膜结构全过程计算方法

膜结构全过程计算方法
作者 向阳
摘要： 针对膜结构计算设计的全过程，进行了理论方法的研究，并编制了相应的计算设计程序。工程实践表明了本文所述的理论方法及计算程序的正确性及广泛适用性。        关键词： 膜结构、计算方法
一、引 言        膜结构是大跨空间结构的主要形式之一，新颖独特的建筑造型、优良的物理力学性能、简洁高效的结构体系，使其必将成为我国二十一世纪空间结构发展的主要方向。膜结构作为一种柔性张力体系，与传统的刚性结构在设计计算上有诸多不同之处，其设计计算的一般过程是：初始形态设计～静力性能分析～风振响应分析～裁剪设计计算，其中每一环节都是不可或缺的。        经验告诉我们，一种新兴结构的推广和发展，与其计算理论方法、相应的设计软件的成熟有相当大的关系。目前国内已经出现了诸如上海八万人体育场等少数应用膜结构的建筑，但遗憾的是其膜部分的设计、计算皆是国外公司所为，我国自行设计的大型膜结构还很少。这当然是国外控制其关键技术，也是国内尚无成熟的计算理论方法及相应的计算设计程序的缘由。正因为如此，本文作者一方面进行膜结构的计算理论方法的研究，一方面编制了相应的计算设计程序，旨在能为膜结构在我国的应用发展尽微薄之力。    二、计算理论方法    （一）非线性有限元基本方程        有限单元法是对工程结构进行数值分析的最有效方法，特别是在计算机应用越来越普及的今天。膜结构实际设计中，索及桁架等加强、边缘构件的应用是必不可少的，因此本文程序中包含了膜单元，索单元，杆单元，梁单元。其中空间膜单元定义为三结点的三角形等参元，考虑节点的ｘｙｚ三个方向的位移，但只计及面内的正应力σx、σy和剪应力Z xy。应用Ｕ•Ｌ法列式，可以得结构有限元基本迭代方程为：                            （1）其中{R}为外荷载向量；{F}为ｔ时刻单元应力节点等效力向量；[kL]为线性应变增量刚度矩阵；[KNL]为非线性应变增量刚度矩阵，非线性方程组的求解，采用增量形式的 Full Newton-Raphson 法。具体推导见文献