膜结构是一种新型建筑结构, 具有受力合理、造型新颖及经济性好等优点, 在大跨结构和景观设计中得到广泛百富策略白菜网。由于膜结构跨度大、质量轻、阻尼小、自振频率低, 受风荷载作用十分敏感。为使结构在风力作用下不发生破坏, 结构的抗风设计须满足强度要求。

本文以鞍形张拉膜结构为基本结构, 选用形状记忆合金弹簧进行控制, 用弹性支座代替铰支座, 通过控制支座降低整个膜面在风荷载作用下的振动。由于膜结构形式已被广泛采用, 故本文的研究具有较强的实际意义。

膜材料柔软且质量较轻, 故膜结构属于典型的风敏感结构, 风荷载是其主要控制荷载。对于膜结构风荷载研究的主要方法是风洞实验和数值模拟。风洞试验结果准确, 但所需周期长, 费用高, 较多地百富策略白菜网在重点工程中。数值模拟是在明确风、风荷载特征及其统计规律的基础上, 用随机过程模拟得到脉动风速时程或脉动风压时程, 该方法计算过程繁琐。本文采用平均风压与脉动风压线性组合叠加方法, 生成风压时程函数。该方法计算过程简洁, 准确度高。

式中:wk为通过静力分析计算得出的风荷载;ω为频率。

以某鞍形张拉膜结构为例, 该地区基本风压值为0.50 k N/m2, 地面粗糙度为B类, 该结构高25m, 风压高度变化系数1.335, 风振系数取1.9, 体型系数取?0.4。据《建筑结构荷载规范》, 可得静力风压507.3 N/m2。在脉动风荷载下, 结构围绕静力平衡点进行对称式振动;研究表明当结构达到共振频率时振动最为强烈。为研究膜结构的风振特征, 采用平均风压与三角余弦叠加代替脉动风压是可行的。该式考虑到脉动风压的特性, 令风压随时间围绕静力风压上下波动。

利用形状记忆合金的塑性变形能力, 制成形状记忆合金弹簧并安装在膜结构上。当膜结构受到风荷载作用时, 形状记忆合金弹簧会产生塑性变形来消耗能量, 从而减小膜结构在风荷载作用下的变形。

根据张拉膜结构的构造特点, 将形状记忆合金弹簧安装在支座处。当结构受风荷载作用时, SMA弹簧通过塑性变形耗散振动能量, 当结构振动结束后, 利用SMA形状记忆效应使SMA弹簧恢复结构受荷前状态, 当结构再次受到风荷载作用时, SMA弹簧再次发挥耗能作用, 实施步骤如图1所示。通过温度传感器和应变传感器后经放大器可测出SMA弹簧变化, 通过冷却装置和加温装置, 使SMA弹簧改变刚度, 调节SMA弹簧耗能能力。SMA弹簧的塑性变形仅与其自身材料组织的变化有关, 只要设计合理, SMA弹簧内部不会产生较多瑕疵, 因此SMA弹簧使用寿命较长。

形状记忆合金弹簧刚度是马氏体体积百分含量的函数, 温度和外力的大小可改变百分含量, 故可通过控制温度和外力的大小得到所需的弹簧刚度。利用形状记忆合金弹簧刚度的这种特性, 即可改变结构的共振频率, 从而避免发生共振。因此以形状记忆合金弹簧为元件来研究膜结构的风振控制是可行的。

结构模型如图2所示, 基本计算参数如下:膜材张拉刚度Et=2 500 N/cm, 剪切刚度Gt=800 N/cm, 跨度L=15 m, 矢跨比f/L=1/6, t=1.0 mm, 膜材密度取1 kg/m2, 索密度取7.8 kg/m2。本文采用有限元软件ANAYS, 按非线性有限元静动力理论, 依托APDL语言对膜结构找形和受载全过程编制程序, 将膜结构离散成空间的三角形单元进行分析。

基本结构的基频为6.2209, 自振周期为1.01s。为取得最大的响应, 选用和基本结构自振周期相近的外激励进行分析。当周期T=1s时, 根据平均风压与脉动风压线性组合叠加方法, 外激励F=507.3×[1?cos (2πt) ], 取ω=2π, 则可得到结构在静力作用下位移最大点的位移时程曲线, 如图3所示。

由图3可知, 随时间的增加, 结构位移增大、振荡加强, 0.88 s时, 结构正位移达最大0.82 cm;0.87 s时, 负位移达最大0.68 cm。当ω=2π, T=2 s和ω=π, T=1 s时, 结构在静力作用下位移最大点的最大正位移和最大负位移见表1。

利用控制模型工作原理, 基本结构采用SMA弹簧支座代替铰支座, 计算简图如图4所示。SMA弹簧外荷载与弹簧变形关系如图5所示, 图中记录SMA弹簧由相变到逆相变的全过程。为研究SMA弹簧对张拉膜结构影响, 取相同外荷载对图4所示结构进行时程分析, 见表1。

通过计算可知, 结构在静力作用下位移最大点在不同时间风荷载下, 对比有、无SMA弹簧结构位移, 正位移是该点在风荷载作用下最大正位移, 负位移是该点在风荷载作用下最大负位移。由表1可知, 使用形状记忆合金弹簧弹性支座后, 基本结构在风荷载下位移较未使用SMA弹性支座时小, 减振率高达51.3%。

对膜结构而言, 风荷载在结构受力中占主导地位, 而风荷载又是一个非常复杂、随机性大的荷载, 对膜结构的风振控制研究将是一个内容丰富、百富策略白菜网广泛的新型研究领域。虽将智能控制百富策略白菜网到膜结构领域中显示出巨大潜力, 但作为一种新方法的探索, 本文还只处于刚起步阶段, 若将其运用于实践, 许多工作仍有待进一步研究。