自从1970年日本大阪世博会美国馆和富士馆采用膜结构以来, 膜结构作为一种新型的曲线建筑结构形式, 日益受到建筑师的喜爱。膜结构具有装拆、运输及施工便捷等优点, 同时膜材具有良好的透光性 (ETFE膜材的透光率可高达95%) , 是21世纪极富生命力和最具代表性和的建筑形式[1,2]。膜结构作为一种高强轻质的受拉结构体系, 广泛百富策略白菜网于大跨度空间结构。

张拉膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系, 在找形与结构分析时认为膜与索作为整体共同工作, 保持位移协调[3,4]。膜结构作为柔性体系, 对风荷载毕竟敏感, 风荷载为主要控制荷载之一。在风压下, 可认为两者紧密接触, 在风升荷载下, 部分膜片与索之间会出现脱离现象。由于存在着接触问题, 实际结构与计算模型并不吻合, 索与膜间并不能满足位移协调条件。从而可能会造成结构设计存在安全问题[5]。

本文运用Ansys有限元程序对张拉膜结构工程进行数值模拟, 建立膜与下部索之间的接触分析模型, 讨论了张拉膜结构中的接触问题。

图1为某工程张拉式膜结构。长宽各为10m, 矢高为5m, 顶点与周边固支约束。脊索为Φ28mm, 膜材的线弹性模量为900kN/m, 厚度为1mm, 钢索的弹性模量为1.6×1011N/m2。膜片施加3kN/m的初始预应力, 索施加5kN的预应力。分别考虑5kN/m的风升与风压荷载下静力分析与接触分析的膜片与下部张拉脊索结构的反应。该结构三维视图如图2所示, 节点编号如图3所示。

在风压载荷下, 脊索上部膜面节点竖直位移如表1所示。由表1可看出, 静力分析与接触分析下的数值位移基本相同。在实际结构分析中, 通常都是按照上部膜片节点与下部张拉索节点位移协调考虑, 如果考虑接触问题, 在风压载荷情况下, 膜结构上部膜片与下部张拉索粗糙接触, 则此时两者差别不是很明显, 越靠近顶点处, 差别越大。

膜面节点竖直位移如表2所示, 与张拉脊索相同, 由于膜片张力与接触效应影响范围区域的存在, 静力与接触2种分析结果相近, 数值相差为3%左右。

张拉膜结构的在风压载荷下的约束点作用力如表3所示。从表3中可以看出, 在风压载荷时, 是否考虑脊索与上部膜片的接触效应对于约束点作用力的影响很小, 二者的约束点作用力数值接近, 在1%~3%左右。

脊索上部膜片节点与膜结构中间上部纵向节点的主应力如表4与表5所示。在静力分析与接触分析时的二者膜片节点应力大小基本相同。在顶部节点3, 4处, 接触分析时的应力值大于不考虑接触即静力分析时的应力值。在张拉膜结构顶部接触分析时的应力集中效果明显。

在风升载荷下, 考虑接触分析时, 由表6可看出, 膜面的竖直位移大于脊索的竖直位移, 膜面与脊索发生脱离, 更加符合实际工程情况。远离边界的膜面节点与脊索节点脱离现象越明显。

脊索上部膜面结点在静力分析与接触分析状态下的竖直位移如表7所示。由表中数据可看出, 考虑膜面与下部脊索发生接触现象的膜面竖直位移要比不考虑接触时大。并且距离边界越远的节点竖直位移差距越大。

膜面节点的数值位移如表8所示。从中可以看出, 接触分析下的节点数值位移大于考虑位移协调静力分析的节点数值位移。

张拉膜结构在风升载荷下的约束点作用力如表9所示。其中, 在脊索位置 (1、2、21节点) 处, 考虑接触非线性的脊索约束点作用力要远小于不考虑接触的静力分析下的脊索约束点作用力。这是由于在脊索处上部的膜片与脊索脱离, 脊索节点竖直位移要远小于静力分析下的位移值, 从而使脊索受力减小。而在膜片边界上, 也是由于膜片的脱离而是膜片的竖直位移较大, 从而解除分析下的膜片边界反力大于静力分析时的约束点作用力。

脊索上部膜片节点与膜结构中间上部纵向节点的主应力如表10与表11所示。在静力分析与接触分析时的二者膜片节点应力大小基本相同。从而可知, 脊索与上部膜片的接触效应影响范围有限, 对膜片的主应力分布作用的影响不大。

本研究通过对张拉膜结构接触问题进行数值模拟, 可知在风压荷载下, 膜结构计算与实际情况相吻合。而在风升荷载下, 如考虑接触问题, 膜与索之间出现脱离现象, 从而造成膜片位移及受力较大, 因此使膜结构设计偏于不安全。