建筑膜結(jié)構(gòu)的找形與裁剪分析及膜內(nèi)張力的超聲波測(cè)試方法研究.pdf

1、現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)是在新型膜材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)形式，因其白重輕、施工周期短、透光性好、豐富的建筑表現(xiàn)力等優(yōu)點(diǎn)而在體育建筑、公共建筑等方面得到了廣泛應(yīng)用。膜材料是一種柔性的，具有強(qiáng)非線性和各向片性的材料，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)訃在很大程度上取決于膜材料的性能，了解膜材料的特性對(duì)于膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。建筑膜結(jié)構(gòu)由柔性薄膜張拉而成，依賴于結(jié)構(gòu)的幾何曲面和膜內(nèi)張力來(lái)提供必需的剛度，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要步驟是找彤分析，其目的是找出滿足建筑要求的空間形狀及

2、與之對(duì)應(yīng)的張力分布。裁剪分析是膜結(jié)構(gòu)特有的一個(gè)分析步驟，其目的是將由找形得到的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的空間曲面進(jìn)行剖分、轉(zhuǎn)換成無(wú)應(yīng)力的平面下料圖，以便將平面膜材熱合成整體，冉施加預(yù)應(yīng)力以張成設(shè)計(jì)曲面。合適的膜內(nèi)張力是膜面能夠張成并承受荷載的保證，方便快捷的對(duì)膜內(nèi)張力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是保證膜結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的要求。 針對(duì)上述幾點(diǎn)，本文的土要內(nèi)容如下： 1．概述了建筑膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及其應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳盡的

3、淪述。 2．對(duì)一種PVDF涂層的聚酯纖維膜材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。制作了經(jīng)向、緯線和45°斜向的條狀單軸試件和十字形雙軸實(shí)驗(yàn)試件，分別進(jìn)行了單軸拉伸和雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)，其中雙軸實(shí)驗(yàn)采用了自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)單軸實(shí)驗(yàn)確定了膜材不同方向的單軸拉伸強(qiáng)度，全程拉伸曲線。雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)則得到了膜材的彈性模量和泊松比等參數(shù)，并深入了解膜材的變形性能，全面理解了膜材的材料特性，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析奠定了基礎(chǔ)。 3．從板殼力學(xué)的平衡方程出發(fā)，證明了膜

4、內(nèi)符點(diǎn)處處相等的膜內(nèi)應(yīng)力分布將得到最小曲面，而平衡應(yīng)力分布則得到平衡曲面。 4．應(yīng)用動(dòng)力阻尼的動(dòng)力松弛法進(jìn)行了膜結(jié)構(gòu)的找形分析。動(dòng)力松弛法解幾何非線性問(wèn)題的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是不需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣和求解整體剛度矩陣方程，然而它所需要的迭代次數(shù)較多。本文在找形過(guò)程中根據(jù)結(jié)構(gòu)位形的變化重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)剛度、質(zhì)量，不斷調(diào)整計(jì)算參數(shù)，從而加快計(jì)算的收斂。算例說(shuō)明，用改進(jìn)后的動(dòng)力松弛法進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)的找形分析，與在整個(gè)找形過(guò)程中采用同一計(jì)算參數(shù)

5、相比較，大大減少了迭代次數(shù)。由于忽略膜內(nèi)剪切剛度，找形過(guò)程中單元變形較大，可通過(guò)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)多步提升到位來(lái)解決問(wèn)題。 5．本文給山了兩種膜結(jié)構(gòu)曲面模擬的方法，通過(guò)對(duì)找形得到的散亂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分片二元三次樣條插值，得到整體C<,0>連續(xù)和C<'1>連續(xù)的光滑曲面，適用于任意多邊形區(qū)域。兩種插值方法均能給出膜曲面的滿意表現(xiàn)。C<'1>插值曲面的誤籌遠(yuǎn)小于C<'0>插值曲面。對(duì)兩種插值方法，模擬曲面的誤籌均隨著初始網(wǎng)格尺度與平面總尺寸的比值減

6、小而下降，在初始網(wǎng)格尺度與平面總尺寸的比值小于1/8之后，擬合曲面的精度變化隨該比值的下降變化值逐漸不明顯。 6．曲面上的測(cè)地線與平面上的直線有許多相似的性質(zhì)，測(cè)地線的直線性質(zhì)使其成為最適：白：的也是目前應(yīng)用最為廣泛的裁剪縫?？梢宰C明，連接平滑曲面上任意兩點(diǎn)的彈性絀絲當(dāng)拉緊時(shí)具有測(cè)地線的彤狀。本文在曲面上指定兩點(diǎn)問(wèn)引入彈性索，使其在曲面上自由滑移，并用動(dòng)力松弛法尋找其平衡位置，即得測(cè)地線軌跡。 7．采用測(cè)地線劃分曲面，應(yīng)

7、用最小極值法進(jìn)行曲面的展開(kāi)。首先將曲面離散為空問(wèn)二三角形網(wǎng)格，假設(shè)曲面已近似展開(kāi)為平面，調(diào)整展丌平面中節(jié)點(diǎn)的位置，使平面網(wǎng)格中各三角彤的邊長(zhǎng)曲面網(wǎng)格國(guó)對(duì)應(yīng)的邊長(zhǎng)之籌最小，從而求得空間曲面的平面近似展丌。本文將上述展開(kāi)過(guò)程歸納為一個(gè)無(wú)約束的極值問(wèn)題，并用蒙特卡洛法求解非線性方程。對(duì)于曲面上測(cè)地線的尋找和空間曲面展開(kāi)分別給山了算例，用可展曲面圓柱面驗(yàn)證提山方法的正確性，并應(yīng)用提山的方法給出了一個(gè)菱形馬鞍膜面的裁剪樣式。 8．通過(guò)實(shí)驗(yàn)