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设计膜结构汽车棚的步骤及方法分析
- 2021-09-10-

  现代张拉膜结构汽车棚采用多种强度薄膜材料和加强构件,通过边界约束点给膜布施加预应力,使其成型并具有抵抗荷载的能力。膜结构是一种柔性的材料,不存在稳定的无应力状态,也没有平面外的弯曲刚度,只能在施加预应力后,依靠变形曲率抵抗垂直和膜面的外荷载。

  张拉索膜结构车棚设计分析一般分为以下三个步骤∶

  1、确定了初始平衡形状。初始平衡形状的确定也称为找形。索网、薄膜和张拉整体张拉结构的荷载状态分析之前,需要进行一个找形过程。以索膜等柔性材料为主要受力构件的张拉结构不能保持既定的空间形状。为了保持稳定性,须施加预应力,不同的预应力分布及其值决定了不同的形状。建筑师给出的任一形状可能没有与之对应的合理预应力分布,甚至可能无法张拉,找形的目的是找到既符合建筑师轮廓概念,又符合边界条件和机械平衡的空间形状。

  2、荷载分析。初始平衡形状确定以后,膜结构汽车棚在外荷载作用下的变形与应力都要进行验算,风荷载和雪荷载是膜结构的主要外荷载。

  3、裁剪分析。一般的膜结构都是三维不可展的曲面,怎样用二维的膜材拼装形成空间膜结构曲面,称为裁剪分析。

  以上三个步骤,找形分析是基础,荷载分析和裁剪分析是在找形之后才可以进行。除了试验比拟方法,膜结构找形法主有力密度法、动力松弛法以及非线性有限元法。

  力密度法初始是索网结构的一种找形方法,如果将膜离散成等效索网,该方法也可用于膜结构的找形。所谓的力密度是指电缆截面的内力与电缆截面长度的比率。在给定的结构拓扑和边界条件下,力密度法可以将找形问题线性化,避免了坐标初值的确定和其他找形方法面临的收敛问题,将索网或等效膜结构汽车棚视为由节点连接的索段组成,在找形中,边界点是约束点,中间点是自由点。通过指定索截面的力密度,建立并求解节点的平衡方程,得到每个自由节点的坐标,即索网的形状。不同的力密度值对应不同的形状。当形状满足要求时,可由相应的力密度得到相应的预应力分布值。

  动态松弛法是求解非线性系统平衡问题的一种数值方法,有研究人先将该方法应用于索网结构。自20世纪70年代以来,有人已成功开发并将该方法应用于索网和膜结构的找形。动力松弛法的特点是可以从非平衡初始状态得到平衡状态,格外是对柔性结构的找形分析亦是卓有成果。

  虽然力密度法和动力松弛法已成功地应用于张拉膜结构汽车棚的找形分析中,一些商用膜结构软件也采用了上述方法,但有限元法已成为索膜结构较常用的找形方法。如果说膜结构的找形方法选择比较多,那么膜结构荷载的分析则一般采用有限元法,在找形、荷载分析和裁剪分析中采用同样的原理和方法,便于对膜结构设计过程的整体把握和不断的修正。