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膜结构的结构设计





1 . —般规定
《建筑结构可靠度设计统一标准》〔08 50068—2001〕规定,建筑设计基准期为25年、50年、100年,25年为临时性建筑,50年为一般工业与民用建筑,100年为特别重要建筑。
   膜结构设计总的原则应与此相适应,然而一般膜材的使用寿命、建筑物理特性及特殊功能膜建筑都难以符合此原则。因此,应以主体结构作为设计基准期,对膜维持统一可靠度,但设计基准期降低。
  膜结构的计算主要包括初始形态分析、荷载效应分析和裁剪分析。膜结构的初始形态确定、荷载效应分析、裁剪设计是相互影响、相互制约的过程,需要反复调整。同时还要考虑施工过程的实现,如施工工艺、初始预张力等问题。
  初始形态分析主要是确定满足一定初始应力分布的膜结构在自平衡状态下的几何形状。荷载效应分析主要是计算在荷载作用下满足静力平衡条件的结构内力和位移。裁剪分析主要是将空间膜曲面适当剖分并展开为平面,计算确定预张力影响下膜材的裁剪下料图。
2. 膜结构的非线性
几何非线性
   几何非线性指在大变形情况下应变与位移之间的非线性关系。当结构的位移较大时,应变与位移成非线性关系,这意味着结构本身产生了大位移或大转动。所谓大,不一定是指量值很大,而是指不计及这种位移或转动时,会导致计算结果出现很大误差,甚至使分析计算无意义。
几何非线性效应一般可分为以下四类:
(1)大位移(或大转动)、小应变结构在一定载荷下,尽管应变比较小,但会产生较大的位移,这时必须考虑变形对求解过程的影响,平衡条件等应考虑变形后位形。这样一来,控制方程将体现出明显的非线性。这种几何非线性效应表示为由于结构变形导致的单元 空间方位变化而引起的结构刚度变化。
(2)大位移、大应变典型的问题如金属的成形过程分析,材料在荷载作用下可能出现的较大非线性弹性应变。处理这类大应变问题时除了采用非线性的平衡方程和几何关系以外,由于大应变的特点,还需要引人相应的应力-应变关系,很多大应变问题和材料的非弹性性质相联系。
(3)应力刚化结构的面外刚度可能大大地受结构中面内应力状态的影响。面内应力和横向刚度之间的耦合,通称为应力刚化。薄的、高应力的结构,如缆索或薄膜结构,是最明显的应力刚化的例子。该分析功能适用于任何结构,但最适合于抗弯较弱的结构。
(4)旋转软化 旋转软化是指动态质量效应调整(软化)旋转物体的刚度矩阵。
由于膜结构中的索、膜构件只能承受拉力、不能.承受压力和弯矩作用,对外荷载的抵抗主要通过变形来实现,因而膜结构在外荷载作用下变形较大,计算时应考虑结构的几何非线性。四种几何非线性效应中,膜结构建筑的计算分析中涉及(1)和(3)。
材料非线性
膜材是非线性材料,其应力-应变曲线在应力较大时变化较大,但通常设计应力比断裂强度小得多,因此计算时可近似认为膜材是线弹性的,但应考虑膜材的各向异性。


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