膜结构停车棚计算中的几个问题

膜结构停车棚计算中的几个问题

1.几何非线性问题

 

　　尽管膜结构停车棚的找形有不同的理论和方法，但荷载态的分析大都采用非线性有限元法，即将结构离散为单元和结点，单元与单元通过结点相连，外荷载作用在结点上，通过建立结点的平衡方程反复迭代求解。

 

　　由于膜结构的求解问题具有小应变、大变形的特点，因此在推导有限元方程时需考虑位移高阶项对应变的影响，亦即考虑几何刚度的影响。

 

2. 材料非线性与各向异性

 

　　基于以下原因，织物膜材从本质上讲是非线性的：经纬向纤维本身的性能是非线性的；纤维间的约束与经纬向应力比有关；涂层的性能是非线性的，并受时间的影响；由于编织，经纬向纤维在初始状态是松弛的，而涂层对纤维受拉变直又有约束作用。因此，膜材的应力—应变曲线在应力较大时呈现很强的非线性（如图 3 所示），同时呈现很强的正交异性性能, 一些膜材的经纬向变形能力相差达 5 倍左右。

 

　　由于设计中所采用的预张力及工作应力远小于膜材的抗拉强度（通常预张力不超过 5%的抗拉强度，工作应力不超过 20%的抗拉强度），在设计应力范围内，可近似认为膜材是在线弹性范围内工作。计算中经纬向采用各自相应的弹性常数。

 

3. 徐变问题

 

　　徐变是指结构在高应力作用下，随着时间的推移在构件中产生的塑性变形。松弛则是指在构件两端固定的情况下，由于徐变变形而导致其应力随时间的增长而逐渐降低的过程。徐变和松弛是相互关联的，它揭示了材料的粘弹性力学性能随时间的变化规律。徐变的特点是：（1）开始阶段发展较快；（2）预应力越大，松弛损失就越大；（3）应力损失与构件材料有关；（4）与温度的高低有关。　

 

　　国外一些实测资料显示，索结构由于徐变所导致的预张力损失可达到 10％－25％左右；膜面因徐变所导致的预张力损失随膜材的种类和品牌不同而不同。为消除由于徐变所带来的预张力损失，施工时，可对索和膜实施适当的超张拉；或者在结构施工一段时间后（通常为半年到一年左右），对结构实施二次张拉。对采用 PVC 膜材料的工程，二次张拉尤其有必要。

 

　　松弛不仅与材料的徐变效应有关，还与连接锚固处的滑移、支座移动、温度应力、反向荷载等因素有关。通过荷载效应分析，可以调整索和膜面的形状及初始预张力，避免因松弛而导致局部索或膜面退出工作，以保证结构的整体刚度。

 

4. 与支承结构的协同计算问题

 

　　膜结构停车棚通常是支承在下部钢结构上或直接与地锚相连。设计时不但要考虑膜自身的应力和变形，还要考虑下部钢结构和地锚的工作性能。换句话说，膜结构的设计应与钢结构和基础的设计同时进行。通常在设计膜结构时，将膜结构与下部支承结构分开计算，即先将支承点看作不动铰支座对膜结构做内力分析，然后再将膜结构计算的反力值施加到钢结构或基础上，计算下部结构。对于刚性支承体系的膜结构， 刚性边界或支承构件在膜面张力作用下的变形会引起膜面张力损失；当支承点有可能产生较大位移时，也必须考虑其对膜结构内力分布的影响。 这就需要将膜与下部支承体系一起进行整体计算。需要说明的是，下部支承结构并非越刚越好；相反，在某些情况下，下部支承结构的位移可以促使膜内的应力重分布，使应力趋于均匀，减少可能出现的应力集中或褶皱现象。

 

　　膜材自重较轻，地震对膜结构的影响较小，故一般可不考虑索、膜构件的地震作用。当下部支承结构在地震作用下有可能产生较大变形时，在膜结构设计中就必须考虑这一因素的影响。将膜与下部支承体系一起进行协同计算，有利于对膜结构进行抗震分析。

 

5. 褶皱的处理问题

 

　　褶皱是指膜材在单向拉应力状态下出现的平面外变形。膜面的褶皱可分为两种：一种是因膜面在一个方向上张力消失导致膜材松弛而产生，称之为结构褶皱；另一种是因膜材生产过程缺陷、热合不当或包装折叠不当而产生，称之为材料褶皱。结构褶皱是临时的，会随膜面重新受拉而消失，而材料褶皱是永久的。通常所说的褶皱是指前者，即结构褶皱。

 

　　褶皱对膜结构停车棚的影响不仅体现在视觉效果上，对结构性能的影响也是不可忽视的。褶皱的出现将导致膜面预张力的重分布，从而使得膜面某些区域的应力低于设计值，而另一些区域的应力高于设计值。当膜面应力低于设计值时，将导致结构局部刚度降低，易产生微风振动；当膜面应力高于设计值时，将导致膜材产生较大的应变和徐变，甚至发生膜材局部撕裂。此外褶皱还会影响结构的美观和排水性能；因此应尽量避免膜材在正常使用状态（长期荷载组合）下出现褶皱。

 

　　在荷载态分析中，可以通过对单元主应力的计算来判别褶皱单元。设单元主应力为σ1 和σ 2，且σ1 >σ 2 ，则：

 

1) σ1 > 0，σ 2> 0，单元正常工作；

 

2) σ1 < 0，σ 2 < 0，单元退出工作；

 

3) σ1 > 0，σ 2 < 0，单元为单向受拉。

 

　　对于第三种情况--单向受拉，可认为将出现褶皱。计算时可采用修改褶皱单元刚度矩阵的方法来减小或忽略褶皱单元对整体刚度矩阵的贡献。如果结构在荷载作用下产生较多褶皱，说明结构的刚度不足，找形得到的曲面存在“病态”。此时应回到找形阶段，对曲面进行修正，即通过修改局部区域的边界条件或

调整预张力的方法来修正结构的刚度。