膜结构具有跨越性好、造价低和施工速度快等优点，现在已广泛百富策略白菜网于各种大型体育场馆、展览会馆、机场航站楼等诸多公共建筑中。但因自身重量轻和刚度小等特点对外荷载(例如风、雨、冰雹等荷载)十分敏感。即使在较小外荷载作用下，也容易发生较大振动变形，严重时甚至出现膜面撕裂破坏。目前有大量关于膜结构在风以及雨荷载作用下动力响应的相关报道，但鲜见关于膜结构在冰雹冲击作用下动力响应的相关报道。因此，对膜结构在复合冰雹冲击作用下的动力响应问题的研究可以弥补现有研究的不足，同时可以为膜结构的防灾减灾及运营维护提供一定理论依据。

国外较国内早些便开始了对膜结构动力响应问题的研究，但主要研究风荷载对膜结构的影响。如Kimoto[1]研究了单向悬挂膜结构在不同湍流强度、不同垂跨比和不同质量比情况下的气动稳定性。Wang[2]对一种褶皱薄膜结构的风振响应进行了数值研究，并总结其随风速、风向和褶皱变形的变化规律。Zhou[3]通过风洞试验研究了某大型膜结构屋顶表面的风荷载分布等。而冰雹冲击灾害的研究始于航空航天领域冰雹碰撞飞行器铝合金板材问题，主要的研究手段有试验研究和数值模拟。Anghileri[4]等用有限元分析法对铝合金平板受冰雹高速冲击的问题进行了数值模拟。Marie[5]基于压敏膜试验采用SPH法建立数值模型，研究冰雹对飞机部件的冲击影响。Liu[6]开展了冰雹冲击纤维增强复合材料的数值和试验研究。综上分析，可以发现目前对冰雹冲击问题的研究对象大多是刚性结构，而鲜见柔性结构受冰雹冲击问题的研究。

为了探究冰雹冲击对柔性结构的影响，本研究选择工程中常见的张拉膜结构为研究对象，采取现场试验和数值模拟的研究方法对复合冰雹荷载作用下鞍形膜结构的动力响应问题进行研究，通过对比分析数值模拟和试验结果，得到其动力响应规律，揭示其致灾机理，对膜结构的工程设计、施工和后期维护等有积极的指导意义。

本试验膜材选取PVC织物膜。为了研究不同点的动力响应，根据结构对称性在膜面上选取6个特征点(测试点)检测动力响应数据，如图1(左)所示。根据冰雹等级国家标准规范(GB/T 27957-2011)，本试验选用球形硅胶模具制作直径分别1.7 cm、2.5 cm、3.0 cm和4.5 cm的冰球模拟自然界的冰雹。冰雹冲击试验如图1(右)所示。试验中所采用的数据采集装置有两种。ZLDS100用于测量并记录鞍形膜面在冰球群冲击作用时的各动力参数；HP-10K用于检测边索拉力变化情况。

冰球个数取21个，冰球位置根据Mathematica软件由随机函数生成随机坐标位置进行分布。试验模型的膜面矢跨比为1/10。试验中的荷载工况根据冰球粒径组合分为单一粒径形式和组合粒径形式。具体工况如表1所示。在各种荷载工况下对膜面各测试点的动力响应数据进行采集分析。

选取膜面预应力3.0 MPa、边索预应力7.5 kN、膜面矢跨比1/10的鞍形膜结构，冰球释放装置置于鞍形试验张拉膜结构正上方25.2 m处，冲击膜面的冰球在释放后通过自由落体冲击试验膜面，由数据采集装置得到膜面中心点A的位移时程。其中，冲击膜面的冰球按粒径分为1.7 cm、2.5 cm、3.0 cm、4.5 cm四种单一粒径冰球群和1.7 cm+2.5 cm、1.7 cm+2.5 cm+3.0 cm、1.7 cm+3.0 cm、2.5 cm+3.0 cm四种组合粒径冰球群的分析结果见图2。

试验中采用数显式推拉力计，在冲击前后对四个角的张拉力监测并读出其拉力大小N1、N2。定义边索松弛率为100%′(N1-N2) N1，四个角点的初始拉力都为N1=N2=7.5 kN。其试验结果如表2所示。

由表2结果可知：鞍形膜结构受到冰球群冲击荷载作用后，膜结构四条边索都产生了较为明显的拉力损失，平均松弛率可达到18.39%。因此冰雹冲击荷载对膜面预张力产生的拉力松弛现象不可忽视。

采用ANSYS/LS-DYNA对不同粒径下的复合冰雹荷载冲击鞍形膜结构的瞬态动力响应进行分析，并通过HYPERMESH对复合冰雹进行前处理。在数值模拟中，工况设置与试验工况一致，鞍形膜面对角线跨度为2.52 m，同时选择SHELL181单元模拟鞍形膜面，LINK167单元模拟边索，SOLID185单元模拟冰雹。通过专业后处理软件LS-PREPOST提取求解结果数据，读取膜面中心点A的位移时程，见图3。

本文通过试验和数值模拟研究了复合冰雹冲击荷载作用下鞍形膜结构的膜面动力响应。以矢跨比为1/10，膜面预拉应力为3 MPa的膜面为例，将复合冰雹荷载冲击膜面中心点A最大位移的结果进行汇总如表3。

分析表3可知，其中最大相对差为33.9%，最小相对差为5.78%，平均相对差为12.91%。虽然存在一定误差，但其结果的变化趋势基本相同。

本文通过现场试验和数值模拟的研究方法对复合冰雹荷载作用下鞍形膜结构的动力响应问题进行研究，对数值模拟结果和试验数据进行对比分析，主要得出以下结论：

(1)复合冰雹冲击荷载对鞍形膜结构会产生较大的动力响应。根据试验结果可知冰雹直径1.7 cm时，膜面的最大位移值为2.09 mm；当冰雹直径为4.5 cm时，膜面位移高达20.39 mm，远大于膜材的厚度属于大挠度变形，对膜结构有不利影响。

(2)通过试验发现，受到复合冰雹冲击作用后，鞍形膜结构产生大挠度变形，并且拉索拉力存在大幅度下降的现象，松弛率普遍大于17%，最大松弛率高达18.91%。因此在膜结构工程设计中，应充分考虑冰雹等冲击荷载对结构的不利影响。若膜结构发生松弛，其失稳临界风速会大大降低，甚至会发生工程事故。