張力結構體系設計論文

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摘要：介紹張拉膜這種張力結構來說明張力結構設計的關鍵問題，總結了其在荷載、受力、分析等方面有別于一般建筑結構的特點。

關鍵詞：張力結構索膜結構張拉膜結構找形

一、張力結構設計的一般原則

張力結構體系的分析設計應分為三個狀態：初始幾何態、預應力（初）態和荷載（終）態。雖然，在張力結構體系的初始幾何態分析時也需考慮預應力，但是，初始幾何態的預應力分析僅是為了張成曲面幾何外形，而預應力態時的預應力分析才是結構的剛度分析。應該說剛度設計是結構設計的主要內容，通過調整預應力來改變結構剛度，從而改變結構的力流，改變結構性能。在設計中增加截面并不是一種好的方法，改變形態、改變剛度可以收到事半功倍的效果。荷載態的分析主要是進行強度校核。

在剛性結構設計中，結構的幾何外形是已定的，結構的變形也不影響結構的剛度特征。然而在張力結構設計中，尋求初始幾何外形的分析和設計是十分重要的。如果結構的幾何外形設計好，不是使結構處于病態，就是使結構產生過大的張力而導致下部結構或邊緣構件的設計產生困難。對于復雜體形的張力結構，其幾何外形的設計伴隨著維持其曲面張成所需的預應力設計。張力結構的初始幾何外形設計的難度和分析設計重要性均甚于荷載態時的分析設計。

在張力結構的設計中，要保證能施加足夠的預應力，必須有合適的節點構造。張力結構的節點除了具有一般節點的設計要求以外，還有區別于傳統結構節點的顯著特點，即該類節點具有互索的功能。例如，與節點相連的索單元拉力和桿單元壓力使得節點的剛度得到加強。張力結構的節點剛度是與體系的應力水平相適應的，這也是與傳統的結構體系的重要區別。

二、索膜結構的設計

張拉膜結構是膜結構中最常見的一種形式,即通過對膜材內部施加一定的預張力,使其具備了抵抗外荷載能力,從而充當結構材料的一種結構體系。張拉膜結構是通過給膜材及加勁索施加預張力使之具有剛度并承擔外荷載的結構，又稱之為索－膜結構。這種形式能夠充分利用膜材的受力性能,形成輕巧、美觀、具有現代感的空間大跨曲面結構,并且施工簡單、快捷,成本低,在國外已經被廣泛應用于商業建筑、體育建筑、工業建筑、戶外設施、文化娛樂建筑等各種領域,目前在我國,相應的應用開發工作也已逐漸展開,并且無疑存在著巨大的發展前景。

1．索膜結構的設計過程

張力結構屬于柔性結構，因此其設計過程不同于一般傳統的剛性結構。其設計一般可以分為3個階段：形態分析，荷載分析和裁剪分析。

（1）形態分析

形態分析包括結構初始試形狀的確定和結構初始幾何態的分析，即找形分析的過程。其目的是確定滿足控制點邊界條件和初始預應力荷載平衡條件的膜結構形狀，以及與之相關的初始預應力分布。結構在外部荷載作用下從初始狀態變形至工作狀態的問題是彈性和彈塑性變形問題，可以采用非線性有限元予以求解。

（2）荷載分析

荷載分析是檢驗結構能否在實際環境中風、雨或雪等荷載作用下正常工作，不發生過大的變形和不出現褶皺和松弛。在進行荷載分析時，應對計算的各個單元中的最大應力和最小應力進行判斷。若在迭代過程中出現膜的褶皺或松弛，應相應修改其單元本構矩陣后再進行下一步的迭代。

（3）裁剪分析

膜結構的裁剪分析是膜結構設計中的一個關鍵技術。現有研究裁剪的工作是在基于形狀判定和荷載分析之后的特定幾何外形上進行的。裁剪分析中最棘手的問題是考慮初始預應力造成的膜材經、緯方向的伸長對裁剪下料的影響。膜結構是張力結構的一種，其整體剛度主要由初始預應力提供，單片膜材的裁剪和拼接是在無應力狀態下進行的，而結構張成后膜材必須處于全張力狀態。裁剪分析過程中，必須選定合適的裁剪式樣并精確確定連接坐標，把膜材由空間的預應力狀態還原為平面的無應力狀態。而一般情況下這時所對應的結構的整體剛度趨于零。據此建立的非線性方程組將變為奇異方程組，這樣得到的解可能是病態的。所以如何把膜材由預應力狀態還原為無應力狀態是進行膜結構裁剪分析中的關鍵技術，但這個問題至今還未得到很好的解決。

由于裁剪分析與膜結構的形狀、大小、曲率、材性等許多因素有關，使得目前各種裁剪方法得應用均受到一定程度得限制。裁剪分析方法總得來說分為3大類：物理模型方法，幾何模型方法，平衡模型方法。平衡模型方法以其靈活，迅速、準確的特點已占據了膜結構裁剪分析發展和應用的主要領域。目前比較成熟的平衡模型方法主要有：力密度法，動力松弛法，離散超限變換投影法。

2．索膜結構設計的特點

這里主要從結構分析的角度提出以下幾個特點:

（1）索膜材料均不具有抗彎能力,其上所有點在分析模型中只具有三個自由度這一特點實際上使索膜體系與同是空間曲面結構的板殼結構相比,其分析變得十分簡單。可將索膜體系簡化為長度任意改變的空間鏈桿體系,或將膜簡化為可自由拉伸和轉動的三節點或更多節點有限元組成的空間網格。

（2）使索、膜材料具有抵抗外荷載的能力,必須預先對其施加張拉力,以增加剛度、減小變形當一段索或膜材未施加任何預張力,僅靠其自身的初始抗拉剛度來抵抗外荷載,當達到平衡狀態時,一定會產生很大變形,這種情況下索或膜材是無法成為結構材料的。但當施加一定預張力后,相同外荷載下的變形會大大減小。這一原理已在懸索結構中得到廣泛應用。在張拉膜結構中,由于張拉力呈較為復雜的空間分布,因此所施加張拉力的大小一般需要通過計算機找形來確定。

（3）施加預張力后的索膜體系在承受外荷載之前的初始形狀需要通過找形這一步驟來確定在對索膜體系進行設計分析時,首先要給定結構的邊界條件。而結構預張拉后在空間上的確定幾何形狀還無法預知。如何確定在給定邊界條件下索膜結構的空間幾何形狀及與之相應的預張力分布就是找形所要解決的問題。索膜體系的找形問題有別于結構的荷載分析問題。進行荷載分析時,結構的初始形狀是確定的、平衡的(一般非張拉結構所有構件內力為零)。而找形時并沒有一個確定的、處于平衡狀態的初始形狀,需要從假定的幾何形狀和預張力分布出發來尋找這個可用于荷載分析的初始形狀。所得結果一要滿足邊界條件,二要滿足其預張力分布處處平衡。找形方法可分為物理方法和數值方法兩類,物理方法即為模型實驗的方法,而數值方法又有非線性有限元法、力密度法、自然形狀法和動力松馳法等等。膜面的初始形狀一般應有向上和向下兩個方向的曲率,避免過分平坦,以抵抗風壓力和風吸力,這應是檢驗和調整找形結果的一個基本原則。

（4）索膜材料只可受拉,不能受壓,受壓或拉力為零將實際上導致膜材出現皺褶,而索將屈曲變形,同時失去承載能力。根據這一特點,在找形和荷載分析時都應避免受壓單元的出現。具體作法是,建立受壓判據,一旦單元滿足此判據,即作相應處理。

（5）荷載作用于索膜結構所引起的水平力和上拔力對支架結構及其基礎的設計有很大影響。為抵抗水平力和上拔力,斜拉穩定索成為支架結構中的常用構件。基礎采用抗拔錨錠。如果采用獨立柱的形式,則柱將成為受彎構件,其基礎若仍采用獨立基礎,則可能存在很大的偏心距,設計時必須進行特殊處理,在大型結構中常常采用閉合水平構件如環梁或環索的形式來承擔水平力。

三、結語

張力結構是集建筑學、結構力學、材料力學和計算機科學于一體的新型結構形式，它必將是21世紀空間結構發展的主流。現在膜結構的設計有許多方法，但缺乏一套系統的理論，仍存在許多問題需要解決和研究。比如膜建筑的隔振問題、內部環境問題、屋頂膜材的融雪問題、隔熱問題、積灰問題等，還有應將現在的計算理論與計算機相結合并開發相應的軟件，研究索膜結構的風振響應，解決索膜結構在設計和施工過程中出現的問題。

在中國，膜結構的研究還處在初級階段，還有很大的發展空間，我國即將出臺的《膜結構設計與施工規程》必將會促進膜結構進一步發展，只要充分發揮膜結構的優點并對其不足之處加以著重研究，膜結構才會變得更加合理、經濟、安全，必將會得到更大的發展。

參考文獻

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[2]王春江等．索膜結構找形分析理論綜述．第10屆空間結構學術會議論文集，2002．

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