脊谷式张拉膜结构风振特性分析

张拉式膜结构属风敏感体系,对其在脉动风荷载作用下的动力性能进行准确评估一直是该类结构设计中的重要内容．但国内以往在这方面的研究较少,该问题一直没有很好地解决．本采用非线性随机模拟时程分析方法对张拉式膜结构的典型形式之一——脊谷式膜结构的风振响应特性进行系统的参数分析,探讨了来流特性、跨度、高跨比、膜预张力等参数对结构动力性能的影响．在此基础上,本提出了一种针对于张拉膜结构特点的抗风设计方法．     

膜结构的概念设计与形态优化

膜结构是一种建筑与结构完美融合的结构形式,"形"和"态"是膜结构设计中的重要概念.为实现形态设计的合理性,国内外学者已开展了大量研究,提出多种形态分析方法.但是形态分析并不等同于形态设计,要实现设计合理性还需要在概念设计和分析结果优化两方面开展工作.本文首先介绍了一些典型膜结构的建筑造型和力学特点,探讨了膜结构概念设计的一些基本原则;然后提出了以"刚度最大"、"受荷后应力分布最均匀"和"支反力最小"为优化目标的基于遗传算法的膜结构多目标形态优化方法;最后应用该方法对几种典型的膜结构进行了形态优化分析,得到了一些可用于指导膜结构概念设计的参数较优取值范围.     

脊谷式索膜屋盖的风洞试验研究

脊谷式索膜结构为类似双坡屋盖的空间曲面造型,具有风敏感性。结合台州大学风雨操场屋盖的风洞试验进行研究,通过分块体型系数和局部风压体型系数分析了该类结构的表面风荷载分布特性,并与相关规范进行比较,得出一些适用于设计的建议。     

门式刚架的参数优化及设计建议

根据设计经验和规范的建议,本文选取了门式刚架的常用建筑尺寸和梁柱形状,在满足规范对门式刚架强度、刚度和稳定的前提下,以单位面积用钢量最小为优化目标,对影响刚架用钢量的主要离散参数（如结构形式、荷载、柱距、跨度、高度、坡度和梁柱构件等）进行了优化分析和设计.根据分析结果,提出了结构的最优布置及诸参数的建议取值,以供设计参考.     

荷载作用下气枕式ETFE膜结构受力性能分析

对气枕式ETFE膜结构的受力性能进行了研究,分析了均布荷载作用下ETFE膜结构气枕的膜面位移和内力随荷载变化的规律,分别考察了气枕的初始内压、高跨比、薄膜厚度等参数对气枕位移、膜面应力的影响,给出了其参数变化影响规律.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了受力分析,分别给出了初始形态下和受荷状态下边缘构件的受力特点.通过分析,给出了设计建议.     

典型张拉膜结构风压分布特性数值分析

为研究典型张拉膜结构在风荷载作用下的受力特点,对鞍形、伞形、双跨脊谷式及拱支式4种张拉膜结构进行了系统的数值分析。基于雷诺时均法的k-kl-ω湍流模型对某一鞍形膜结构进行了数值分析,并将其结果与试验结果进行对比分析,验证了采用数值方法的准确性。对4种张拉膜结构进行数值模拟,分析了风向角、矢跨比、跨高比及跨度对结构平均风压分布的影响规律。结果表明:风向角对风压分布的影响最大,不同风向角下膜面最大风吸力出现的位置也不同,说明气流在屋盖前缘产生的漩涡脱落作用是影响屋面风荷载特性的主要因素;矢跨比的影响次之,迎风前缘的风压变化明显,其余区域变化较小。根据4种张拉膜结构的结构型式及风压分布特点将屋面分区,并依据本文的数值模拟结果给出了屋面各区域的风载体型系数,以期为工程设计提供参考。     

强降雨作用下具有初始凹陷的充气膜结构袋状效应研究

采用向量式有限元法对强降雨作用下具有初始缺陷的充气膜结构的袋状效应进行了研究.探讨了基于向量式有限元的膜单元内力公式、膜结构初始缺陷施加方式、强降雨模拟方法以及膜结构破坏准则等问题,提出了强降雨作用下膜结构袋状效应研究的基本假定和积水荷载计算方法,建立了膜结构袋状效应分析流程.最后通过编写MATLAB程序,对一正方形充气膜结构在强降雨作用下从袋状效应形成直至结构破坏的全过程进行模拟,验证了本文方法的正确性和有效性.     

一种膜结构裁剪分析的优化方法

裁剪分析是膜结构设计中的关键步骤,它决定了结构实际使用时的形状和应力分布.然而由于难以模拟膜结构由裁剪膜片拼接、张拉直至成型的过程,缺少求解膜结构实际平衡形态的方法,现有的裁剪分析方法无法确保得到的裁剪形状是最优的.本文定义了一个膜结构成型过程中的"中间形态",利用该形态将膜结构从初始形态张拉到平衡形态的过程划分为两个变形阶段,从而实现了由裁剪膜片拼接、张拉后膜结构实际平衡形态的求解.利用中间形态的特性,提出了一种力学方法来优化膜结构的裁剪分析,确保了膜结构在实际成型后的形状误差和应力误差最小.选取了一个中国帽模型作为算例,生成了最优化裁剪膜片,分析了结构在中间形态时的应力分布及其实际平衡形态,并与采用了相同模型的其他裁剪分析结果进行了对比.     

气枕式ETFE膜结构的初始形态分析

随着气枕式ETFE膜结构在北京2008奥运会国家游泳中心的大面积使用,这种结构形式在国内受到了越来越多的关注.本文对气枕式ETFE膜结构的初始形态分析进行了研究.首先利用AN SY S通用有限元软件配合APDL语言进行编程,完成了对膜结构初始形态的模拟,并对该方法进行了验证,得到了满意的结果.在此基础上对气枕式ETFE膜结构进行了初始形态分析,并对计算结果进行了讨论,为ETFE气枕式膜结构的设计在理论上作了一些有益的探索.     

郑州大学西亚斯国际学院篮球馆封闭组合张拉膜结构分析

以郑州大学西亚斯国际学院篮球馆为研究对象,应用有限元程序Ansys对其封闭组合膜结构体系进行了找形分析,借助支座提升和温度作用对膜施加初始预应力得到预求的膜结构形状.其形状满足建筑初步设计造型的要求,且膜上的应力分布比较均匀.随后又对成型后的膜结构体系进行了设计荷载下的静力分析,采用极限状态设计方法,选取了由自重、雪荷载和风荷载组合而成的四种工况.经分析计算,雪荷载和风荷载参与的工况组合对结构的影响较大,本文主要给出这两种情况下的结构反应.从而探讨了膜结构体系的受力和变形规律,为类似工程提供参考.     

膜结构的多目标形态优化

根据膜结构的力学特点,建立膜结构的多目标形态优化模型,确定"刚度最大"、"受荷后应力分布最均匀"和"支座反力最小"为优化目标,并明确各目标的数学表达形式;重点比较用于描述刚度的三种表达形式(应变能、最大位移和平均位移)在力学概念及优化结果上的区别;通过加权系数法将多目标优化问题转化为单目标问题,并采用遗传算法进行求解;最后,给出相关算例对上述理论和方法进行验证.研究结果表明:膜结构形态优化模型是有效的、实用的;采用不同的刚度描述指标对优化结果影响很大,其中,应变能最能反映膜结构刚度的本质,优化结果也更为合理;结合加权系数法和遗传算法,可以获得各项力学性能均较为理想的优化结果.     

膜结构设计(3)膜结构的荷载态分析与结构设计

由于膜结构特殊的力学特点 ,其结构分析与设计过程明显不同于传统结构。着重对膜结构荷载态分析中的一些主要问题进行了探讨 ,包括荷载取值、特别是风荷载的确定方法 ;荷载态分析的方法及需要注意的一些问题 ;常见的膜结构分析软件等。在此基础上 ,介绍了如何根据计算结果来判定结构性能的优劣 ,以及设计膜、索及索具等构件。     

矩形边界膜帐篷的合理形体

本文给出了用于帐篷结构设计的动力松驰法，采用这一方法计算了不同高跨比条件下的矩形边界膜帐篷的形体和最大应力比。根据分析计算结果给出了较优的参数建议。     

Dynamic geometrical shape measurement and structural analysis of inflatable membrane structures using a low-cost three-camera system

Inflatable membrane structures have gained considerable popularity in recent years owing to the advantages of light weight, beautiful surface and durability. This paper concerns the dynamic geometrical shape in-situ measurement and structural analysis of inflatable membrane structures using a low-cost three-camera system. The measurement system was developed based on three-dimensional (3D) digital photogrammetry. In order to acquire the high-quality measurement results, accuracy influence factors of the system were evaluated. Based on these considerations, dynamic geometrical shapes of inflatable membrane structures can be real-timely measured through the data processing which is used to determine the 3D coordinates of the target points pasted on membrane surfaces from the two-dimensional (2D) photographs captured by three cameras. Following the in-situ measurement of geometrical shape, the stress distributions of inflatable membrane structures can be determined based on the force equilibriums of membrane surfaces between the in-plane forces and out-of-plane loads. For verifying the proposed method, a selected ethylene-tetrafluoroethylene (ETFE) inflated cushion structure model was manufactured and employed for the experimental study of pre-inflated forming and normal working. By carefully analyzing and comparing the experimental results, it is observed that the measurement accuracy was better than 1/11000. More importantly, the geometrical shape of ETFE cushion still deformed with +5.81% difference during the normal working process of 6 months, resulting in that the maximum stress decreased with −3.49% difference.In general, this paper could provide an efficient and accurate method to measure the dynamic geometrical shapes of inflatable membrane structures, which is the basic information for the further structural analysis.     

浅谈膜结构褶皱研究

膜结构是一种新型的建筑结构形式；其特点为所用膜材虽然具有很大的张拉强度，但不具有弯曲刚度，当承受压缩应力时膜面会发生局部屈曲，产生褶皱。褶皱的出现既影响膜结构的美观，还对其力学性质产生影响，所以褶皱研究已成为膜结构方向的重要研究课题。文中阐述了膜结构褶皱发生的原理，并简要概括了国内外膜结构褶皱研究的成果和现状，以及对褶皱振幅和波长的预测理论，最后提出了今后的发展方向。     

膜结构风振响应的二维数值模拟研究

结合膜结构的风振响应特点,采用流固耦合问题数值计算方法,实现了二维情况下膜结构风场的数值模拟。阐述了膜结构流固耦合计算中的结构域与流体域的网格关系和流固耦合边界的控制条件。选择大涡模拟作为湍流模型,并采用隐式时间积分TR-BDF法对流体域的Navier-Stokes方程进行时间域的离散。对耦合系统的有限元方程组采用Newton-Raphson法进行求解。计算结果表明,湍流模型选择大涡模拟可以较好模拟二维情况下膜结构在流场中的脉动反应。对于一般性的算例,瞬态流场中膜的应力增加较为明显。合理选择膜结构体型可以减小膜结构风振响应的脉动幅度。     

飞机移动荷载作用下跑道地基响应范围变化规律

针对目前机场场道工程设计中未考虑飞机移动荷载特性、道面结构及地基土特性与土基影响深度之间关系的状况,基于国际平整度指数IRI的飞机移动荷载计算理论和层状弹性体系理论,构建了考虑道面结构—土基—飞机移动荷载的动力分析模型。系统分析了不同道面结构和不同机型在土基顶面产生的最大附加动应力分布规律,获得了飞机移动过程中最大附加动应力横向影响范围及随深度的变化规律。研究结果为机场场道工程设计及优化提供了理论依据和参考。     

伞形膜结构浮动环处的褶皱影响因素分析

伞形膜结构浮动环处的褶皱问题是困扰工程界的一个难题.褶皱不仅影响膜结构的美观,而且会对体系的受力性能产生影响.由褶皱的判别准则可知,褶皱产生的主要原因是第二主应力小于零.本文利用膜结构专用软件FT 分析了影响浮动环处膜单元第二主应力的各种因素,探讨了如何增加浮动环处膜单元的第二主应力.分析结果表明浮动环的形状、脊索预张力的大小和矢跨比均对浮动环处膜单元的第二主应力有不同程度的影响.此外,对工程实例的分析也验证了本文的结论.     

框式ETFE膜结构幕墙的性能分析

ETFE材料重量轻、透光率高、自洁性好、具有阻燃性,是一种可用于建筑围护系统中的新型建筑薄膜材料。根据支撑结构的不同,ETFE幕墙可分为框式薄膜幕墙和点支式薄膜幕墙。运用ANSYS软件对5个框式幕墙模型进行找形和荷载分析,结果表明:幕墙受荷膜面最大应力与荷载值基本呈线性变化关系;跨度为2m的ETFE幕墙的可用高度可以达到100m。     

索加强张拉膜结构的裁剪与拼接方法

从有限元平面应力方法出发,推导了适合索加强张拉膜结构的任意形状三维曲面展成二维平面的有限元公式,并编制了计算机程序,从而解决了膜结构的裁剪问题.