充氣膜結(jié)構(gòu)找形簡析

常鵬呂釗

鄭州市臥龍游樂設(shè)備有限公司 河南 鄭州450000

充氣膜結(jié)構(gòu)找形首先應(yīng)當(dāng)從分析充氣膜非線性有限元基本原理入手，并以此為基礎(chǔ)探討充氣膜的設(shè)計(jì)思想，通過氣承式膜結(jié)構(gòu)成形原理來準(zhǔn)確找形。

一、充氣膜結(jié)構(gòu)簡析

1.充氣膜的發(fā)展。充氣膜結(jié)構(gòu)根據(jù)形成方式可以細(xì)分為氣承式膜結(jié)構(gòu)、氣囊式膜結(jié)構(gòu)、氣枕式膜結(jié)構(gòu)、氣肋式膜結(jié)構(gòu)四類。充氣膜結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)60年代至80年代得到了較完全開發(fā)，并且在世界各地建造了許多著名的大型體育場。由于氣承式膜結(jié)構(gòu)非完全具有氣密性，因此這種結(jié)構(gòu)需要較高能耗，才能夠保持氣膜內(nèi)部所需的恒定內(nèi)壓。氣承式膜結(jié)構(gòu)在大雪、大風(fēng)等惡劣氣候條件下受到外部荷載影響較大，自20世紀(jì)80年代后期，氣承式膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改良，通過增加矢高來提升結(jié)構(gòu)的安全性抵抗極端天氣。21世紀(jì)伴隨著新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，電氣設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，充氣膜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)安裝工藝的不斷改良，充氣膜結(jié)構(gòu)的整體能耗也得以降低。可以看到充氣膜結(jié)構(gòu)在全球范圍內(nèi)得到了普遍認(rèn)可。

2.氣承式膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。氣承式膜結(jié)構(gòu)的膜材密封錨固在地基基礎(chǔ)之上，供風(fēng)電氣設(shè)備向充氣膜內(nèi)部連續(xù)供應(yīng)空氣，形成充氣膜內(nèi)部正壓，進(jìn)而形成結(jié)構(gòu)成形剛度，保持氣承式膜結(jié)構(gòu)的成形穩(wěn)定性。氣承式膜結(jié)構(gòu)作為一種輕質(zhì)大跨度無柱無梁的空間結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組件工廠生產(chǎn)模塊化預(yù)制化，施工安裝與拆卸快捷，氣膜外觀具有自潔性、經(jīng)濟(jì)性、藝術(shù)性等特點(diǎn)，使得氣承式膜結(jié)構(gòu)在工業(yè)倉儲、體育場館等大跨度建筑領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。

3.充氣膜找形基本原理。在充氣膜找形過程中，由于充氣膜結(jié)構(gòu)沒有彎矩，只承受內(nèi)壓與外部荷載產(chǎn)生的拉力。考慮到充氣膜的初始態(tài)、荷載態(tài)下的膜面受力與位移情況，因此需要采用非線性有限元法分析法，可以獲得較為良好的效果。技術(shù)人員在建立平衡方程時(shí)必須要考慮結(jié)構(gòu)非線性變形的影響，并設(shè)定平衡條件。

二、氣承式膜結(jié)構(gòu)找形要點(diǎn)

1.程序設(shè)計(jì)。技術(shù)人員在編程過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)初始形狀和應(yīng)力狀態(tài)建立初始剛度矩陣，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算位移和應(yīng)力，然后根據(jù)新的形狀和應(yīng)力狀態(tài)校正剛度矩陣，重新計(jì)算相應(yīng)的位移和應(yīng)力，然后反復(fù)迭代地滿足特定的收斂條件。現(xiàn)階段成熟的氣膜設(shè)計(jì)軟件有3D3S、easy等。

2.膜面基本受力原理與形態(tài)設(shè)計(jì)。氣承式膜結(jié)構(gòu)形態(tài)在力學(xué)角度為非負(fù)高斯曲面，以相應(yīng)的內(nèi)部壓強(qiáng)來維持結(jié)構(gòu)形態(tài)，充氣膜結(jié)構(gòu)形態(tài)平衡基本方程為σ1/r1+σ2/r2=p。以橫截面為半圓弧形氣承式膜結(jié)構(gòu)為例，其膜面應(yīng)力以膜面半徑和內(nèi)壓可表達(dá)為F=PRC，矢高或半徑的變化，膜面應(yīng)力隨之變化，當(dāng)膜表面的預(yù)應(yīng)力確定時(shí)需要設(shè)定充氣膜材本身的彈性模量，才能夠更好地進(jìn)行找形工作。氣膜投影形狀影響膜面位移，投影為矩形的充氣膜結(jié)構(gòu)膜面重心處膜面位移最大，受力亦最大；投影長寬比在1至1.5之間，充氣膜結(jié)構(gòu)直段變形明顯。

3.結(jié)構(gòu)找形的膜材選型與壓強(qiáng)設(shè)定。氣承式膜結(jié)構(gòu)的膜材選型有PVC、PVDF、PVF等材質(zhì)，以上材料主要區(qū)別在于表面處理不同。P類膜材基布為聚酯纖維紗線采用各種編制工藝制作而成，表面涂覆聚合物，膜材強(qiáng)度取決于基布。膜材的力學(xué)性能有抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度、斷裂延展率、彈性模量等。在充氣膜的找形發(fā)現(xiàn)分析中，氣壓作為一種載荷起到作用，并且還會導(dǎo)致膜表面的預(yù)應(yīng)力隨之變化。在另一方面膜外部荷載應(yīng)被視為非保守力，會使得充氣膜載荷改變方向。對于充氣膜形狀探索分析控制的兩個(gè)因素，分別是氣壓和預(yù)應(yīng)力。技術(shù)人員通過結(jié)構(gòu)分析力學(xué)計(jì)算，選擇抗拉強(qiáng)度適宜強(qiáng)度的P類膜材，設(shè)定適當(dāng)?shù)某錃饽?nèi)壓與材料預(yù)應(yīng)力，是氣承式膜結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確找形的關(guān)鍵。

4.矢跨比在找形中的考慮因素。平面為圓弧形的建筑承受風(fēng)壓較方形或矩形建筑承受風(fēng)壓減少近40%，在非地震區(qū)，風(fēng)荷載是氣膜建筑外部荷載的主要水平力，雪荷載是氣膜建筑外部荷載的主要豎直力。矢跨比小的氣承式膜結(jié)構(gòu)，相同壓強(qiáng)作用下，豎直方向抵御外部荷載能力差，因此需要較高的充氣膜內(nèi)壓；結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)膜面頂部局部積雪聚集導(dǎo)致膜面下陷，嚴(yán)重的情況則出現(xiàn)氣膜坍塌的后果。但是矢跨比小的氣膜具有優(yōu)良的抗風(fēng)性能，適合少雪地區(qū)。矢跨比大的氣膜頂部小角度水平面積比矢跨比小的氣膜減少，抗雪性能有效提升。但矢高的增加導(dǎo)致氣膜水平方向受力荷載面積變大，膜面易受水平荷載產(chǎn)生膜面波動(dòng)位移。氣膜波動(dòng)則會導(dǎo)致氣膜錨固點(diǎn)與鋼纜節(jié)點(diǎn)磨損氣膜。因此氣承式膜結(jié)構(gòu)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。采用合理的氣承式膜結(jié)構(gòu)矢跨比，充氣膜結(jié)構(gòu)找形準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全合理。

5.增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵御荷載能力。氣承式膜結(jié)構(gòu)的輔助約束不同，則導(dǎo)致膜面的受力分布不同。跨度不同的氣承式膜結(jié)構(gòu)外部可以布置不同形式的鋼纜：跨度30米以下膜材自身強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)受力的許用應(yīng)力范圍；30米至40米跨度氣膜外部可需添加縱橫鋼纜劃分膜面單元，分散膜面受力，減小氣膜形變位移，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性；大于40米跨度的氣膜結(jié)構(gòu)找形可布置斜向鋼網(wǎng)，鋼網(wǎng)網(wǎng)格將膜面約束為若干形狀大小相同或相似的膜面單元，膜面應(yīng)力被鋼網(wǎng)均勻分散，分散的膜面應(yīng)力通過鋼網(wǎng)傳遞到氣膜約束邊界之上。配置有鋼網(wǎng)的氣承式膜結(jié)構(gòu)，膜面位移得到有效限制，結(jié)構(gòu)承受荷載能力顯著提高。

三、結(jié)束語

(1)氣承式膜結(jié)構(gòu)的成形特點(diǎn)是不受彎矩，內(nèi)壓、預(yù)應(yīng)力、彈性模量是找形的關(guān)鍵因素。初始態(tài)與荷載態(tài)內(nèi)部壓強(qiáng)選擇適宜，氣膜投影布局規(guī)劃合理，膜面曲率變化過渡均勻，則氣膜找形合理。

(2)氣承式膜結(jié)構(gòu)找形應(yīng)以氣膜的使用環(huán)境為參考依據(jù)，模型矢跨比宜設(shè)定在0.3到0.4之間，氣膜結(jié)構(gòu)抵御外部荷載能力較佳，材料選型經(jīng)濟(jì)。

(3)氣承式膜結(jié)構(gòu)外部約束鋼纜或鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可降低膜材選型強(qiáng)度，有效的提升氣膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抵御外部荷載能力。鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)較鋼纜結(jié)構(gòu)對膜面的約束分布更均勻，分散膜面受力荷載效果佳。充氣膜外部的輔助約束結(jié)構(gòu)形式是找形考慮的重要因素。