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膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析主要包括形狀確定、荷載分析和裁剪分析三大方面。

1、膜結(jié)構(gòu)的形狀確定

�。�1）給定預應力分布的形狀確定問題：預先假定膜結(jié)構(gòu)中應力的分布情況，再根據(jù)受力合理或經(jīng)濟原則進行分析計算，得到膜的初始幾何狀態(tài)。

　 （2）給定幾何邊界條件的形狀確定問題：預先確定膜結(jié)構(gòu)的幾何邊界條件，然后計算分析預應力分布和空間形狀。

　　常用的計算機找形方法有：力密度法、動力松弛法、有限元法。

　2、膜結(jié)構(gòu)的荷載分析

　　膜結(jié)構(gòu)的荷載分析是在形狀分析所得到的外形與初始應力分布的基礎(chǔ)上進行的，檢查結(jié)構(gòu)在各種荷載組合下的強度、剛度是否滿足預定要求的過程。膜結(jié)構(gòu)的荷載分析基本上都采用非線性有限元法，即將結(jié)構(gòu)離散為單元和結(jié)點，單元與單元通過結(jié)點相連，外荷載作用在結(jié)點上，通過建立結(jié)點的平衡方程，獲得求解。

　　膜結(jié)構(gòu)輕、柔、飄的顯著特點決定了膜結(jié)構(gòu)抗風計算的內(nèi)容也有自身特點。

　　（1）靜風壓體型系數(shù)的確定

　　風荷載體型系數(shù)是描述風壓在結(jié)構(gòu)上不均勻特征的重要參數(shù)，一般結(jié)構(gòu)的體形系數(shù)可以從荷載規(guī)范查得。但膜結(jié)構(gòu)形狀各異，不能從荷載規(guī)范直接獲得風壓體型系數(shù)。所以，較大的膜結(jié)構(gòu)基本都要求進行風洞試驗，以獲得比較正確的膜結(jié)構(gòu)的局部風壓凈壓系數(shù)和平均風載體形系數(shù)。由于風洞試驗要滿足一系列的相似準則，如幾何相似、雷諾數(shù)相似等，通常要完全滿足這些相似條件是不可能的，因此風洞模擬實驗結(jié)果有時會超過實測值很多。

　�。�2）脈動風壓系數(shù)的確定

　　膜結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移較大，結(jié)構(gòu)位形的變化會對其周圍風場產(chǎn)生影響，所以膜結(jié)構(gòu)的風動力響應過程是流固耦合過程。這種動力過程的風洞試驗必須采用氣動彈性模型，因此實現(xiàn)起來技術(shù)難度較大。近年來發(fā)展的“數(shù)值風洞”技術(shù)受到越來越多的重視。這種技術(shù)簡單的說就是將計算流體力學和計算結(jié)構(gòu)力學技術(shù)結(jié)合起來，用計算流體力學來模擬結(jié)構(gòu)周圍的風場，用計算結(jié)構(gòu)力學來模擬膜結(jié)構(gòu)，再借助某些參數(shù)的傳遞來實現(xiàn)兩者之間的耦合作用，不過，該方法還處試驗階段。

　�。�3）風振動力分析

　　風力可分成平均風和脈動風兩部分。平均風的周期較長，其對結(jié)構(gòu)的作用性質(zhì)相當于靜力。脈動風的周期較短，其對結(jié)構(gòu)的作用為動力性質(zhì)。當結(jié)構(gòu)的剛度較小，自振頻率較低時，在脈動風荷載的作用下可能產(chǎn)生較大的變形和振動，所以在設(shè)計索膜這類小剛度結(jié)構(gòu)時，應進行風振動力計算。索膜結(jié)構(gòu)具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應不可忽略等特點，針對高層和橋梁結(jié)構(gòu)的風振分析方法不能直接應用。索膜結(jié)構(gòu)的響應與荷載呈非線性關(guān)系，對于索膜結(jié)構(gòu)定義荷載風振系數(shù)或陣風系數(shù)在理論上也是不正確的。

　�。�4）空氣動力失穩(wěn)

　　膜結(jié)構(gòu)是風敏感結(jié)構(gòu)，存在空氣動力失穩(wěn)的問題。從本質(zhì)上看，結(jié)構(gòu)空氣彈失穩(wěn)是由于結(jié)構(gòu)在振動過程中從與氣流的振型耦合中吸收能量，當吸收能量大于耗散能量時，就會產(chǎn)生能量累積，當這種能量累積達到某一閥值（臨界風速）后，結(jié)構(gòu)就會從一種低能量（穩(wěn)定）的振動形式躍遷到另一種高能量的振動形式上去。所以，膜結(jié)構(gòu)存在設(shè)計風速作用下的動力失穩(wěn)問題，幸運的是至今還沒有這方面破壞的膜結(jié)構(gòu)實例。

　

　　 3、膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析

裁剪分析就是將由找形得到并經(jīng)荷載分析復核的空間曲面，轉(zhuǎn)換成無應力的平面下料圖。裁剪分析包含三個步驟：

　�。�1）空間膜面剖分成空間膜條

　張拉膜是通過結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)造型，空間膜面在剖分成膜條時，要充分考慮膜條的邊線即熱合縫對美觀的影響；同時膜材是正交異性材料，為使其受力性能最佳，應保證織物的經(jīng)、緯方向與曲面上的主應力方向盡可能一致；此外，用料最省、縫線最短，也是進行膜面剖分必須考慮的因素。

　�。�2）空間膜條展開成平面膜片

　　空間膜條展開成平面膜片，即將膜條的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應的二維數(shù)據(jù)，采用幾何方法，簡單可行。但如果膜條本身是個不可展曲面，就得將膜條再剖分成多個單元，采用適當?shù)姆椒▽⑵湔归_。此展開過程是近似的，為保證相鄰單元拼接協(xié)調(diào)，展開時要使得單元邊長的變化為極小。

　　（3）應力狀態(tài)轉(zhuǎn)化到無應力狀態(tài)

　　從應力狀態(tài)到無應力狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，即釋放預應力、進行應變補償。膜結(jié)構(gòu)是在預應力狀態(tài)下工作的，而平面膜材的下料是在無應力狀態(tài)下進行的，為確定膜材的下料圖，需對膜片釋放預應力，并進行應變補償。這里的補償實際上是縮減，在此基礎(chǔ)上加上熱合縫的寬度，即可得膜材的下料圖。