充气膜结构找形简析

2020-07-13常鹏吕钊

探索科学(学术版) 2020年1期

常鹏吕钊

郑州市卧龙游乐设备有限公司河南郑州450000

充气膜结构找形首先应当从分析充气膜非线性有限元基本原理入手，并以此为基础探讨充气膜的设计思想，通过气承式膜结构成形原理来准确找形。

一、充气膜结构简析

1.充气膜的发展。充气膜结构根据形成方式可以细分为气承式膜结构、气囊式膜结构、气枕式膜结构、气肋式膜结构四类。充气膜结构在20世纪60年代至80年代得到了较完全开发，并且在世界各地建造了许多著名的大型体育场。由于气承式膜结构非完全具有气密性，因此这种结构需要较高能耗，才能够保持气膜内部所需的恒定内压。气承式膜结构在大雪、大风等恶劣气候条件下受到外部荷载影响较大，自20世纪80年代后期，气承式膜结构进行技术改良，通过增加矢高来提升结构的安全性抵抗极端天气。21世纪伴随着新材料、新技术的出现，电气设备的技术发展，充气膜结构生产安装工艺的不断改良，充气膜结构的整体能耗也得以降低。可以看到充气膜结构在全球范围内得到了普遍认可。

2.气承式膜结构的特点。气承式膜结构的膜材密封锚固在地基基础之上，供风电气设备向充气膜内部连续供应空气，形成充气膜内部正压，进而形成结构成形刚度，保持气承式膜结构的成形稳定性。气承式膜结构作为一种轻质大跨度无柱无梁的空间结构，其结构组件工厂生产模块化预制化，施工安装与拆卸快捷，气膜外观具有自洁性、经济性、艺术性等特点，使得气承式膜结构在工业仓储、体育场馆等大跨度建筑领域被广泛运用。

3.充气膜找形基本原理。在充气膜找形过程中，由于充气膜结构没有弯矩，只承受内压与外部荷载产生的拉力。考虑到充气膜的初始态、荷载态下的膜面受力与位移情况，因此需要采用非线性有限元法分析法，可以获得较为良好的效果。技术人员在建立平衡方程时必须要考虑结构非线性变形的影响，并设定平衡条件。

二、气承式膜结构找形要点

1.程序设计。技术人员在编程过程中应当根据初始形状和应力状态建立初始刚度矩阵，并以此为基础计算位移和应力，然后根据新的形状和应力状态校正刚度矩阵，重新计算相应的位移和应力，然后反复迭代地满足特定的收敛条件。现阶段成熟的气膜设计软件有3D3S、easy等。

2.膜面基本受力原理与形态设计。气承式膜结构形态在力学角度为非负高斯曲面，以相应的内部压强来维持结构形态，充气膜结构形态平衡基本方程为σ1/r1+σ2/r2=p。以横截面为半圆弧形气承式膜结构为例，其膜面应力以膜面半径和内压可表达为F=PRC，矢高或半径的变化，膜面应力随之变化，当膜表面的预应力确定时需要设定充气膜材本身的弹性模量，才能够更好地进行找形工作。气膜投影形状影响膜面位移，投影为矩形的充气膜结构膜面重心处膜面位移最大，受力亦最大；投影长宽比在1至1.5之间，充气膜结构直段变形明显。

3.结构找形的膜材选型与压强设定。气承式膜结构的膜材选型有PVC、PVDF、PVF等材质，以上材料主要区别在于表面处理不同。P类膜材基布为聚酯纤维纱线采用各种编制工艺制作而成，表面涂覆聚合物，膜材强度取决于基布。膜材的力学性能有抗拉强度、抗撕裂强度、断裂延展率、弹性模量等。在充气膜的找形发现分析中，气压作为一种载荷起到作用，并且还会导致膜表面的预应力随之变化。在另一方面膜外部荷载应被视为非保守力，会使得充气膜载荷改变方向。对于充气膜形状探索分析控制的两个因素，分别是气压和预应力。技术人员通过结构分析力学计算，选择抗拉强度适宜强度的P类膜材，设定适当的充气膜内压与材料预应力，是气承式膜结构准确找形的关键。

4.矢跨比在找形中的考虑因素。平面为圆弧形的建筑承受风压较方形或矩形建筑承受风压减少近40%，在非地震区，风荷载是气膜建筑外部荷载的主要水平力，雪荷载是气膜建筑外部荷载的主要竖直力。矢跨比小的气承式膜结构，相同压强作用下，竖直方向抵御外部荷载能力差，因此需要较高的充气膜内压；结构易出现膜面顶部局部积雪聚集导致膜面下陷，严重的情况则出现气膜坍塌的后果。但是矢跨比小的气膜具有优良的抗风性能，适合少雪地区。矢跨比大的气膜顶部小角度水平面积比矢跨比小的气膜减少，抗雪性能有效提升。但矢高的增加导致气膜水平方向受力荷载面积变大，膜面易受水平荷载产生膜面波动位移。气膜波动则会导致气膜锚固点与钢缆节点磨损气膜。因此气承式膜结构矢跨比不宜小于0.33，50米以上跨度以上矢跨比不宜大于0.4。采用合理的气承式膜结构矢跨比，充气膜结构找形准确、结构设计安全合理。

5.增强结构抵御荷载能力。气承式膜结构的辅助约束不同，则导致膜面的受力分布不同。跨度不同的气承式膜结构外部可以布置不同形式的钢缆：跨度30米以下膜材自身强度满足结构受力的许用应力范围；30米至40米跨度气膜外部可需添加纵横钢缆划分膜面单元，分散膜面受力，减小气膜形变位移，增强结构的安全性；大于40米跨度的气膜结构找形可布置斜向钢网，钢网网格将膜面约束为若干形状大小相同或相似的膜面单元，膜面应力被钢网均匀分散，分散的膜面应力通过钢网传递到气膜约束边界之上。配置有钢网的气承式膜结构，膜面位移得到有效限制，结构承受荷载能力显著提高。