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建筑膜結(jié)構(gòu)具有造型新穎獨特、傳力簡捷高效的特點,受到人們的普遍青睞。作為一種典型的柔性張力結(jié)構(gòu)形式,膜結(jié)構(gòu)在力學(xué)表現(xiàn)上具有許多不同于傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)之處,從而形成了一套獨特的分析設(shè)計理論體系¨。首先,由于膜材不能抗壓、抗彎,需要通過薄膜張力作用來維持形狀和抵抗外荷載,因此膜結(jié)構(gòu)的初始形狀不能任意給定,必須是符合給定邊界條件且只有張力作用的平衡曲面,這使得膜結(jié)構(gòu)分析比剛性結(jié)構(gòu)多了一個初始形態(tài)確定過程。其次,膜結(jié)構(gòu)在外荷載作用下會產(chǎn)生較大變形,因此幾何非線性是其荷載效應(yīng)分析中不可忽略的因素。不僅如此,在分析過程中還必須考慮膜材褶皺的影響,及時對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行修正,這相當(dāng)于是一個材料非線性問題。也就是說,膜結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)分析需要同時考慮幾何非線性和材料非線性的雙重影響。
此外,由于膜結(jié)構(gòu)的輕柔特點,在風(fēng)荷載作用下振動較一般結(jié)構(gòu)劇烈,屬于典型的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。從實際風(fēng)災(zāi)害情況來看,膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)損最為嚴(yán)重的建筑結(jié)構(gòu)類型之一;不僅中小型膜結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)風(fēng)毀事故,大型膜結(jié)構(gòu)遭風(fēng)破壞的例子也屢見不鮮;不僅國內(nèi)的風(fēng)破壞實例眾多,國外的例子也不少。這說明,膜結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計問題較一般結(jié)構(gòu)更為突出,且一直沒有得到很好解決。再有,膜結(jié)構(gòu)往往是具有預(yù)張力的不可展曲面,而實際加工則是在無應(yīng)力狀態(tài)下用有限幅寬的平面膜材通過拼接完成的,因此需要通過裁剪分析來實現(xiàn)曲面的剖分、展平和應(yīng)力釋放。該過程也較一般結(jié)構(gòu)的下料分析要復(fù)雜得多。以上簡要介紹了膜結(jié)構(gòu)分析理論的特點和需要考慮的問題。但這些并非是膜結(jié)構(gòu)分析理論的全部。特別是近年來,隨著膜結(jié)構(gòu)建造跨度的不斷加大,以及在一些非建筑領(lǐng)域(如航天工程)的應(yīng)用,對膜結(jié)構(gòu)分析提出了更新、更高的要求,也推動了相關(guān)理論的發(fā)展。
本文首先依據(jù)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程,從初始形態(tài)分析、荷載效應(yīng)分析和裁剪分析三個方面對膜結(jié)構(gòu)分析理論的基本框架進(jìn)行概要介紹;然后針對當(dāng)前膜結(jié)構(gòu)研究中的若干熱點問題,如褶皺模擬、風(fēng)振分析、形態(tài)優(yōu)化以及精確成形等,進(jìn)行深入探討;最后對膜結(jié)構(gòu)分析理論研究工作提出展望。
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