张力结构体系设计论文

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摘要：介绍张拉膜这种张力结构来说明张力结构设计的关键问题，总结了其在荷载、受力、分析等方面有别于一般建筑结构的特点。

关键词：张力结构索膜结构张拉膜结构找形

一、张力结构设计的一般原则

张力结构体系的分析设计应分为三个状态：初始几何态、预应力（初）态和荷载（终）态。虽然，在张力结构体系的初始几何态分析时也需考虑预应力，但是，初始几何态的预应力分析仅是为了张成曲面几何外形，而预应力态时的预应力分析才是结构的刚度分析。应该说刚度设计是结构设计的主要内容，通过调整预应力来改变结构刚度，从而改变结构的力流，改变结构性能。在设计中增加截面并不是一种好的方法，改变形态、改变刚度可以收到事半功倍的效果。荷载态的分析主要是进行强度校核。

在刚性结构设计中，结构的几何外形是已定的，结构的变形也不影响结构的刚度特征。然而在张力结构设计中，寻求初始几何外形的分析和设计是十分重要的。如果结构的几何外形设计好，不是使结构处于病态，就是使结构产生过大的张力而导致下部结构或边缘构件的设计产生困难。对于复杂体形的张力结构，其几何外形的设计伴随着维持其曲面张成所需的预应力设计。张力结构的初始几何外形设计的难度和分析设计重要性均甚于荷载态时的分析设计。

在张力结构的设计中，要保证能施加足够的预应力，必须有合适的节点构造。张力结构的节点除了具有一般节点的设计要求以外，还有区别于传统结构节点的显著特点，即该类节点具有互索的功能。例如，与节点相连的索单元拉力和杆单元压力使得节点的刚度得到加强。张力结构的节点刚度是与体系的应力水平相适应的，这也是与传统的结构体系的重要区别。

二、索膜结构的设计

张拉膜结构是膜结构中最常见的一种形式,即通过对膜材内部施加一定的预张力,使其具备了抵抗外荷载能力,从而充当结构材料的一种结构体系。张拉膜结构是通过给膜材及加劲索施加预张力使之具有刚度并承担外荷载的结构，又称之为索－膜结构。这种形式能够充分利用膜材的受力性能,形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构,并且施工简单、快捷,成本低,在国外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域,目前在我国,相应的应用开发工作也已逐渐展开,并且无疑存在着巨大的发展前景。

1．索膜结构的设计过程

张力结构属于柔性结构，因此其设计过程不同于一般传统的刚性结构。其设计一般可以分为3个阶段：形态分析，荷载分析和裁剪分析。

（1）形态分析

形态分析包括结构初始试形状的确定和结构初始几何态的分析，即找形分析的过程。其目的是确定满足控制点边界条件和初始预应力荷载平衡条件的膜结构形状，以及与之相关的初始预应力分布。结构在外部荷载作用下从初始状态变形至工作状态的问题是弹性和弹塑性变形问题，可以采用非线性有限元予以求解。

（2）荷载分析

荷载分析是检验结构能否在实际环境中风、雨或雪等荷载作用下正常工作，不发生过大的变形和不出现褶皱和松弛。在进行荷载分析时，应对计算的各个单元中的最大应力和最小应力进行判断。若在迭代过程中出现膜的褶皱或松弛，应相应修改其单元本构矩阵后再进行下一步的迭代。

（3）裁剪分析

膜结构的裁剪分析是膜结构设计中的一个关键技术。现有研究裁剪的工作是在基于形状判定和荷载分析之后的特定几何外形上进行的。裁剪分析中最棘手的问题是考虑初始预应力造成的膜材经、纬方向的伸长对裁剪下料的影响。膜结构是张力结构的一种，其整体刚度主要由初始预应力提供，单片膜材的裁剪和拼接是在无应力状态下进行的，而结构张成后膜材必须处于全张力状态。裁剪分析过程中，必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标，把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。而一般情况下这时所对应的结构的整体刚度趋于零。据此建立的非线性方程组将变为奇异方程组，这样得到的解可能是病态的。所以如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜结构裁剪分析中的关键技术，但这个问题至今还未得到很好的解决。

由于裁剪分析与膜结构的形状、大小、曲率、材性等许多因素有关，使得目前各种裁剪方法得应用均受到一定程度得限制。裁剪分析方法总得来说分为3大类：物理模型方法，几何模型方法，平衡模型方法。平衡模型方法以其灵活，迅速、准确的特点已占据了膜结构裁剪分析发展和应用的主要领域。目前比较成熟的平衡模型方法主要有：力密度法，动力松弛法，离散超限变换投影法。

2．索膜结构设计的特点

这里主要从结构分析的角度提出以下几个特点:

（1）索膜材料均不具有抗弯能力,其上所有点在分析模型中只具有三个自由度这一特点实际上使索膜体系与同是空间曲面结构的板壳结构相比,其分析变得十分简单。可将索膜体系简化为长度任意改变的空间链杆体系,或将膜简化为可自由拉伸和转动的三节点或更多节点有限元组成的空间网格。

（2）使索、膜材料具有抵抗外荷载的能力,必须预先对其施加张拉力,以增加刚度、减小变形当一段索或膜材未施加任何预张力,仅靠其自身的初始抗拉刚度来抵抗外荷载,当达到平衡状态时,一定会产生很大变形,这种情况下索或膜材是无法成为结构材料的。但当施加一定预张力后,相同外荷载下的变形会大大减小。这一原理已在悬索结构中得到广泛应用。在张拉膜结构中,由于张拉力呈较为复杂的空间分布,因此所施加张拉力的大小一般需要通过计算机找形来确定。

（3）施加预张力后的索膜体系在承受外荷载之前的初始形状需要通过找形这一步骤来确定在对索膜体系进行设计分析时,首先要给定结构的边界条件。而结构预张拉后在空间上的确定几何形状还无法预知。如何确定在给定边界条件下索膜结构的空间几何形状及与之相应的预张力分布就是找形所要解决的问题。索膜体系的找形问题有别于结构的荷载分析问题。进行荷载分析时,结构的初始形状是确定的、平衡的(一般非张拉结构所有构件内力为零)。而找形时并没有一个确定的、处于平衡状态的初始形状,需要从假定的几何形状和预张力分布出发来寻找这个可用于荷载分析的初始形状。所得结果一要满足边界条件,二要满足其预张力分布处处平衡。找形方法可分为物理方法和数值方法两类,物理方法即为模型实验的方法,而数值方法又有非线性有限元法、力密度法、自然形状法和动力松驰法等等。膜面的初始形状一般应有向上和向下两个方向的曲率,避免过分平坦,以抵抗风压力和风吸力,这应是检验和调整找形结果的一个基本原则。

（4）索膜材料只可受拉,不能受压,受压或拉力为零将实际上导致膜材出现皱褶,而索将屈曲变形,同时失去承载能力。根据这一特点,在找形和荷载分析时都应避免受压单元的出现。具体作法是,建立受压判据,一旦单元满足此判据,即作相应处理。

（5）荷载作用于索膜结构所引起的水平力和上拔力对支架结构及其基础的设计有很大影响。为抵抗水平力和上拔力,斜拉稳定索成为支架结构中的常用构件。基础采用抗拔锚锭。如果采用独立柱的形式,则柱将成为受弯构件,其基础若仍采用独立基础,则可能存在很大的偏心距,设计时必须进行特殊处理,在大型结构中常常采用闭合水平构件如环梁或环索的形式来承担水平力。

三、结语

张力结构是集建筑学、结构力学、材料力学和计算机科学于一体的新型结构形式，它必将是21世纪空间结构发展的主流。现在膜结构的设计有许多方法，但缺乏一套系统的理论，仍存在许多问题需要解决和研究。比如膜建筑的隔振问题、内部环境问题、屋顶膜材的融雪问题、隔热问题、积灰问题等，还有应将现在的计算理论与计算机相结合并开发相应的软件，研究索膜结构的风振响应，解决索膜结构在设计和施工过程中出现的问题。

在中国，膜结构的研究还处在初级阶段，还有很大的发展空间，我国即将出台的《膜结构设计与施工规程》必将会促进膜结构进一步发展，只要充分发挥膜结构的优点并对其不足之处加以着重研究，膜结构才会变得更加合理、经济、安全，必将会得到更大的发展。

参考文献

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[2]王春江等．索膜结构找形分析理论综述．第10届空间结构学术会议论文集，2002．

[3]卫东．薄膜结构初始形态确定的几种分析方法研究.哈尔滨建筑大学学报．2000．

[4]聂世华等．膜结构技术评选.空间结构，1999.5．