首頁(yè) > 新聞動(dòng)態(tài) > 行業(yè)動(dòng)態(tài)

不同索網(wǎng)加勁的氣承式膜結(jié)構(gòu)受力特性研究

發(fā)布時(shí)間:2022年9月20日點(diǎn)擊數(shù):3007

1 引言

氣承式膜結(jié)構(gòu)是對(duì)其內(nèi)部施加一定內(nèi)壓而具有一定剛度從而能夠抵抗外部荷載的建筑結(jié)構(gòu)[1]。其以空間利用率高、施工周期短、綠色環(huán)保、有較高的自潔性等[2]優(yōu)點(diǎn)而得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。K Mitsui[3]和Kassem M[4]等采用小楊氏模量曲面自平衡迭代法建模，對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)非線性理論進(jìn)行研究。Zhao B等[5]結(jié)合攝影測(cè)量和測(cè)力方法，提出了測(cè)量和確定氣承式膜結(jié)構(gòu)在不同內(nèi)壓下應(yīng)力分布的創(chuàng)新方法。Gluck[6]和Hubner等[7]分別采用弱耦合分區(qū)法和強(qiáng)耦合法，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行離散，模擬了膜結(jié)構(gòu)在流固耦合效應(yīng)下的穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。Qiang等[8]通過(guò)縮尺試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法研究了垂直荷載作用下連接的半球圓柱形結(jié)構(gòu)的倒塌過(guò)程。Samy A等[9]采用VFIFE方法模擬了持續(xù)降雨下膜結(jié)構(gòu)破壞的整個(gè)過(guò)程。陳政等[10]提出壓差預(yù)置法的概念，結(jié)合節(jié)點(diǎn)平衡法對(duì)索膜結(jié)構(gòu)精確找形。丁一凡等[11]提出基于空間位形指標(biāo)的有限元修正法通過(guò)構(gòu)建結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)空間位置信息的目標(biāo)函數(shù)反應(yīng)有限元模型與結(jié)構(gòu)的吻合度。

本文通過(guò)對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)施加不同方式的索網(wǎng)進(jìn)行縮尺試驗(yàn)研究，利用Ansys有限元軟件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬，通過(guò)兩者所得數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行在不同內(nèi)壓和矢跨比下的參數(shù)化分析。

2 試驗(yàn)概況

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

試驗(yàn)采用1：10的縮尺模型，實(shí)際構(gòu)件尺寸長(zhǎng)46m×寬30m×高10m。選取0.8mm厚PVC膜材，不考慮膜材正交異性彈性模量為1.9×109Pa。加勁鎖選用以能夠承受試驗(yàn)中產(chǎn)生的最大索力為標(biāo)準(zhǔn)[12]，選取公稱(chēng)直徑為2mm，彈性模量1.5×1011Pa，抗拉強(qiáng)度1.47×109Pa的鋼絲繩。橫向布置3根，沿模型橫向中心線和兩邊索間距為600mm布置；斜向45°正交布置共38根，索間距為400mm，在與縱橫向成45°各布置19根，如圖1所示。

圖1索網(wǎng)布置下載原圖

Fig1. Cable net arrangement

2.2測(cè)點(diǎn)布置及加載過(guò)程

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行索力測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)的選擇與布置在滿(mǎn)足試驗(yàn)?zāi)康那疤嵯拢瑧?yīng)布置較少且具有代表性及便于分析的特點(diǎn)[13]。為測(cè)量結(jié)構(gòu)在不同內(nèi)壓下索力大小，在索端連接鋼片并粘貼應(yīng)變片測(cè)量索網(wǎng)應(yīng)變，如圖2所示。

圖2 索網(wǎng)布置及測(cè)點(diǎn)示意下載原圖

Fig.2 Cable layout and schematic diagram of measuring point

試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行充氣檢查其氣密性，停止充氣穩(wěn)壓1h，測(cè)得壓降小于10%表明結(jié)構(gòu)氣密性良好。

（2）布置橫向索網(wǎng)，對(duì)充氣膜進(jìn)行充氣，當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到100Pa時(shí)，維持狀態(tài)30min，待膜內(nèi)氣壓充分作用在膜面，膜面與索網(wǎng)相互協(xié)調(diào)后記錄數(shù)據(jù)。

（3）繼續(xù)加壓，分別達(dá)到200Pa、300Pa、400Pa、500Pa和600Pa，重復(fù)步驟2。

（4）采集完數(shù)據(jù)，打開(kāi)排氣閥，使氣壓降至大氣壓后，布置斜向索網(wǎng)，重復(fù)上述過(guò)程，并記錄數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 橫向索網(wǎng)

在不同內(nèi)壓下各測(cè)點(diǎn)測(cè)得的索力值如表1所示，索力在不同內(nèi)壓作用下的變化曲線如圖3所示。

由下圖表可知索力隨內(nèi)壓增大而增大，中間索受力整體大于兩邊索，且兩邊索力值大小基本一致。對(duì)比不同內(nèi)壓下各索力值的變化可知，壓力值每增加100Pa，索力增加值變化由27N到44N不等，呈非線性增長(zhǎng)，索與膜所承擔(dān)的荷載發(fā)生重分配。

2.3.2 斜交索網(wǎng)

不同內(nèi)壓下各測(cè)點(diǎn)的索力值如表2所示，索力在內(nèi)壓作用下的變化曲線如圖4所示。

由下圖表可知，各索力由角部向中間逐漸增大，隨內(nèi)壓的增大索力差值相較于橫向索網(wǎng)變小。膜面與所共同受力相當(dāng)于在膜材表面又布置一層膜，結(jié)構(gòu)變形與無(wú)索布置時(shí)基本相同，在同一內(nèi)壓下索力在中部位置達(dá)到最大。

圖3 橫向索網(wǎng)索力-內(nèi)壓變化曲線下載原圖

Fig.3 Transverse cable network cable force-internal pressure variation curve

圖4斜交索網(wǎng)索力-內(nèi)壓變化曲線下載原圖

Fig.4 Cable force-internal pressure variation curve of diagonal cable network

表1 橫向索網(wǎng)布置結(jié)構(gòu)在不同內(nèi)壓下的索力值（單位：N）導(dǎo)出到EXCEL

Tab.1 Cable force values of transverse cable network arrangement structure under different internal pressures（Unit: N）

測(cè)點(diǎn)	100Pa	200Pa	300Pa	400Pa	500Pa	600Pa
左邊索	13.51	40.12	72.12	112.97	154.17	198.53
中間索	14.28	43.66	76.91	118.62	160.04	201.84
右邊索	13.40	40.61	73.78	113.46	156.00	198.59

表2 斜交索網(wǎng)布置結(jié)構(gòu)在不同內(nèi)壓下的索力值（單位：N）導(dǎo)出到EXCEL

Tab.2 Cable force values of diagonally crossed cable network arrangement structure under different internal pressures（Unit: N）

測(cè)點(diǎn)	100Pa	200Pa	300Pa	400Pa	500Pa	600Pa
1	15.90	37.02	60.71	83.51	102.46	122.05
2	15.26	36.45	60.70	83.51	102.26	122.76
3	14.42	36.19	60.04	83.95	102.45	122.21
4	14.61	31.65	56.32	74.83	93.86	112.21
5	13.95	35.67	54.63	75.09	90.02	101.31
6	12.36	34.76	53.71	72.60	86.22	98.58
7	10.09	26.30	45.27	63.43	80.37	92.91
8	8.23	24.26	43.75	63.11	79.48	95.50
9	5.54	17.53	32.31	46.96	58.92	71.70
10	2.94	9.14	18.16	29.30	38.16	50.20
11	10.51	27.14	46.65	64.90	80.99	93.03
12	8.25	23.46	40.78	57.66	72.55	85.00

3 數(shù)值模擬

3.1模型建立

建立與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢碌挠邢拊Ｐ�，膜單元選用Shell41單元，厚度為0.8mm，縱橫向彈性模量EX=EY=1.9í109Pa，材料泊松比λx=λy=0.3；索單元選用Link10單元，單元截面直徑d=2mm，彈性模量1.5í1011Pa。

建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谪Q直方向上的平面投影，劃分網(wǎng)格，然后通過(guò)直接法將索離散成為空間單元依附于膜面。施加邊界約束，限制四周的邊界Ux、Uy和Uz三個(gè)方向平動(dòng)的約束。通過(guò)施加溫度荷載使膜面產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，給定內(nèi)壓，采用小彈性模量法[14]，通過(guò)多次迭代使模型達(dá)到試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨�。待找形完成后恢�?fù)其真實(shí)彈性模量，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 找形結(jié)果圖下載原圖

Fig.5 Form-finding result diagram

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 橫向索網(wǎng)

結(jié)構(gòu)空間位移矢量云圖及膜面等效應(yīng)力云圖選取100Pa和600Pa兩種內(nèi)壓作用下為代表進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 橫向索網(wǎng)應(yīng)力、位移結(jié)果云圖下載原圖

Fig.6 Cloud diagram of stress and displacement results of transverse cable network

表3 橫向索網(wǎng)布置各內(nèi)壓下的索力值（單位：N）導(dǎo)出到EXCEL

Tab.3 Transverse cable net layout cable force value under each internal pressure（Unit: N）

測(cè)點(diǎn)	100Pa	200Pa	300Pa	400Pa	500Pa	600Pa
左邊索	12.52	40.73	79.23	126.10	179.55	237.98
中間索	13.38	43.09	83.21	131.40	185.39	243.14
右邊索	12.36	40.34	78.60	125.19	178.34	236.44

圖7橫向索網(wǎng)索力值變化曲線下載原圖

Fig.7 Variation curve of cable force value of transverse cable net

各內(nèi)壓下索力值大小如表3所示，索力隨內(nèi)壓變化曲線如圖7所示。由上圖表分析可知：內(nèi)壓為100Pa時(shí)，結(jié)構(gòu)最大位移為4.9mm位于膜面中部，內(nèi)壓為600Pa時(shí)，結(jié)構(gòu)最大位移為25.4mm位于索網(wǎng)布置區(qū)域外兩側(cè)。說(shuō)明隨著內(nèi)壓的增大，索網(wǎng)對(duì)膜結(jié)構(gòu)變形的約束作用越來(lái)越大，在索網(wǎng)布置范圍內(nèi)膜面形成拱狀凸起變形，并且沿著遠(yuǎn)離索的方向變形越來(lái)越大，且各索力值隨著內(nèi)壓的增大逐漸增大，兩邊索的受力小于中間索。

3.2.2 斜交索網(wǎng)

選取100Pa和600Pa兩種情況下位移和應(yīng)力如圖8所示進(jìn)行分析，各內(nèi)壓下索力值大小及變化曲線如表4，圖9所示。

圖8 應(yīng)力、位移結(jié)果云圖下載原圖

Fig.8 Cloud map of stress and displacement results

表4 斜交索網(wǎng)布置各內(nèi)壓下的索力值（單位：N）導(dǎo)出到EXCEL

Tab.4 Cable force values under different internal pressures are arranged by diagonal cable net pressure（Unit: N）

測(cè)點(diǎn)	100Pa	200Pa	300Pa	400Pa	500Pa	600Pa
1	15.51	38.30	63.61	89.87	116.58	143.46
2	15.66	38.30	63.61	89.87	116.58	143.46
3	14.72	38.30	63.61	89.87	116.58	143.46
4	14.39	33.01	58.96	80.66	106.28	132.61
5	13.57	37.30	57.58	80.15	100.79	121.50
6	12.02	36.69	56.12	78.11	97.36	117.57
7	10.05	27.97	47.51	68.11	89.51	111.41
8	8.51	25.88	46.01	67.58	89.19	112.92
9	5.57	18.24	33.71	50.48	66.47	85.48
10	2.67	9.74	19.45	31.34	42.94	60.21
11	10.55	28.92	48.86	69.73	91.29	113.26
12	8.68	24.78	42.64	61.64	81.56	102.03

圖9斜交索網(wǎng)索力值變化曲線下載原圖

Fig.9 Variation curve of cable force value of skew cable network

由上圖表分析可知：膜面整個(gè)區(qū)域受到索網(wǎng)的約束，最大程度的減小了膜面應(yīng)力和位移。內(nèi)壓為100Pa和600Pa時(shí)，結(jié)構(gòu)最大位移分別為2.8mm和13.2mm，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂部中心位置，各索力值分布比較均勻。

3.3 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

將不同索網(wǎng)布置下試驗(yàn)與模擬的索力值大小對(duì)比分析如圖10所示，驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

由下圖可知，雖然兩者索力的總體分布保持一致，但在各內(nèi)壓下仍存在一定的差異，綜合分析導(dǎo)致誤差的原因：試驗(yàn)構(gòu)件存在初始應(yīng)力或者初始缺陷，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不真實(shí)；有限元模擬過(guò)程中將試驗(yàn)所用膜材的材料非線性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模擬結(jié)果會(huì)有不同程度的偏差；由于膜結(jié)構(gòu)的高度非線性，在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)力剛化，大變形，荷載步，收斂準(zhǔn)則及收斂域，迭代次數(shù)等參數(shù)的設(shè)置和簡(jiǎn)化都導(dǎo)致了有限元模擬結(jié)果的偏差。

總體來(lái)看，實(shí)驗(yàn)值與模擬值由較高的擬合度，其結(jié)果數(shù)值誤差據(jù)保持在20%以?xún)?nèi)，認(rèn)為模擬結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

圖10 不同索網(wǎng)布置下索力對(duì)比值下載原圖

Fig.10 Cable force comparative value under different cable net arrangements

4 特征分析

本節(jié)選用斜交索網(wǎng)為例采用數(shù)值模擬的方法分別在不同內(nèi)壓、矢跨比的條件下，分析了實(shí)際模型尺寸下的結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力等變化規(guī)律。

4.1內(nèi)壓對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響

對(duì)結(jié)構(gòu)在100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa和600Pa六種內(nèi)壓情況進(jìn)行模擬，選取300Pa內(nèi)壓為例，結(jié)構(gòu)的空間矢量位移云圖以及膜面Mises等效應(yīng)力云圖如圖11所示，膜面最大應(yīng)力及位移如表5所示。

圖11不同內(nèi)壓下結(jié)構(gòu)云圖下載原圖

Fig.11 Structural nephogram under different internal pressures

表5不同內(nèi)壓下膜面最大位移和最大應(yīng)力導(dǎo)出到EXCEL

Tab.5 Maximum displacement and maximum stress of membrane surface under different internal pressures

內(nèi)壓（Pa）	100	200	300	400	500	600
最大位移（m）	0.173	0.333	0.464	0.577	0.679	0.773
最大應(yīng)力（MPa）	1.18	2.01	2.77	3.67	4.57	5.48

4.2 矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響

為了說(shuō)明矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)在h為5m、7m、10m、12m和15m五種情況進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)的空間矢量位移云圖以及膜面Mises等效應(yīng)力云圖如圖12所示，膜面最大應(yīng)力及位移如表6所示。

圖12不同矢跨比下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D 下載原圖

Fig.12 Cloud picture of structural stress and strain under different rise-span ratios

表6不同矢跨比下膜面最大位移和最大應(yīng)力導(dǎo)出到EXCEL

Tab.6 Maximum displacement and maximum stress of membrane surface under different rise-span ratios

矢跨比	5/30	7/30	10/30	12/30	15/30
最大位移（m）	0.616	0.512	0.464	0.465	0.504
最大應(yīng)力（MPa）	4.70	3.67	2.77	2.93	3.75

4.3 不同索網(wǎng)布置下力學(xué)性能對(duì)比

4.3.1 最大位移

不同索網(wǎng)布置下最大位移有很大不同，對(duì)比分析兩種索網(wǎng)布置下不同內(nèi)壓對(duì)氣承式膜結(jié)構(gòu)位移的影響如圖13，表7所示。由下圖表，在同一內(nèi)壓下，橫向索網(wǎng)布置下氣承式膜結(jié)構(gòu)位移值最大，但增長(zhǎng)率都隨內(nèi)壓的增大而減小，斜交索網(wǎng)的最大位移減少量隨內(nèi)壓的增大而減小，在p=100Pa時(shí)，減小量為43.65%，當(dāng)p=600Pa時(shí)，減小量降至23.54%，斜交索網(wǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)有更好的約束作用。

圖13 最大位移變化曲線下載原圖

Fig.13 Maximum displacement curve

表7 各索網(wǎng)布置不同內(nèi)壓下結(jié)構(gòu)最大位移導(dǎo)出到EXCEL

Tab.7 Maximum displacement of structure under different internal pressures under different cable net arrangements

內(nèi)壓（Pa）	100	200	300	400	500	600
橫向索網(wǎng)（m）	0.307	0.508	0.653	0.774	0.890	1.011
斜交索網(wǎng)（m）	0.173	0.333	0.464	0.577	0.679	0.773
斜交減小量（%）	43.65	34.45	28.94	25.45	23.71	23.54

4.3.2 最大應(yīng)力

為說(shuō)明不同索網(wǎng)布置下對(duì)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響，就氣承式膜結(jié)構(gòu)在不同內(nèi)壓下最大應(yīng)力進(jìn)行分析對(duì)比如圖14，表8所示。由下圖表可知，不同索網(wǎng)布置下膜結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值都隨內(nèi)壓的增大而增大，并且增長(zhǎng)率變化不大；而在同一內(nèi)壓下，橫向索網(wǎng)布置下的最大應(yīng)力最大，斜交索網(wǎng)布置的減小量規(guī)律不明顯。

圖14 最大應(yīng)力變化曲線下載原圖

Fig.14 Maximum stress curve

表8 各索網(wǎng)布置不同內(nèi)壓下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力導(dǎo)出到EXCEL

Tab.8 The maximum stress of each cable net under different internal pressures is arranged

內(nèi)壓（Pa）	100	200	300	400	500	600
橫向索網(wǎng)（MPa）	1.27	2.27	3.25	4.18	5.08	5.95
斜交索網(wǎng)（MPa）	1.18	2.01	2.77	3.67	4.57	5.48
斜交減小量（%）	7.09	11.45	14.77	12.20	10.04	7.90

5 結(jié) 論

本文就不同索網(wǎng)布置下氣承式膜結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究和Ansys仿真分析，通過(guò)兩者結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證了有限元模擬方法的正確性及準(zhǔn)確性。分析了索網(wǎng)加勁下氣承式膜結(jié)構(gòu)各參數(shù)對(duì)其受力的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在不同內(nèi)壓下，相較于橫向索網(wǎng)，斜交索網(wǎng)的布置很大程度上承受了來(lái)自膜面的力，各索的索力分布也比較均勻，斜交索網(wǎng)很大程度上約束了膜面的各方向位移，整個(gè)膜面的變形比較均勻。

（2）不同索網(wǎng)布置下，結(jié)構(gòu)的索力值均隨內(nèi)壓的增高而增大。但相較于橫向索網(wǎng)布置的各索力增加值，斜交索網(wǎng)布置下的索力增加值較小。

（3）膜結(jié)構(gòu)的最大位移以及最大應(yīng)力都存在合理矢跨比，都隨矢跨比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。且在矢跨比為10/30時(shí)達(dá)到最小，此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大位移值為0.464m，最大應(yīng)力值為2.77MPa。

上一篇：氣膜鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程有限元模擬研究

下一篇：風(fēng)吸力作用下ETFE氣枕氣-膜耦合作用的有限元分析

專(zhuān)題報(bào)道　　　　　　　　　　　　 more...

軌道交通中膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)

...

查看更多
膜結(jié)構(gòu)建筑保溫內(nèi)襯技

剛查縣為青海省海北藏族自治州轄縣，青海省措溫波高原海濱藏城演藝中心，作為剛查縣的標(biāo)志性建筑，演藝中心為直徑50米的圓形建...

查看更多
膜結(jié)構(gòu)幕墻的應(yīng)用

膜結(jié)構(gòu)幕墻是膜結(jié)構(gòu)在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，具有膜結(jié)構(gòu)的共同特性和優(yōu)點(diǎn)：膜結(jié)構(gòu)是一種非傳統(tǒng)的全新結(jié)構(gòu)方式。...

查看更多
膜結(jié)構(gòu)屋面的應(yīng)用

屋蓋是房屋最上部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)的使用功能的要求，為建筑提供適宜的內(nèi)部空間環(huán)境。屋蓋也是房屋頂部的承重結(jié)構(gòu)，受到材...

查看更多
膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用于環(huán)保工程

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)全面展開(kāi)，特別是污水處理廠等環(huán)保項(xiàng)目日益增多，其中有相當(dāng)數(shù)量的污水處理廠的厭氧...

查看更多
膜結(jié)構(gòu)在污水處理廠中

相當(dāng)數(shù)量的污水處理廠的厭氧池、污泥濃縮池、生物絮凝池等建于居民區(qū)、廠區(qū)的周邊，污水池的環(huán)境、風(fēng)貌及污水臭味等直接影響人們...

查看更多