張拉膜結(jié)構(gòu)找形試驗研究及雪荷載下的響應(yīng)分析方法研究.pdf

1、目前國內(nèi)完成的張拉膜結(jié)構(gòu)成形試驗屈指可數(shù),其存在的主要問題是膜面應(yīng)力的測定目前還沒有一套完善的設(shè)備。另外,基于膜材費用較高且結(jié)構(gòu)模型的實際構(gòu)造設(shè)計和張拉工藝比較復(fù)雜,目前國內(nèi)采用真實膜材進行試驗研究的更少,且大都尺度偏小,從材料的選用到節(jié)點的設(shè)計以及制作安裝都非常的簡易,無法完全模擬實際的施工過程,測試結(jié)果與真實膜結(jié)構(gòu)會有偏差。 雪荷載是張拉膜結(jié)構(gòu)的控制荷載,因雪荷載處理不當(dāng)而導(dǎo)致的工程事故時有發(fā)生?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5

2、0009-2001)中規(guī)定屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按屋面積雪分布系數(shù)乘以基本雪壓來計算,而積雪分布系數(shù)僅與屋面坡度相關(guān)聯(lián)。影響膜結(jié)構(gòu)雪荷載分布形式的不確定性因素很多,如風(fēng)、日曬、室內(nèi)溫度、結(jié)構(gòu)形狀、材料參數(shù)等。因此《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定膜結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中還應(yīng)考慮雪荷載不均勻分布產(chǎn)生的不利影響。工程中目前的做法是用僅與膜面坡度有關(guān)的積雪分布系數(shù)來體現(xiàn)雪荷載的不均勻分布。顯然這種方法沒有細致體現(xiàn)諸多不確定因素對雪荷載分布的影響。

3、 綜上,本文以法拉利Fluotop T2膜材為材料進行了膜結(jié)構(gòu)的張拉成形試驗,張拉方法完全模擬實際工程,并用可靠度理論的最大熵法處理柔性張拉膜結(jié)構(gòu)雪荷載不均勻分布問題。研究表明： 1.單軸向拉伸試驗說明法拉利Fluotop T2膜材始終為非線性材料,經(jīng)、緯向彈性模量很接近,各向異性不顯著。在2萬個左右微應(yīng)變范圍內(nèi),經(jīng)、緯向的彈性模量隨著材料拉伸應(yīng)變的變化而發(fā)生非線性變化,模量值隨應(yīng)變的增大而增大,當(dāng)應(yīng)變增大到1萬至1.2萬個

4、微應(yīng)變時,模量值開始下降。膜材經(jīng)向極限抗拉強度略高于緯向極限抗拉強度,但緯向織物的韌性較經(jīng)向好。在整個拉伸直至破斷過程中,經(jīng)、緯向E-ε曲線的形狀非常相似,始終呈現(xiàn)非線性。在膜材經(jīng)、緯向達到22萬多個微應(yīng)變時,膜材即將斷裂,此時兩方向彈性模量值較小,且呈快速下降趨勢。膜材在短時間內(nèi)受荷,沒有表現(xiàn)出徐變性質(zhì)。 2.試驗?zāi)Ｐ蜑?平面尺寸為4m×4m柔性索邊界、四點支承的馬鞍形張拉膜結(jié)構(gòu)。張拉過程采用應(yīng)力和位移同時控制,即量測模型零狀

5、態(tài)、中間狀態(tài)和張拉成形后狀態(tài)邊索和膜面的應(yīng)變值及膜面監(jiān)測點的空間坐標(biāo)。由于氣候寒冷,導(dǎo)致用于測量膜面應(yīng)變的光纖在試驗過程中斷裂,故本文用解析法求得一定范圍內(nèi)膜面的平均應(yīng)變值。在膜面空間坐標(biāo)(形狀)的比較上,改進力密度法所獲得的膜面形狀與ANSYS方法、解析法十分接近,與試驗值有一定誤差。其中,遠離四根索邊界測點的實測值與理論值更為接近,而靠近邊界測點的實測值與理論值相差較大,這主要由于模型邊緣膜材褶皺、膜與索應(yīng)力傳遞不均勻及支座的加工誤

6、差造成的；在索應(yīng)變的比較上,在張拉成形時四根邊索長度與理論值完全相等的前提下,邊索應(yīng)變的實測值與理論值相接近；在膜面應(yīng)變的比較上,理論計算時對膜結(jié)構(gòu)裁剪再縫合的成形過程進行了仿真,以期得到的計算應(yīng)變值更接近實際工程。但由于現(xiàn)有程序無法反應(yīng)膜材復(fù)雜的E-ε關(guān)系,故僅按找形試驗?zāi)げ墓ぷ鲬?yīng)變范圍(0～4000με)的中間值也即2000με確定膜材的Ex(經(jīng)向)、Ey(緯向)進行仿真分析。試驗值與理論值對比表明,試驗平均應(yīng)變值處于仿真計算應(yīng)變值

7、的區(qū)域內(nèi),這一結(jié)果是合理的。去除試驗客觀因素的影響,我們通過試驗值與理論值在膜面應(yīng)變、索應(yīng)變及膜面空間坐標(biāo)的比較及與ANSYS法、解析法的比較,說明改進力密度法是正確的,可用于實際工程的膜結(jié)構(gòu)找形分析。 3.采用可靠度理論來處理柔性張拉膜結(jié)構(gòu)雪荷載不均勻分布問題。將雪荷載等效為膜面進行網(wǎng)格劃分后的各節(jié)點荷載。膜結(jié)構(gòu)的雪載一般是均勻施加到膜面上的,但考慮到風(fēng)吹拂、雪融化等不確定因素,本文設(shè)定兩種模型:A.考慮雪團大小不一地遍布滿跨

8、--用滿跨結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)一組均勻分布的隨機數(shù)模擬各節(jié)點雪荷載；B.考慮極端情況：所有雪荷載全部大小不一地堆積在半跨結(jié)構(gòu)--用半跨結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)一組均勻分布的隨機數(shù)模擬各節(jié)點雪荷載。再用最大熵法計算出各節(jié)點位移的概率密度函數(shù),提取各節(jié)點最大概率所對應(yīng)的位移值；將其與確定性分析得到的相應(yīng)值作對比分析。結(jié)果顯示最大熵法與現(xiàn)行工程設(shè)計方法對于雪荷載滿跨布置這一工況的結(jié)果是基本一致的,但分析不同材性的結(jié)構(gòu)在承受半跨雪荷載時,確定性方法與最大熵法得到的膜面

9、最大應(yīng)力之比較小。當(dāng)膜材各向同性時,比值僅為0.78,說明工程中所用的確定性分析方法對于自重輕、對外荷載敏感的膜結(jié)構(gòu)而言有些偏于不安全。 本文的創(chuàng)新點在于： 1.在張拉成形試驗的理論計算時,對膜結(jié)構(gòu)裁剪再縫合的成形過程進行了仿真,使得得到的計算應(yīng)變值更能真實反應(yīng)試驗?zāi)Ｐ偷墓ぷ鳡顩r。 2.采用可靠度理論來處理柔性張拉膜結(jié)構(gòu)雪荷載不均勻分布問題。將雪荷載等效為膜面進行網(wǎng)格劃分后的各節(jié)點荷載,再用最大熵法計算出各節(jié)點位