膜结构初始形态分析,即找形,是膜结构设计中至关重要的一步,它涉及确定结构的初始曲面形状以及相应的初始预应力分布。以下是对膜结构找形的详细分析:
一、膜结构找形的重要性
膜结构找形是膜结构设计的起始步骤,需要综合考虑建筑的平面、立面要求、建筑功能以及下部支承条件等因素,以确定符合边界条件和力学平衡要求的曲面形状。这一过程打破了传统的“先建筑,后结构”的设计方式,要求建筑师和结构师在方案建议阶段便紧密结合,共同确定建筑物的外形。
二、膜结构找形的原则
在膜结构找形过程中,需要遵循以下原则:
曲面的弯曲特性:曲面的弯曲应在两个方向上互反,形成负高斯曲面。这样的曲面形状有助于膜结构在受风压力和风吸力作用时,两个方向上的膜面能够相互制约,有效传递外荷载。
避免大面积扁平区域:曲面上应避免出现大面积的扁平区域,因为这样的区域自然刚度低,承受竖向荷载的能力弱,容易积水或积雪。为了增加刚度,需要施加非常大的预应力,这可能会导致边界构件受力过大,甚至无法实施。
曲面起伏平缓:曲面上的高低起伏应平缓,避免出现“尖角”。曲率变化过于剧烈会导致应力集中,不利于结构的整体稳定性。
合理确定支承点位置:支承点的位置应合理确定,以保证膜面具有较大的曲率。沿膜主曲率方向的拱高与弦长之比宜大于1:20。
优先选择柔性边缘构件:在条件许可的情况下,应优先选择柔性边缘构件(如索)和活动式连接方法(如桅杆顶部采用浮动式帽圈、节点用铰接连接构造),以适应变形、保证膜内应力尽可能均匀。
增设加强索:对于单片膜跨度超过15米或覆盖面积超过400米的情况,应适当增设加强索以增强结构的整体稳定性。
三、膜结构找形的方法
膜结构找形的方法主要有物理模型法和数值分析法两大类:
物理模型法:利用肥皂膜、橡胶膜等可形成纯张力作用的柔性材料模拟实际膜结构的工作状态。通过调整边缘构件的支承位置和支承方式,获得理想的建筑形状;再通过对模型观测,确定真实结构的形状和内力。这种方法形象直观,便于对边界条件进行调整,但在实际工程设计中应用较少。
数值分析法:包括力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等。这些方法通过计算机模拟和计算,能够精确地求解膜结构的初始平衡状态。其中,非线性有限元法是目前应用最广泛的一种方法,它通过将索膜结构离散成若干单元,应用几何非线性理论建立非线性有限元方程组,通过迭代计算求解膜结构的初始形态和预应力分布。
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