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風載下充氣膜與索的接觸分析
- 2020-12-30-

  充氣膜結構在風荷載的作用下,防止過大變形甚至破壞的方法主要有增加內壓、施加拉索。將風荷載等效為靜力荷載施加到具有初始形態的膜面上進行計算,并分別考慮索膜結構受風向、風速、內壓及摩擦系數的影響。

  一、風向:

  將風速24.5m/的風荷載作用在施加X向一道拉索、500Pa內壓的氣承式充氣膜結構上,考慮風向改變(沿Z軸負向與拉索垂直夾角90°、沿X軸負向與拉索平行夾角0°、沿XZ角平分線負方向與拉索夾角45°)的影響。拉索軸向應力均為正,不會出現松弛、退出工作的狀況。風向0°時,拉索應力越小,迎風面接觸法向應力為負,這體現了拉索隨膜面變形的一致性,而且該拉索段接觸摩擦應力(即切向接觸應力)接近零,滑動量較大,背風面拉索伴隨膜的變形同樣較大,整體大致呈M形;風向90°時,拉索應力相對凸出且分布很有規律,球冠頂位置拉索段應力較大,兩邊逐漸降低,呈對稱分布,相應接觸法向應力較大,摩擦應力中間拉索段較小,兩端凸出,索移動量較小;風向45°時,背風面拉索段應力較大,而接觸法向應力較小,摩擦應力相對較小,迎風面拉索段滑移量相對較大。膜結構施加拉索受風向改變影響顯明,越不利風向的確定在膜結構索的布置設計中提供參考。

  二、風速:

  考慮風速變化的影響,將風速分別取17.0m/、24.5m/s、35.0m/s,沿Z軸負方向(與拉索夾角90°),作用在施加X向一道拉索、500Pa內壓的氣承式充氣膜結構上,拉索軸向應力以及接觸法向應力隨風速增加變化相當顯明,摩擦應力整體上隨風速增加,但部分拉索段的變化幅度較大,球冠頂位置拉索段中部滑動量相當小,兩端較大,且風速增加到某一程度時,對滑動量改變影響不顯明。大風工況下拉索與膜面之間的接觸作用不可小覷,應綜合地區風載考慮索的施加,防止大風工況下膜面掀開、膜材的撕扯等,驗證了索施加對結構的整體穩定性的加強。

  三、內壓:

  風速24.5m/、沿Z軸負方向(與拉索夾角90°),作用在施加X向一道拉索的氣承式充氣膜結構上,在內壓分別取400Pa、500Pa、600Pa三種工況下進行計算,得出,索軸向應力隨內壓增加有所降低,大致呈倒V形,接觸法向應力變化微小,從摩擦應力和滑移量的變化可以看出,內壓在一些范圍時,其對摩擦應力及滑移量影響較大。另外,通過內壓的增加,膜面較大位移從618mm下降到507mm。因此,合理的內壓對膜結構的形態及抵御外荷載作用相當重要。

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