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設計膜結構汽車棚的步驟及方法分析
- 2021-09-10-

?  現代張拉膜結構汽車棚采用多種強度薄膜材料和加強構件,通過邊界約束點給膜布施加預應力,使其成型并具有抵抗荷載的能力。膜結構是一種柔性的材料,不存在穩定的無應力狀態,也沒有平面外的彎曲剛度,只能在施加預應力后,依靠變形曲率抵抗垂直和膜面的外荷載。

  張拉索膜結構車棚設計分析一般分為以下三個步驟∶

  1、確定了初始平衡形狀。初始平衡形狀的確定也稱為找形。索網、薄膜和張拉整體張拉結構的荷載狀態分析之前,需要進行一個找形過程。以索膜等柔性材料為主要受力構件的張拉結構不能保持既定的空間形狀。為了保持穩定性,須施加預應力,不同的預應力分布及其值決定了不同的形狀。建筑師給出的任一形狀可能沒有與之對應的合理預應力分布,甚至可能無法張拉,找形的目的是找到既符合建筑師輪廓概念,又符合邊界條件和機械平衡的空間形狀。

  2、荷載分析。初始平衡形狀確定以后,膜結構汽車棚在外荷載作用下的變形與應力都要進行驗算,風荷載和雪荷載是膜結構的主要外荷載。

  3、裁剪分析。一般的膜結構都是三維不可展的曲面,怎樣用二維的膜材拼裝形成空間膜結構曲面,稱為裁剪分析。

  以上三個步驟,找形分析是基礎,荷載分析和裁剪分析是在找形之后才可以進行。除了試驗比擬方法,膜結構找形法主有力密度法、動力松弛法以及非線性有限元法。

  力密度法初始是索網結構的一種找形方法,如果將膜離散成等效索網,該方法也可用于膜結構的找形。所謂的力密度是指電纜截面的內力與電纜截面長度的比率。在給定的結構拓撲和邊界條件下,力密度法可以將找形問題線性化,避免了坐標初值的確定和其他找形方法面臨的收斂問題,將索網或等效膜結構汽車棚視為由節點連接的索段組成,在找形中,邊界點是約束點,中間點是自由點。通過指定索截面的力密度,建立并求解節點的平衡方程,得到每個自由節點的坐標,即索網的形狀。不同的力密度值對應不同的形狀。當形狀滿足要求時,可由相應的力密度得到相應的預應力分布值。

  動態松弛法是求解非線性系統平衡問題的一種數值方法,有研究人先將該方法應用于索網結構。自20世紀70年代以來,有人已成功開發并將該方法應用于索網和膜結構的找形。動力松弛法的特點是可以從非平衡初始狀態得到平衡狀態,格外是對柔性結構的找形分析亦是卓有成果。

  雖然力密度法和動力松弛法已成功地應用于張拉膜結構汽車棚的找形分析中,一些商用膜結構軟件也采用了上述方法,但有限元法已成為索膜結構較常用的找形方法。如果說膜結構的找形方法選擇比較多,那么膜結構荷載的分析則一般采用有限元法,在找形、荷載分析和裁剪分析中采用同樣的原理和方法,便于對膜結構設計過程的整體把握和不斷的修正。

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