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解析一下景观膜结构的风振问题

  在张拉景观膜结构荷载分析中,风荷载起着控制作用,这也是张拉膜结构破坏的主要原因,从而引起人们的不断深入研究,如风致动力效应、风振系数及体型系数的确定、膜结构的几何和物理非线性,强风作用下膜结构与空气耦合引起的自激颤振风载下膜结构的疲劳破坏等等。这里仅就前两个问题作初步探讨。

  (一)风致动力响应:

  张拉膜结构自重轻、刚度小、自振频率低、风振反应敏感,在风载作用下膜结构局部膜单元的速度和加速度反应较大,膜材局部可能会失稳。目前风振分析多基于风洞实验,其目的是确定膜结构的风载体型系数、结构动力反应等,为进一步计算和设计提供科学依据。但实验不可能模拟出各种可能出现的实际状况,有些膜结构参数与多种因素有关,如结构基频和阻尼系数的关系、基频与张力之间的关系。因而实验研究仅局限于特定模型的比例、荷载条件、边界条件及实验设备和技术条件下所得到的结果,不能得到适用于各种情况的一般规律,但对于大尺度、重要的景观膜结构而言,风致动力响应的实验研究是必需的。

  除实验的方法外,通过数值计算方法可对膜结构进行非线性风振响应的分析,即先将风速模拟成时间的函数,该函数对计算结果准确度有重要影响;然后将索膜结构离散化,把模拟的风速合理转换为风荷载作用于相应单元节点上,在时向域内利用有限元法直接求解运动微分方程,并求得结构的响应,而后由响应之中求得所需信息并统计,从中获得索膜结构的风振响应特征。此方法计算精度高,能获得较完善的结构响应,可变换参数对结构反复计算,并与实验结果进行对比分析。

  (二)风振系数:

  荷载规范之中风振系数中的脉动影响系数均针对于质量分布较为均匀的体系,显然索景观膜结构的质量分布是很不均匀的,膜结构自振的周期与多种参数有关,按照相关荷载规范,基本自振周期大于0.25秒的屋盖结构,都应按照随机振动的理论进行风振分析,而膜是非线性结构。按照对多个膜结构自振特性分析结果统计来看,普通张拉膜结构在通常的应力水平中,结构自振周期的变化范围较大。

  对于风振系数,按照现行建筑结构荷载规范恐怕是不行的,工程实际中有两种做法,有些小型膜结构工程根本没考虑风振影响,有些工程采用经验做法,参照市场内同类型膜结构风振系数大概取1.6~1.9,一般取1.8左右。国外某膜结构公司对一个20米高的膜结构(如果不作风洞试验)则用1.5-2.5KN/m2的风荷载值进行计算,因而做的景观膜结构用钢量相当大,节点构造也很大。