索膜结构挑篷的设计研究

陈仁慧

【摘要】索膜结构的设计过程主要有前处理、找形设计、荷载分析、剪裁设计和下部结构设计与验算五个阶段。其分析计算需要有一定的数学、力学和工程学基础。在进行实际工程设计时，必须按步骤循序渐进的进行计算分析。

【关键词】索膜结构；找形设计；剪裁设计

1概述

索膜结构挑篷[1]，由于采用膜材這种新型材料和很大的跨度，有其比较独立的设计流程。

索膜结构的设计过程主要有前处理、找形设计、荷载分析、剪裁设计和下部结构设计与验算五个阶段。对于找形设计和剪裁设计，由于膜材大变形和非线形等特殊性质，需要有专门的软件来进行分析。目前许多膜结构公司都开发出自己专用的膜结构分析软件，各高校开展这方面研究的也很多。荷载分析这一阶段是比较接近于传统结构的，也常常依赖于大型的有限元结构分析软件进行计算，包括强度分析、稳定分析、动力分析等。

2、索膜结构挑蓬设计的一般过程

现代索膜建筑的设计过程是把建筑功能、内外环境的协调、找形和结构传力体系分析、材料的选择与剪裁集成一体。借助于计算机的图形和多媒体技术进行统筹规划与方案设计，再用结构找形、体系内力分析与剪裁的软件，完成索与膜的下料与零件的加工图纸，最后结合下部结构进行验算[2]。

索膜结构的整个设计过程是建筑、结构方案的选择与结构分析计算的交叉反复，如果没有专用的计算机辅助设计系统的应用，很难想象在短时间内能够得出最优的方案。计算机辅助设计系统的应用，是膜结构设计方法发展的必然趋势。膜结构是一种新颖的结构形式，其相应的计算机辅助设计系统必有特殊性。现就目前膜结构计算机辅助设计系统的开发情况，论述一下索膜结构设计的一般过程。

2.1前处理

主要定义膜结构的几何模型、材料特性、外荷载，并能从各个角度显示出结构的外形以验证几何形状的正确性，同时生成结构分析系统进行找形分析、荷载分析所需要的数据。目前可视化软件多采用图形输入法输入结构的几何外形。图形输入法是直接输入结构的图形，而不是图形的几何数据，具有直观、形象的特点。图形输入法是以人机交互方式工作的，可以边输入边显示，有错即改，有漏就补，十分方便灵活。材料的特性主要包括膜材的经纬两方向的弹性模量、最大允许应力，脊索、边索的弹性模量、最大允许应力，外荷载主要包括风荷载、雪荷载、自重等，另外还包括初始预应力值、受压构件的截面面积等。

2.2找形、荷载分析

膜结构的找形分析和荷载分析可以合称为结构分析，主要完成膜结构的找形、形状判定和内力分析，输出位移、应力和其他后处理系统所需要的数据文件。

膜结构是纤维织物构成的。虽然膜材在平面内能承受很大的拉力，但它不能承受平面内的压力和平面外的弯矩，不然膜面会松弛，继而失去刚度出现俗称的褶皱。判断结构是否会出现褶皱是判断索膜结构预应力大小选取是否合适、判断索膜结构建筑外形是否合理的一个关键因素。找形和荷载分析的最主要目的也在于此。有褶皱的索膜结构不能体现索膜建筑的力与美。

通过找形，得到了结构的曲面几何及其相应的预应力分布，接下来的工作就是荷载的分析了。

荷载态分析的目的，是检查在各种荷载组合下，结构的刚度是否足够，膜面的应力和变形是否在许可的范围内，亦即是否能保证结构的稳定及防止褶皱的出现，是否会出现过大的变形导致应力松弛或因应力过大导致膜材破坏，是否在风雪荷载因变形过大而影响结构的使用功能，是否会因风激振动而导致结构破坏，等等。

作用于索膜结构上的荷载主要有：自重，设备重量，风雪荷载以及维护荷载等等。这些荷载都可以作为面荷载转化为等效节点力。

在膜结构受荷分析的过程中，风荷载常常是结构的起控制作用的荷载。韩国济州岛世界杯足球赛场的膜结构在2002年的台风中也被掀去了[3]，主要原因是由于局部构造措施不当，导致应力集中所致。对于很简单的几何形式，规范是可以借鉴，对于重要性的结构，风洞实验是确定设计参数的必要手段。

索膜结构受荷分析时，雪荷载也是很重要的荷载。雪荷载对膜结构的影响不仅是考虑膜结构对雪荷载的承受能力，是否会被罕见的大雪压跨。积雪对膜的影响不仅仅如此，由积雪造成的膜长期受荷所产生的非常规徐变会减低膜的预张力，严重的话会造成膜丧失预张力导致失稳。有可能的话，在结构选形时要尽量避免产生积雪。也就是说，曲率设计切忌平缓，这在北方尤其重要。需要注意的是，积雪荷载通常是非均匀分布的，要视结构的表面形状作相应的调整。

2.3剪裁分析

剪裁分析和下部结构验算构成了后处理。结果显示应该能从各个方向显示膜结构的线框图形和位移，并且能显示其实体模型，此外显示模块还应具有另一重要功能即应力的可视化，如采用应力彩色图和应力数值标注相结合的方式显示模结构的应力，这样就非常容易找到应力异常区和褶皱区。

剪裁分析的方法有很多种，一般是在初始形态分析的基础上，利用不同的离散方法进行拟合。常用的方法如动态规划法，把空间任意曲面近似展成平面，即基于动态规划的基本思想，把空间任意曲面划分成有限个相邻的条块（称之为条元），依次藕联计算出每一条元的展开形状，便可得到整个曲面的展开；应用单值变换把空间曲面近似展成平面；有根据测地线的原理，应用广义泛函变分取极值，得到膜结构曲面上的测地线，然后依据测地线计算裁剪线，生成裁剪图。

剪裁分析的功能主要生成考虑由初始预应力引起的经、纬方向伸长和连接影响的剪裁下料图和DXF等格式能被普通计算机辅助制造系统接受的数据文件，以便据此利用人工和计算机辅助制造系统进行膜材的剪裁操作。

2.4下部结构验算

对下部结构进行验算通常有两种方法，一种是将上部索膜结构和下部支撑结构分开分析，在下部结构模型上盖上轻型屋面板，轻型屋面板作为恒荷载，应用荷载传递的原理，将荷载作用下产生的支座反力作为荷载施加在下部结构上，再进行下部结构的分析计算，这种方法适用于支撑结构刚度较大，控制点位移较小的情况下，分析效率较高，同时复杂程度大大降低。

第二种是将找形后的索膜屋面与下部结构组成一体，用非线形有限元方法分析结构在各种荷载组合下的位移、支座反力及内力等，此方法适用于支撑结构较柔，在外荷载的作用下会发生较大的变形，在迭代计算过程中，索膜结构与支撑结构会发生相互作用，并且在相互作用下协同变化。

3、结语

索膜结构挑蓬的设计不同于传统结构，其分析计算需要有一定的数学、力学和工程学基础。随着计算机技术的发展、软件水平的提高，利用计算机技术来进行膜结构的设计已经成为索膜结构挑蓬设计的根本保证。虽然有多种分析理论被提出来，并运用于索膜结构的分析。但不论采用那种理论，其设计步骤都是相同的。

参考文献

[1] 严慧，夏循.我国内地膜结构的工程应用与发展前景[J].钢结构， 2004（2）： 4-5

[2] 盛松.浅谈索膜结构的设计与施工[J].工程建设与档案， 2002（3）： 19-20.

[3] 罗永赤.膜结构工程事故分析[J]. 特种结构， 2006（1）： 17-21.