1、張力結(jié)構(gòu)體系設計的關鍵問題 一 摘要：介紹張拉膜這種張力結(jié)構(gòu)來說明張力結(jié)構(gòu)設計的關鍵問題，總 結(jié)了其在荷載、受力、分析等方面有別于一般建筑結(jié)構(gòu)的特點。關鍵 詞：張力結(jié)構(gòu)索膜結(jié)構(gòu)張拉膜結(jié)構(gòu)找形一、張力結(jié)構(gòu)設計的一般原那么張力結(jié)構(gòu)體系的分析設計應分為三個狀 態(tài)：初始幾何態(tài)、預應力初態(tài)和荷載終態(tài)。雖然，在張力結(jié) 構(gòu)體系的初始幾何態(tài)分析時也需考慮預應力，但是，初始幾何態(tài)的預 應力分析僅是為了張成曲面幾何外形，而預應力態(tài)時的預應力分析才 是結(jié)構(gòu)的剛度分析。應該說剛度設計是結(jié)構(gòu)設計的主要內(nèi)容，通過調(diào) 整預應力來改變結(jié)構(gòu)剛度，從而改變結(jié)構(gòu)的力流，改變結(jié)構(gòu)性能。在 設計中增加截面并不是一種好的方法，改變形態(tài)、

2、改變剛度可以收到 事半功倍的效果。荷載態(tài)的分析主要是進行強度校核。在剛性結(jié)構(gòu)設 計中，結(jié)構(gòu)的幾何外形是已定的，結(jié)構(gòu)的變形也不影響結(jié)構(gòu)的剛度特 征。然而在張力結(jié)構(gòu)設計中，尋求初始幾何外形的分析和設計是十分 重要的。如果結(jié)構(gòu)的幾何外形設計好，不是使結(jié)構(gòu)處于病態(tài)，就是使 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的張力而導致下部結(jié)構(gòu)或邊緣構(gòu)件的設計產(chǎn)生困難。對 于復雜體形的張力結(jié)構(gòu)，其幾何外形的設計伴隨著維持其曲面張成所 需的預應力設計。張力結(jié)構(gòu)的初始幾何外形設計的難度和分析設計重 要性均甚于荷載態(tài)時的分析設計。在張力結(jié)構(gòu)的設計中，要保證能施 加足夠的預應力，必須有適宜的節(jié)點構(gòu)造。張力結(jié)構(gòu)的節(jié)點除了具有 一般節(jié)點的設計要求以外，

3、還有區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)節(jié)點的顯著特點，即 該類節(jié)點具有互索的功能。例如，與節(jié)點相連的索單元拉力和桿單元 壓力使得節(jié)點的剛度得到加強。張力結(jié)構(gòu)的節(jié)點剛度是與體系的應力 水平相適應的，這也是與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系的重要區(qū)別。二、索膜結(jié)構(gòu) 的設計張拉膜結(jié)構(gòu)是膜結(jié)構(gòu)中最常見的一種形式 ,即通過對膜材內(nèi)部施 加一定的預張力 ,使其具備了抵抗外荷載能力 ,從而充當結(jié)構(gòu)材料的一 種結(jié)構(gòu)體系。張拉膜結(jié)構(gòu)是通過給膜材及加勁索施加預張力使之具有 剛度并承當外荷載的結(jié)構(gòu)，又稱之為索膜結(jié)構(gòu)。這種形式能夠充分 利用膜材的受力性能 ,形成輕巧、美觀、具有現(xiàn)代感的空間大跨曲面結(jié) 構(gòu),并且施工簡單、 快捷,本錢低 ,在國外已經(jīng)被廣泛應

4、用于商業(yè)建筑、 體 育建筑、工業(yè)建筑、戶外設施、文化娛樂建筑等各種領域 ,目前在我國 , 相應的應用開發(fā)工作也已逐漸展開 ,并且無疑存在著巨大的開展前景。 1索膜結(jié)構(gòu)的設計過程張力結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，因此其設計過程不同 于一般傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)。其設計一般可以分為 3 個階段：形態(tài)分析， 荷載分析和裁剪分析。 1形態(tài)分析形態(tài)分析包括結(jié)構(gòu)初始試形狀的 確定和結(jié)構(gòu)初始幾何態(tài)的分析，即找形分析的過程。其目的是確定滿 足控制點邊界條件和初始預應力荷載平衡條件的膜結(jié)構(gòu)形狀，以及與 之相關的初始預應力分布。結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下從初始狀態(tài)變形至 工作狀態(tài)的問題是彈性和彈塑性變形問題，可以采用非線性有限元予 以求解

5、。2荷載分析荷載分析是檢驗結(jié)構(gòu)能否在實際環(huán)境中風、雨 或雪等荷載作用下正常工作， 不發(fā)生過大的變形和不出現(xiàn)褶皺和松弛。 在進行荷載分析時，應對計算的各個單元中的最大應力和最小應力進 行判斷。假設在迭代過程中出現(xiàn)膜的褶皺或松弛，應相應修改其單元本 構(gòu)矩陣后再進行下一步的迭代。 3裁剪分析膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析是膜 結(jié)構(gòu)設計中的一個關鍵技術。現(xiàn)有研究裁剪的工作是在基于形狀判定 和荷載分析之后的特定幾何外形上進行的。裁剪分析中最棘手的問題 是考慮初始預應力造成的膜材經(jīng)、緯方向的伸長對裁剪下料的影響。 膜結(jié)構(gòu)是張力結(jié)構(gòu)的一種，其整體剛度主要由初始預應力提供，單片 膜材的裁剪和拼接是在無應力狀態(tài)下進行的，而結(jié)構(gòu)張成后膜材必須 處于全張力狀態(tài)。裁剪分析過程中，必須選定適宜的裁剪式樣并精確 確定連接坐標， 把膜材由空間的預應力狀態(tài)復原為平面的無應力狀態(tài)。 而一般情況下這時所對應的結(jié)構(gòu)的整體剛度趨于零。據(jù)此建立的非線