大跨索膜结构非线性分析与施工方法
发布时间:2021年10月27日 点击数:1671
大庆龙凤湿地是市重点投资建设的旅游场所, 为游客设置了一些临时休息处。众所周知, 湿地土质较软, 若其采用较重的混凝土结构, 需要建造较好的基础, 造成不必要的浪费。而采用空间结构外形美观大方, 自重轻, 且与周围的环境融为一体, 经市政府建设部门商榷最终决定采用大跨索膜结构。根据场所条件其跨度取为30m, 建完的索膜结构如图1所示。两个索膜结构交错在一起, 无疑为湿地增添了许多色彩。
索膜结构在悬索结构的基础上发展起来的新型结构, 也称为张拉式膜结构[1]。膜结构具有实现曲面的多样性, 而且自重轻, 可实现的跨度大, 同时透光性好, 预应力筋做边缘构件, 增强了膜结构的稳定性, 二者的结合充分发挥了两种材料的优点。膜材料不但可承担荷载, 而且具有围护功能。到目前为止, 哈尔滨工业大学沈世钊院士和武岳教授先后对小尺寸索膜结构开展了试验研究和理论分析[2], 给出了索膜结构的张拉刚度和初始应力数值的建议。兰州理工大学的王秀丽等[3]针对不同索膜连接构件开展了试验研究, 提出了两种适合索膜体系的连接构件。东北石油大学的张文福等[4]开展了充气式索膜结构仿真分析, 给出索膜的应力分布规律和找形方法。尽管目前对索膜结构开展的试验较多, 但考虑到超大尺寸的索膜结构在实验室开展试验研究比较困难, 而且缩尺构件具有一定的失真性, 因此本文结合这一具体实际工程, 开展了30m跨的足尺索膜结构的仿真分析, 在假定的基础上建立了索膜结构的有限元真实模型, 通过施加温度荷载实现索膜找形, 进行自平衡非线性求解, 得到变形和应力的分布规律, 重点考察不同参数变化对结构应力和变形的影响, 提出一组最合理的技术指标指导实际工程, 具有一定的理论意义和实用价值。最后给出节点和支撑构件的施工方法, 可为类似工程设计和施工提供参考。
1计算参数
张拉后的索膜结构如图2所示。其对角线距离取为30m, 支撑点高差为5m, 膜厚度取为1.2mm, 膜结构四角通过连接件与支撑组合柱连接固定, 周边为柔性索, 索的截面面积取为200mm2。其它物理参数如表1所示。同时考察了不同参数变化对结构应力和变形的影响。
表1 索膜材料技术指标 导出到EXCEL
|
索膜 材料 |
预张力 /kN·m-1 |
张拉刚度 /kN·m-1 |
索模量 /GPa |
泊松比 |
|
变化 指标 |
4.5 | 300 | 200 | 0.3 |
| 9.0 | 300 | 200 | 0.3 | |
| 13.5 | 300 | 200 | 0.3 | |
| 4.5 | 450 | 200 | 0.3 | |
| 4.5 | 600 | 200 | 0.3 |
2有限元分析
(1) 分析假定:
①实际工程中索膜之间可能有微小的滑动, 但对整体的影响可忽略不计, 因此分析时假定索膜之间是无相对滑动的;②索膜张拉建立预张力, 会产生变形, 此变形很小, 因此假定索膜张拉变形为小应变;③膜材料假定为纯弹性且正交各向异性。
(2) 有限元模型。
本文以第一组参数为例开展分析, 索膜结构建模比较复杂, 采用的单元与常规的也不同, 这里采用空间三维铰接单元LINK10模拟索[5], 该单元为2节点单元, 只具有抗拉的能力, 不能抗压。采用壳单元SHELL41模拟膜结构, 该单元为3节点的三角形单元, 需要输入膜的厚度, 定义两种材料的属性。索膜有限元模型不能直接通过建模生成, 必须得进行找形[6,7], 找形求解中开启大变形选项、设置收敛准则, 施加位移约束和温度荷载, 求解完成结构找形, 找形后的索膜结构如图3所示。温度荷载与应变的关系采用公式 (1) 推导出来。
T=σ/ (Eαt) (1)
式中, σ为索膜初始预应力;E为膜弹性模量;α为膜材热膨胀系数;t为索膜厚度。
3结果分析
找形后开展索膜结构分析, 重新定义材料属性, 进行自平衡非线性求解, 得到结构的变形如图4所示。变形量为0.002726m, 即2.73mm, 符合空间结构挠跨比限制的要求。
分析得到的等效应力如图5所示, 其应力极值如表2所示。表中, σ1、σ2、σ3分别为第一、第二和第三主应力;σf为应力强度;σef为等效应力;σmin为最小应力值;σmax为最大应力值。可以看出最大等效应力为4.41MPa, 分布在索膜中间的位置, 最小等效应力为4.01 MPa, 分布在四角位置, 在膜面边缘中部出现应力集中现象, 应力均符合要求。因此在施工时对边缘中部要给予一定的加强措施, 避免形成膜面的薄弱环节。
表2 应力极值 MPa 导出到EXCEL
| 应力 | σ1 | σ2 | σ3 | σf | σef |
| 节点 | 184 | 2 | 1 | 184 | 1 |
| σmin | 4.38 | 2.51 | 0 | 4.37 | 4.01 |
| 节点 | 4 | 261 | 251 | 4 | 12 |
| σmax | 4.67 | 4.38 | 0.01 | 4.67 | 4.41 |
自平衡迭代后支座反力结果如表3所示。从表3可以看出, 1和22节点为高点, 竖向是受压的, 而水平向是受拉的, 2和42节点为低点, 竖向均是受拉的, 水平向也是受拉的。整体受力是平衡的。图6为反力方向示意图。明确受力方向, 可进一步开展支撑索膜结构的组合钢管的受力分析和截面设计。
按照上述的分析方法, 通过考察不同参数变化对结构应力和变形的影响, 第一组的技术指标是更可取的, 因此最终选取第一组的技术指标指导了本实际工程的施工。
4施工方法
索膜结构节点复杂, 节点处理的好坏直接影响结构体系的使用寿命, 因此其设计和施工应保证一致性, 节点受力符合计算假定, 而且受力明确, 传力途径简洁, 避免传力复杂。结构长期暴露在室外环境下 , 构造应安全可靠, 便于预应力的施加, 同时预应力筋要有足够的调节量。 对于高点支撑采用如图7所示的形式。支撑组合柱[8]由四根弧形钢管通过水平杆连接起来, 另一面用钢绞线张拉抵消索膜的自平衡力, 底部与基础固接。组合柱全貌如图8所示。索膜结构外形美观大方, 与周围的环境融为一体。建完的索膜结构使用状况良好。
5结语
开展了30m跨的足尺索膜结构的仿真分析, 在假定的基础上建立了索膜结构的有限元真实模型。通过施加温度荷载实现索膜找形, 进行自平衡非线性求解, 得到变形和应力的分布规律, 最后给出节点和支撑构件的施工方法, 为完善空间结构提供理论支撑, 同时可为类似工程设计和施工提供参考。
