正交异性建筑膜结构在均布荷载作用下的几何非线性变形分析

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建筑张拉薄膜结构是一种正在快速发展当中的新颖结构体系,其轻盈美观的造型以及空间的跨越能力等优点使其越来越多的应用到各类建筑当中。由于建筑膜材的材料特性决定了张拉膜结构体系的柔性特点,其刚度和承载能力必须依靠初始预张力和初始曲率等条件来决定。为保证工程质量,延长结构使用寿命,防止结构过早破坏以及减少工程事故等,研究这类结构形式的受荷变形、松弛徐变、褶皱等力学性能,可以让设计人员对这类结构有更多深入了解,以能够使在设计时考虑这些特性。由此可见,分析研究上述建筑膜结构的力学特性,已成为发展建筑张拉膜结构的一个重要环节。尽管已有学者从数值模拟或试验等方面对这类结构体系的各方面性能进行了研究,但理论分析依然较少,如何应用基本理论去分析建筑膜结构工程的特性,是研究建筑膜结构体系的一个重要课题。本文研究分析了两种常见基本形式即平面形式和双曲抛物面形式的正交异性建筑张拉膜结构在均布荷载作用下的变形响应问题。分析过程当中考虑结构变形的强非线性和膜材的正交异性特性,主要采用薄膜大挠度理论建立结构在荷载作用下的非线性变形微分方程及变形协调方程,同时利用摄动法和伽辽金数值求解法求解微分方程组,分别得到了两种结构形式的膜面变形最大值与各影响因素之间关系的表达式,并分析了影响膜面变形的初始预张力、初始曲率、跨度、两向模量等主要影响因素。文中使用的均布荷载,即是常见雪荷载的一种理想简化形式,由于本文的主要研究对象是建筑膜结构的受荷变形,故对雪荷载的随机分布没有做特定分析。最后,通过算列并结合常用膜材具体参数,对影响体系变形的结构形式、几何尺寸、初始预张力、初始曲率、材料的正交异性特性等进行了详细分析,并分别将两种结构形式的分析结果与按照小挠度原理求解得出的结果进行了比较,总结了正交异性张拉膜结构膜面变形随荷载变化的一般规律,为工程设计和实践提供了部分理论参考。
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