张力结构体系设计的关键问题

摘 要：介绍张拉膜这种张力结构来说明张力结构设计的关键问题，总结了其在荷载、受力、分析等方面有别于一般建筑结构的特点。

关键词：张力结构 索膜结构 张拉膜结构 找形
一、张力结构设计的一般原则

张力结构体系的分析设计应分为三个状态：初始几何态、预应力（初）态和荷载（终）态。虽然，在张力结构体系的初始几何态分析时也需考虑预应力，但是，初始几何态的预应力分析仅是为了张成曲面几何外形，而预应力态时的预应力分析才是结构的刚度分析。应该说刚度设计是结构设计的主要内容，通过调整预应力来改变结构刚度，从而改变结构的力流，改变结构性能。在设计中增加截面并不是一种好的方法，改变形态、改变刚度可以收到事半功倍的效果。荷载态的分析主要是进行强度校核。

在刚性结构设计中，结构的几何外形是已定的，结构的变形也不影响结构的刚度特征。然而在张力结构设计中，寻求初始几何外形的分析和设计是十分重要的。如果结构的几何外形设计好，不是使结构处于病态，就是使结构产生过大的张力而导致下部结构或边缘构件的设计产生困难。对于复杂体形的张力结构，其几何外形的设计伴随着维持其曲面张成所需的预应力设计。张力结构的初始几何外形设计的难度和分析设计重要性均甚于荷载态时的分析设计。

在张力结构的设计中，要保证能施加足够的预应力，必须有合适的节点构造。张力结构的节点除了具有一般节点的设计要求以外，还有区别于传统结构节点的显著特点，即该类节点具有互索的功能。例如，与节点相连的索单元拉力和杆单元压力使得节点的刚度得到加强。张力结构的节点刚度是与体系的应力水平相适应的，这也是与传统的结构体系的重要区别。

二、索膜结构的设计

张拉膜结构是膜结构中最常见的一种形式,即通过对膜材内部施加一定的预张力,使其具备了抵抗外荷载能力,从而充当结构材料的一种结构体系。张拉膜结构是通过给膜材及加劲索施加预张力使之具有刚度并承担外荷载的结构，又称之为索－膜结构。这种形式能够充分利用膜材的受力性能,形成轻巧、美观、具有现代感的空间大跨曲面结构,并且施工简单、快捷,成本低,在国外已经被广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑、户外设施、文化娱乐建筑等各种领域,目前在我国,相应的应用开发工作也已逐渐展开,并且无疑存在着巨大的发展前景。

1．索膜结构的设计过程

张力结构属于柔性结构，因此其设计过程不同于一般传统的刚性结构。其设计一般可以分为3个阶段：形态分析，荷载分析和裁剪分析。

（1）形态分析

形态分析包括结构初始试形状的确定和结构初始几何态的分析，即找形分析的过程。其目的是确定满足控制点边界条件和初始预应力荷载平衡条件的膜结构形状，以及与之相关的初始预应力分布。结构在外部荷载作用下从初始状态变形至工作状态的问题是弹性和弹塑性变形问题，可以采用非线性有限元予以求解。

（2）荷载分析

荷载分析是检验结构能否在实际环境中风、雨或雪等荷载作用下正常工作，不发生过大的变形和不出现褶皱和松弛。在进行荷载分析时，应对计算的各个单元中的最大应力和最小应力进行判断。若在迭代过程中出现膜的褶皱或松弛，应相应修改其单元本构矩阵后再进行下一步的迭代。

（3）裁剪分析

膜结构的裁剪分析是膜结构设计中的一个关键技术。现有研究裁剪的工作是在基于形状判定和荷载分析之后的特定几何外形上进行的。裁剪分析中最棘手的问题是考虑初始预应力造成的膜材经、纬方向的伸长对裁剪下料的影响。膜结构是张力结构的一种，其整体刚度主要由初始预应力提供，单片膜材的裁剪和拼接是在无应力状态下进行的，而结构张成后膜材必须处于全张力状态。裁剪分析过程中，必须选定合适的裁剪式样并精确确定连接坐标，把膜材由空间的预应力状态还原为平面的无应力状态。而一般情况下这时所对应的结构的整体刚度趋于零。据此建立的非线性方程组将变为奇异方程组，这样得到的解可能是病态的。所以如何把膜材由预应力状态还原为无应力状态是进行膜结构裁剪分析中的关键技术，但这个问题至今还未得到很好的解决。

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