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        氣承式膜結構風振響應下索膜接觸的優化分析-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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        氣承式膜結構風振響應下索膜接觸的優化分析

        發布時間:2022年3月30日 點擊數:312

        充氣膜結構是一種采用高性能膜材作為建筑“外殼”,通過膜面內外空氣壓力差支承的柔性結構。其中氣承式膜結構的密閉空間由膜面、四周封閉邊界與室內地面形成,通過充氣裝置維持內壓進而保持膜材張力以形成設計要求的曲面[1]。由于氣承式膜結構室內無需任何框架和梁柱支撐,且具有內部空間密閉的特點,因其可有效阻止建筑內部有害氣體或粉塵向外傳播而被廣泛應用于倉儲、垃圾處理場等結構,于是氣承式膜結構成為實現這些戰略最理想的結構形式,將對于我國由于高速發展而日益嚴重的環境污染問題有較好的改善作用。

        膜結構屬于柔性結構,具有自重輕,剛度相對較弱,自振頻率較低的特點,在風荷載作用下會產生較大的變形,表現出較強的幾何非線性,對于氣承式索膜結構,影響其找形分析的因素不僅在于以上幾點,其索膜之間的摩擦滑移作用對其風承載能力也有一定影響,然而國內外對氣承式索膜結構的研究很少涉及到索膜之間的摩擦滑移對膜結構受力的影響。

        1 氣承式膜結構找態分析

        近年來,充氣膜結構的研究主要集中在初始形態分析、荷載分析和裁剪分析。其中,初始形態分析的目的就是尋找到一個初始的滿足建筑和結構要求的自平衡力學體系,即在給定邊界條件和初始預應力分布的條件下確定膜結構自平衡狀態的幾何形狀。膜結構作為一種柔性結構體系,膜材本身具有高度柔性并不具有基本剛度和形狀,在自然狀態下不具有承載力,只有賦予一定的預張力時才能使體系具有一定的形狀,使其具有一定的剛度,結構才能獲得承載力。

        關于初始形態分析,膜結構的找形方法主要有力密度法、非線性有限元法和動力松弛法。Day[2]提出的動力松弛法是最早求解非線性問題的一種數值方法;隨后Linkwitz, Schek提出了力密度法[3,4]; K Mitsui[5]和Kassem M[6]等采用小楊氏模量曲面自平衡迭代法建模,通過降低溫度來施加膜面預應力,對充氣膜結構的ANSYS非線性理論進行分析。國內膜結構發展起步較晚,但也取得了許許多多的研究成果。國內學者針對力密度法提出了改進力密度法[7],混合力密度法[8]等。

        本研究根據具體工程實例,首先建立半球形氣承式膜結構模型,結構設計使用壽命為50 a, 安全等級為二級,結構所在地區的基本風壓為0.3 kN/m2,地面粗糙類別為A類。該氣承式結構布索形式為正交索網,分別在其橫向和縱向中心布置一道索,總共為一道橫向索和一道縱向索。

        在初步建立的模型基礎上,將索離散為三維桿單元,薄膜離散為空間膜單元。然后將離散后的薄膜表面定義為目標面,將索定義為接觸面。此時,通過引入不同的摩擦系數來考慮摩擦力對其影響,即可分別建立索膜接觸模型和共節點模型,模型具體參數見表1。

        表1 模型具體參數 導出到EXCEL




        參數
        索膜接觸模型 共節點模型

        長軸
        40 m

        短軸
        32 m

        高度
        16 m

        結構邊緣約束類型
        結構四周與地面為剛接

        索膜之間摩擦系數
        0.2



        在模型基礎上,通過ANSYS軟件對兩個模型分別施加相同的300 Pa內壓,對比兩模型的膜面和索力在相同靜態壓力下的位移和應力的區別(見圖1~圖8)。

        對比滑動接觸模型和共節點模型在相同內壓下的膜面位移、膜面應力和索力的模擬數值,可得知在相同靜力荷載下,索膜之間摩擦系數的大小對膜和索的影響不大。這是由于靜定的內壓并不會改變索膜的相對位置,由這一點可知,當結構建筑使用過程中,已知不會在荷載作用下產生索膜相對滑動變形時,索膜接觸類型不會對結構受力有明顯影響,故當下設計常用的索膜綁定計算模型有一定的適用價值。

        圖1 滑動接觸模型膜面位移

        圖1 滑動接觸模型膜面位移  下載原圖


        圖2 共節點模型膜面位移

        圖2 共節點模型膜面位移  下載原圖


        圖3 滑動接觸模型膜面應力

        圖3 滑動接觸模型膜面應力  下載原圖


        圖4 共節點模型膜面應力

        圖4 共節點模型膜面應力  下載原圖


        圖5 滑動接觸模型索力(一)

        圖5 滑動接觸模型索力(一)  下載原圖


        圖6 共節點模型索力(一)

        圖6 共節點模型索力(一)  下載原圖


        圖7 滑動接觸模型索力(二)

        圖7 滑動接觸模型索力(二)  下載原圖


        圖8 共節點模型索力(二)

        圖8 共節點模型索力(二)  下載原圖


        2 氣承式膜結構CFD數值模擬

        膜結構屬于柔性結構,具有自重輕,剛度相對較弱,自振頻率較低的特點,在風荷載作用下會產生較大的變形,表現出較強的幾何非線性,屬于典型的風敏感性建筑。因此,抗風設計在膜結構設計中占有非常重要的地位。

        此外,由于膜結構屬于柔性結構在風荷載作用下會產生較大的變形和振動,這種大幅度的變形和振動反過來也會影響到結構表面的風壓分布情況,形成所謂的流固耦合效應。故該步驟采用CFD數值模擬技術對半球充氣式膜結構進行模擬,獲得其表面風壓系數。

        2.1 結構模型

        計算軟件采用ANSYS Fluent流體計算軟件,湍流模型采用SST k-w模型,其應用廣泛,有較高的精度和較好的收斂速度,能夠模擬出建筑周圍及內部風流場,表征漩渦間的相互影響。因有研究發現[9]:對于加勁索的充氣膜結構,只要膜面曲率在一定范圍內變化,其風壓體形系數取值可參照相應的無索充氣膜結構,因此本文采用不加索的模型進行CFD分析。

        2.2 流域模型

        流體計算寬度B=160 m, 入流面到建筑物前面的距離為L1=64 m, 出流面到建筑物后面的距離為L2=144 m, 計算域高度H=80 m。a為建筑物長與寬中的較大值40 m, b為建筑物長與寬中的較小值32 m, h為建筑高度16 m。因充氣膜結構的體積為10 723.3 m3,故將流場計算域的尺寸取為240 m×160 m×80 m, 可滿足5%的阻塞率要求,在一定程度上消除了計算域的設置對模型結構附近流動狀態的影響。流域剖面圖、模型圖和邊界條件的設置如圖9~圖11和表2所示。

        圖9 計算域縱剖面圖

        圖9 計算域縱剖面圖  下載原圖


        圖10 計算域橫剖面圖

        圖10 計算域橫剖面圖  下載原圖


        圖11 半球形充氣膜結構流場透視圖

        圖11 半球形充氣膜結構流場透視圖  下載原圖


        表2 計算模型參數設置 導出到EXCEL




        邊界條件
        參數設置

        入口邊界條件
        入口采用速度入口,設來流為剪切流,根據場地類別及相應
        規范給定風速剖面u、湍動能k和湍流頻率w:
        u=u0(zzb)αu=u0(zzb)α,其中,u0為標準參考高度處的平均風速;
        k=32(u0I)2,w=k0.5/(l0.090.25),k=32(u0⋅Ι)2,w=k0.5/(l⋅0.090.25),

        其中,l為湍流特征尺度;I為湍流強度

        出口邊界條件
        自由出口,流場任意物理量φ沿出口法向梯度為零,即φn=0∂φ∂n=0

        頂部和兩側
        對稱邊界條件

        建筑物表面
        無滑移壁面條件

        地面
        無滑移壁面條件



        根據得到的平均風壓系數進行分區,并建立結構有限元模型。圖12為該氣承式膜結構的風振系數分布示意圖,由于相近區域的風振系數相似,則各取該區域風振系數平均值為計算條件,具體數據分布見表3。

        3 氣承式膜結構的風振響應時程分析

        在實際工程中,氣承式膜結構布設的索網與膜面一般僅是表面接觸,在強風作用下索網和膜材甚至會發生分離,索膜分離會導致結構受力發生較大改變,故相對于使用索網與膜面共節點的模型,考慮索網與膜之間的協同工作的計算模型更為貼近實際情況,也更合理,F有情況的膜結構設計分析軟件均不能很好地模擬這種連接方式,只能按照索網和膜面共享節點的方式建立分析模型和并計算求解,其故忽略考慮了索、膜之間的接觸與摩擦現象,會在一定程度上影響設計所需的索膜應力,可能會影響實際工作狀態。

        圖12 分區示意圖

        圖12 分區示意圖  下載原圖


        表3 氣承式膜結構風振系數 導出到EXCEL




        分區
        風振系數

        Ⅰ區
        1.1

        Ⅱ區
        0.2

        Ⅲ區
        -0.8

        Ⅳ區
        -0.6

        Ⅴ區
        -0.8



        為改善上述不準確的模擬情況,本節仍以上述有限元模型為分析對象進行研究,模擬了脈動風作用下的不同索膜接觸結構模型的結構時程響應情況。重點分析了結構上具有代表性的7個監測點的位移、應力響應情況,統計了索膜滑動和索膜綁定情況下各監測點的時程數據,進行對比以得出該結構在索膜不同接觸情況下的抗風能力區別,為結構的實際抗風設計提供了思考方向。

        監測點的節點編號見表4。

        表4 監測點節點編號 導出到EXCEL




        監測點
        編號 位置

        A
        770 Ⅰ區中央

        B
        2125 Ⅱ區中央

        C
        419 Ⅲ區中央

        D
        998 Ⅴ區前左側

        E
        2097 Ⅴ區后右側

        F
        99 長軸拉索根部

        G
        55 短軸拉索根部



        通過對兩種不同索膜接觸形式結構模型進行風荷載時程分析,可以看到各種響應的時程數據結果,將數據以圖表形式進行整理,經對比分析發現大部分情況下這兩種模型的位移、應力情況基本相同,以下將對差異較大的情況進行舉例分析。

        結構響應時程對比見圖13~圖16,拉索索力對比見圖17,圖18。

        圖13 結構側面C點位移

        圖13 結構側面C點位移  下載原圖


        圖14 結構側面C點應力

        圖14 結構側面C點應力  下載原圖


        圖15 迎風面側處D點位移

        圖15 迎風面側處D點位移  下載原圖


        圖16 迎風面側處D點應力

        圖16 迎風面側處D點應力  下載原圖


        圖13為膜面上結構側面C點在脈動風作用下在z方向的時程位移數據,根據圖表數據分析,可以看到位于結構側面的C點的z方向位移明顯不同。圖14為膜面上結構側面C點在脈動風作用下的時程應力數據,綜合分析兩組數據,可觀察到索膜綁定模型的結點應力稍大于滑動模型,且綁定模型的應力變化情況較滑動模型相比略穩定。另外,C點位于結構側面,位置基本與長軸方向拉索重合。故觀察圖17為結構長軸方向拉索在脈動風影響下的索力情況,可以發現在索膜綁定情況下,索力整體要小于索膜滑動情況。這是由于氣承式索膜結構是柔性且對風敏感的結構,當脈動風作用于氣承式膜結構上時,若不考慮索膜之間接觸關系,則會導致側邊膜面產生在z方向較大幅度的位移,從而使膜面應力以及相關拉索產生較大應力。因此可得出,索膜之間的接觸方式對于風荷載作用的氣承式膜結構有一定影響。

        圖16為膜面上迎風面側處D點在脈動風作用下的時程應力數據,根據圖表可以看到該監測點在索膜結構綁定情況下的應力數據明顯小于索膜滑動情況下的應力數值。圖15為膜面上迎風面側處D點在脈動風作用下在z方向的時程位移數據,可觀察到D點在z方向上的位移并不大,可以得知索膜接觸形式對拉索較遠區域的z向位移影響較小。另一方面,由于D點位于模型迎風面左側,位于長軸拉索和短軸拉索之間,故觀察圖18為結構短軸方向拉索在脈動風影響下的索力情況,觀察可得索膜綁定情況下的索力遠小于滑動情況。由此可知,對于無拉索區域的節點,索膜的接觸方式對于膜面變形位移的影響不大,但是索膜綁定的拉索可以在一定程度上分擔膜面上由脈動風作用產生的應力。

        圖17 長軸方向拉索索力

        圖17 長軸方向拉索索力  下載原圖


        圖18 短軸方向拉索索力

        圖18 短軸方向拉索索力  下載原圖


        4 結語

        根據實驗可知,對于氣承式膜結構,其索膜接觸類型對于靜態壓力下的膜面應力、位移以及拉索的索力影響不大。而在脈動風作用下對氣承式膜結構的膜面應力和索力影響較大,一方面是綁定情況下的索膜接觸類型可以穩定拉索附近位置的膜面位移,另一方面可以幫助分擔離拉索較遠位置點的膜面應力。在實際工程中,現有的膜結構設計分析軟件均不能很好地模擬索網與膜之間通過接觸實現協同工作的連接方式,只能按照索網和膜面共享節點的方式建立分析模型和求解,忽略了索、膜之間的接觸與摩擦現象,導致設計分析計算的索膜應力與實際工作狀態存在一定的差異。通過本實驗可知,現有的設計分析方法有一定的實際意義,可作為簡化建模分析過程,但是面對設計工況較為復雜時,應建立更符合實際情況的索膜接觸模型進行深化分析,否則將有可能導致設計值偏小,在進行結構設計時偏于危險。

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