相对较小,迎风面拉索段滑移量相对较大。膜结构施加拉索受风向改变影响显明,越不利风向的确定在膜结构索的布置设计中提供参考。

  二、风速:

  考虑风速变化的影响,将风速分别取17.0m/、24.5m/s、35.0m/s,沿Z轴负方向(与拉索夹角90°),作用在施加X向一道拉索、500Pa内压的气承式充气膜结构上,拉索轴向应力以及接触法向应力随风速增加变化相当显明,摩擦应力整体上随风速增加,但部分拉索段的变化幅度较大,球冠顶位置拉索段中部滑动量相当小,两端较大,且风速增加到某一程度时,对滑动量改变影响不显明。大风工况下拉索与膜面之间的接触作用不可小觑,应综合地区风载考虑索的施加,防止大风工况下膜面掀开、膜材的撕扯等,验证了索施加对结构的整体稳定性的加强。

  三、内压:

  风速24.5m/、沿Z轴负方向(与拉索夹角90°),作用在施加X向一道拉索的气承式充气膜结构上,在内压分别取400Pa、500Pa、600Pa三种工况下进行计算,得出,索轴向应力随内压增加有所降低,大致呈倒V形,接触法向应力变化微小,从摩擦应力和滑移量的变化可以看出,内压在一些范围时,其对摩擦应力及滑移量影响较大。另外,通过内压的增加,膜面较大位移从618mm下降到507mm。因此,合理的内压对膜结构的形态及抵御外荷载作用相当重要。