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跟着国际工业的开展和计算技术的进步,膜结构从暂时修建逐渐迈入持久修建的队伍,成为充满活力的一种新型大跨空间结构系统。膜结构因为其轻质高强、外型新颖、施工简便、良好的抗震性和自洁性等优点受到了工程师们的喜爱,得到了广泛的应用和飞速开展,所建成的一些修建已成为当今现代化都市的重要标志。但以膜结构为代表的柔性空间结构系统,跨度大、质量轻、阻尼小、自振频率低,对风荷载格外灵敏,而如今对膜结构的抗风规划理论研讨还不充分,许多方面尚无相应规划规范可依,格外是涉及到品格损坏机理和防制的一些疑问至今没有构成一套老练的处理思路。因此对该类工程品格损坏机理研讨是一项紧迫而又艰巨的挑战。

2膜结构的应用和分类

膜结构的呈现可以追溯到游牧民族运用的帐子,其特性与现代膜结构极为相似,只是受资料约束,其规模较小,耐久性差。最早的、真正意义上的现代膜结构系统,可以认为是1967年Frei Otto为加拿大蒙特利尔展览会规划的德国大帐子(图1),它通过支撑在不同高度桅杆上的预应力双曲钢索网覆盖了大片平面,以轻质透明有机织物片作为围护结构衔接于索网下。从上个世纪70年代以来,中国一些科研、规划单位与高等学校开始对膜结构进行研讨,一些关键技术如膜结构的找形剖析、荷载剖析、裁剪剖析等方面的研讨获得了必定的发展。1995年建成的北京房山游泳馆与鞍山农委游泳馆是中国首次正式应用于工程的空气支撑膜结构,标志着中国开始了膜结构工程的建设。1997年通过引入国外膜结构技术建成了上海八万人体育场看台挑棚(图2),促进了中国膜结构的开展。如今,该结构已广泛应用于体育馆、商场、大面积温室、公共修建等土木修建中。

膜结构按其结构方式可分为三种类型:充气式膜结构、骨架式膜结构和张拉式膜结构。其间充气式膜结构又可分为气承式膜结构和气胀式膜结构。

气承式膜结构(图3)是向气密性好的膜材所覆盖的空间内写入空气,利用内外空气压力差给膜以压力,使得结构具有必定的刚度来接受外部荷载效果。为了坚持气压差,一般需要长期不间断的能源供应。气胀式膜结构(图4)是将膜材本身做成封闭体,向其间写入高压力的空气(3~7个大气压)使膜材发生张力,写入空气的压力要比气承式膜结构大得多。

骨架式膜结构(图5)是以膜材绷紧在刚性骨架(网壳、拱架等)上的结构,刚性骨架是膜结构系统主要的承力构件,作为覆面资料的膜材则是部分范围内的承力单元。骨架为自平衡系统,在整个膜结构系统中是主承力构件,膜体为辅助承力构件,膜体本身强大的结构效果发扬不够。

张拉式膜结构(图6)是依托膜的张力与支撑杆和拉锁一起效果构成的结构系统,其构成机制与预应力索网类似,呈负高斯曲率的曲面形状,张紧在柔性或刚性的边际构件上,还可以利用桅杆或立柱供给独立的吊点或支点。这种膜结构要通过张拉手段在结构内建立必定预应力,使之具有必要的刚度。

3膜结构的品格损坏工程实例及剖析

通过近十几年的研讨,一些涉及到膜结构工程规划中的基本疑问都己得到较好处理。可是膜结构的跨度大、质量轻、阻尼小、自振频率低,对风荷载格外灵敏,而在膜结构的抗风规划理论研讨方面却一直发展缓慢,格外是涉及到风荷载的动力效应、品格内压等疑问时,至今没有构成一套老练的处理思路。加之有的工程因为规划、制造、安装不当给结构留下了安全隐患。迄今,国内外已呈现多起膜结构在风荷载效果下损坏的实例。

3.1强风效果下膜材撕裂

膜结构在强风效果下呈现膜材撕裂的现象时有发生,日本的出云穹顶和云母穹顶屡遭强风损坏;美国的佐治亚穹顶在1995年的一次强风大雨突击下,四片薄膜被撕裂,撕裂长度达10余米;2005年飓风达维在中国海南省登陆,造成三亚市的标志性修建“美丽之冠”顶部膜材严峻撕裂(图7)。该类损坏的原因有以下几点:

(1)膜面过于扁平或预张力不足,或因膜材徐变松懈后未及时二次张拉,致使膜面全体刚度很低,在强风效果下呈现大幅度的摇摆,致使膜材被撕裂或在摇摆进程中撞击其他物件而损坏。

(2)衔接部位的松动或掉落,或因节点规划不合理、不恰当而约束节点的滚动自由度,也可造成膜材在强风效果下被撕裂。

3.2风力效果下门窗被翻开或许损坏

1999年9月,日本熊本穹顶在飓风中因为旋转门被风冲开,致使上拉索和节点板破断,内外膜面撕裂损坏。

这一损坏的原因与品格内压有很大的关系,俄然开孔(窗户在劲风中俄然受损或门在劲风中俄然被吹开的刹那间)会造成初期瞬时脉动风压的激剧增加。脉动风压衰减进程的机理比较复杂,会否引起薄膜结构共振取决于多种因素,与来流风速、开孔位置与巨细、修建物内部形状以及薄膜结构屋面自振频率等参数有关。

3.3品格残片或其他物体将膜割破或许砸破

日本熊本穹顶在飓风中损坏的另一原因是窗户被吹破后玻璃碎片将膜材割破,别的国内也呈现了不少膜结构因为灯具,装饰物,悬挂物等物品在劲风状况下坠落而砸破膜面的状况。详细原因有如下几点:

(1)膜材虽有较高的抗拉强度,足以接受径向、纬向所受的张力,但其抗撕裂强度仅为抗拉强度的1/8至1/7。

(2)部分膜材被损坏后,造成了其余膜片受力不均,进而发生损坏。

(3)该类损坏状况相同造成了俄然开孔,致使了结构内压的变化。

3.4鸿沟处损坏造成的结构损坏

国内某膜结构工程在2008年的一场劲风中因为衔接件开裂造成了角部膜材撕裂(图8),这一损坏状况与规划师对鸿沟位置处衔接件强度思考不周有关。此外,在一些膜结构工程中因为膜材在鸿沟处与铁件(索、衔接件等)发生微振摩损,磨损后膜材的强度降低,结尾造成了结构的损坏。

4膜结构品格损坏原因

4.1空气效果力的复杂性

结构绕流特性复杂,膜结构又多为复杂的三维空间曲面,对膜结构外表绕流特性的确定格外是涉及到风荷载的脉动特性时异常复杂。此外,因为膜结构沿水平方向的跨度一般远大于结构高度,因此结构外表的风压散布不但与来流的脉动特性有关,还会更多的受到结构本身特征湍流(即因为结构形状影响所发生的漩涡掉落、别离和再附等现象)的影响,这就使得膜结构的风振剖析很难像高层和桥梁那样建立一种普遍适用的阵风荷载系数。

4.2结构的动力特性和几何非线性

现代膜结构均具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点,结构自振周期与风速的长杰出周期较为挨近, 因此风荷载成为控制膜结构规划的主要荷载。结构在风荷载效果下的动力响应是一个十分复杂的疑问。别的,膜结构是典型的大变形柔性系统,不具有弯曲刚度,其刚度主要由预张力和负高斯曲面所构成的几何刚度来供给,表现出明显的几何非线性特点。

4.3开敞和开孔结构的品格效应

关于开敞式膜结构, 膜材上下外表都受到风力效果, 而规划时需要的是膜材上下外表的风压差, 即净风压。一般来说膜材上外表常受负风压, 而下外表受正风压, 净风压应大于上外表风压, 所以只思考上外表风压的规划偏于不安全。别的关于四周封闭膜结构因为门窗损坏造成的俄然开孔,开孔刹那间发生的脉冲内压值相当大, 其上限值要比气流稳定后最大内压值高出许多, 因为一般规划没有思考内压的这一刹那间增大, 因此结构在此时也很可能发生损坏。

4.4风与结构的流固耦合效应

在风荷载效果下,膜结构会发生较大的变形和振动,其几何形状的改变和振动会影响周围流场的变化,进而改变效果在膜结构外表的风压,构成风与结构的相互效果,即流固耦合效应。目前国内外已有许多学者对风-结构的流固耦合效应进行了大量的研讨,研讨办法包含风洞试验办法、简化气弹性模型办法和数值风洞的办法。但因为其具有较大的理论难度,至今没有很好的处理。

5结语

膜结构是空间结构中充满活力的一种结构系统,它不仅充分发扬了结构中各部分资料的力学性能,并且极大的丰富了空间结构的修建外型,具有宽广的开展前景。然而因为试验手段和剖析理论的约束,对膜结构品格损坏模式和机理研讨的不充分,许多方面还是空白。

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