充气式张弦穹顶结构静力性能与稳定性分析

充气式张弦穹顶结构静力性能与稳定性分析

张傲

深圳市烨兴膜结构工程有限公司

摘要：充气式张弦穹顶结构属于全新结构模式，其在实际应用中呈现出某些受力分明、结构简单、外形美观、刚柔并济的优点，而且制作、施工也方便快捷，有着巨大的发展潜力。本文将简述充气式张弦穹顶结构发展现状，探究充气式张弦穹顶结构模型构建，分析不同类型充气式张弦穹顶结构的静力性能与稳定性，以期为充气式张弦穹顶结构的应用发展提供一定参考。

关键词：充气式张弦穹顶结构；静力性能；稳定性

引言：充气式张弦穹顶结构与传统张拉式膜结构类似，以充气膜作为主体结构，结合Tensairity结构概念，通过对气囊充气来对整个结构施加预应力，以此提高上弦构件在荷载作用下的稳定性。

1充气式张弦穹顶结构发展现状

充气式张弦穹顶结构是从传统充气膜结构发展而来，而充气膜这种结构原本属于某种空间跨度较大、质量轻盈的结构系统，世界上存在各种充气膜建筑结构，并且随着新型膜材材料的发展，各种各样的充气膜结构体系开始被运用，其中以德国安联体育场以及北京的水立方作为国家游泳中心十分出名，安联体育场中的外墙以及罩棚分别设置了由惰性气体填充的气枕，对应膜材主要是以透明材质为主，而该种枕膜在晚上能够散发出彩色灯光。至于水立方主要包括不同形状钢架单元工程，同时在种种钢架单元内设置了多样形状的气枕充当填充材料，对应气枕主要选择ETFE透明膜材制成，能够进一步突出气枕膜的结构特性。近年来充气式膜结构体系在多个工程项目中成功运用，充气模式为主的张弦穹顶体系结构随着时代的发展受到了人们的广发关注，瑞士的蒙特利克斯对应车站汽车库内也是世界上首个应用张弦结构建设的产物，推动了充气式张弦结构在多种建筑工程方面的研究和运用，充气式张弦穹顶结构作为一种新型结构体系，其在实际发展过程中，拥有十分广阔的发展前景，针对张弦穹顶结构实施深入研究，系统掌握该种充气式结构的稳定性和静力性能，可以帮助张弦穹顶结构实现进一步发展

2充气式张弦穹顶结构模型构建

2.1数值分析

充气模式为主的张弦结构在进行建模过程中，需要重点考虑其中的刚性构件承载力，因其需要共同承担弯矩以及轴力两种作用，通过系统考虑分析后决定选择具有较高剪应力的B31铁木辛克梁，将其当成刚性模拟构件，选择T3D2模拟中部柔性索选以及上下弦索。具体的膜片和上下弦单元应当根据实际建筑工程的需求进行选用，而充气气囊应训着具有较强抗拉能力和抗撕裂能力的材料即可，保障在计算分析过程中不容易出现错误方程。另外，因为膜结构属于柔性结构，基于较大的荷载影响下，容易产生变形问题，所以选用具有稠密网格的低精度三角形单元模拟膜材。

因为充气模式的张弦结构处于零状态下呈现出某种可变形模式，如果膜材外层刚度不足，则会影响后期收敛。需要利用相关软件进行非线性分析，计算模型，分析确定初始状态后，能够掌握处于内气压影响下张弦穹顶结构具体应力分布特征，随后施加相应的荷载力，准确判断充气模式张弦穹顶结构在实际应用到建筑工程中是否能够满足结构变形和材料强度要求，选择迭代法或增量法作为主要计算方法。，需要根据数值计算情况来选用适宜的方法。最终得到的数值结果只要符合充气张弦穹顶结构模拟的精度要求，便可以将此模型用于后续的稳定性分析。

2.2模型作用力

模型所受作用力包括充气作用、荷载作用和温度作用三种情况。在以气囊为目标实施模拟仿真充气中，结束充气后，需要将内气压设置成4000PA，结束充气工作后，对比分析理论数值和计算结果，将误差控制在5%之内，进一步满足设计精度要求。荷载作用模拟需要保证气囊密封且温度不变，在完成充气作用的基础上在气囊外表面施加均匀分布的荷载力，设气囊半径为r，均匀分布的荷载力Ω计算公式为：

式中 表示从气囊中心到气囊不同方向的距离。因为气囊为密封状态，所以气囊在承受外荷载作用力时，气囊内的气体量不会发生变化，因此可得到理论状态下的计算公式：

在上述公式中P代表了标准状态下的大气压强，而P₀和P₁主要是气球处于充气后以及受到外部荷载条件下的内充气体对应大气压强，V和V₁主要表示出气球处于充气后以及受到外部荷载条件下对应内充气体体积。处于大部分条件下，发现处于均匀外荷条件下，则气囊中气体含量降低，气囊内部气压呈现出扩大趋势^[1]。

温度作用需保证气囊密封且内部气体量不变，对应荷载作用类似于计算方式，能够进一步获得温度持续升高状态下，气球内部气体充气容量扩大，内部企业相继扩大。

3充气式张弦穹顶结构静力性能与稳定性

3.1双向网格充气张弦穹顶结构

此次研究中主要是系统分析充气式张弦穹顶结构稳定性以及静力特征，双向网格模式的充气式张弦穹顶结构包括下弦索和上弦梁交叉分布形成，网格中数个膜片嵌入共同构成气囊，包括上弦刚性网壳、空气以及柔性索膜构成，属于一种混合结构，同时兼具刚柔结构特征。

3.2初始态

尚未受到任何荷载之前，结构因为自重和气囊中的气压影响呈现出初始状态结构，而内部气压还会于气囊膜面形成某种应力分布，提升气囊膜面刚度，可以有效抵抗各种外部荷载，至于在设置内部气压值的过程中，还需要联系结构强度进行考虑，还需保证有足够大的压力维持结构稳定性，相关设备在气囊出现漏气问题时也能够维持内气压在合理范围内。选择充气模式的张弦穹顶结构和原有的充气膜结构相比存在明显差异，而上部钢骨架能够帮助建筑结构维持固定的形态，结构刚度通常要比正常充气膜更大一些，因此气囊内气压值可以比充气膜结构高一些，并维持在合理范围内即可。

将气囊内气压设置成2000Pa，充气式双向网格张弦穹顶结构在实际应用中容易产生某种变形问题，主要是因为承受压力较大。随后在结构处于零状态条件下，为气囊内部充气，能够进一步提升气囊内部充气体积以及气压值。在气囊内部气压持续扩大条件下，膜材便会产生某种预应力，使得气囊刚度持续扩大，内部气压逐渐降低了对于气体体积的影响。最终可以得到充气模式下双向网格张弦穹顶结构处于初始状态中是某种自平衡体系，而内气压于结构膜材以及拉索中形成了不同水平预张力，可以从上弦网壳内形成弯矩以及拉力。

3.3荷载态

初始态分析后记录结构相关的数据，后续分析结构荷载态。实施荷载分析主要目的是为了对特定工况中结构钢骨架、膜材以及拉索操作应力状态实施准确验算，满足材料应力是否符合设计强度要求，以及拉索在实际应用中是否产生松弛现象，膜材是否会出现褶皱现象，以及结构变形是否能满足正常使用的要求。结构的荷载性能需要从多种因素中模拟，本文选择全跨均布荷载、半跨均布荷载、风荷载以及温度变化四种主要情况。另外，建筑在雨雪频繁地区也应当模拟雨荷载、雪荷载已经相应的半跨荷载作用。

处于均匀全跨荷载条件下，结构上层膜面因为重力影响，产生变形问题，同时气囊中的气体体积逐渐缩小，致使内气压的增大，内气压和外荷载呈线性关系。从结构受力角度分析，上弦杆件在受拉状态下，在外部荷载持续扩大条件下，进一步转变成受压模式，同时压力持续增高，下弦索压力也会随着外部荷载增加而持续扩大，同时各种拉索呈现出平稳变化服务，中索拉力增幅缩小^[2]。

处于均匀分布的半跨荷载影响下，建筑结构加载范围内上层膜面开始出现朝下变形的问题，气囊中的气体容量缩小，内部气压却依然呈现出上涨趋势，但和均匀分布全跨荷载相比，结构气囊内部企业却呈现出较小的变化幅度。而结构方面非加载区的中索索力呈现变大趋势，加载区的索力变化较小。可以得知此类结构对半跨荷载作用更为敏感。

后期模拟风荷载功能作用，上层膜面中，内部气压以及风荷载两者拥有相同作用方向，使得膜面表层张力持续扩大，处于风吸力影响下，结构外圈环梁承受的轴向压力持续扩大，对应最高应力更加靠近规范值。在结构方面，由于气囊内气压降低，下层膜面向上变形，拉索和膜面应力也就相对减小，但本身变化不大。可以得到结构在风荷载作用下的最大应力会向着不利状态贴近，代表此种结构受风荷载影响较大。

最后是温度变化，温度会对结构钢骨架部分造成一定影响，也会对气囊内充气体和内气压造成改变。以20℃作为初始态温度，内气压保持2000Pa不变。在升温25℃后，气囊内气压明显升高，气体体积显著增大，导致气囊不断向外扩张膨胀，同时膜材承受应力也持续持续扩大，逐渐靠近规范值，存在爆裂风险。至于结构拉索内力相继增加。整体温度下降25℃，内部气体体积开始减少，内部压力降低，膜材以及拉索预应力呈现出大范围下降的现象，结构失去外部荷载抵抗能力。由此可以发现温度对于内部气压以及结构的影响，必须要做好监测气囊内气压和温度的工作。

3.4稳定性

现阶段，结构稳定性算法比较成熟，荷载位移过程的分析方法也较为方便，可以充分考虑几何非线性、材料非线性、结构强度、结构刚度与稳定性的变化情况。根据静力性能选用弧长法作为结构非线性稳定性分析方式，并选择全跨均布荷载作为模拟工况。另外，在实际建设中气囊是存在几何缺陷，在模拟计算中难以分析，因此将忽略气囊几何缺陷^[3]。

基于均匀分布的全跨荷载影响下，弦膜面模态处于四分之一跨度区域展现出四个一致凹陷区，呈对称分布状态，至于上弦顶部也形成了竖直凸起，具体如下图所示。

图1 全跨均布荷载作用下结构稳定性分布

初期加载阶段，整体结构位移展现出一种线性变化形式，如果荷载因子数量扩大到某种限制，则双折线型便会产生较为突出的非线性模式。因为结构上弦处于某种极限条件下形成的位移形态变化。至于结构的顶点位置同样会产生反向位移现象，在施加荷载持续扩大条件下，使得反向变形问题更为突出。于整体失稳中，结构上弦各个杆件尚未转化为屈服状态，气囊膜面也没有任何松弛，下弦索相关应力值较低，证明处于均匀全跨荷载影响下，结构极限承载力主要是由刚度所决定，由此可以发现结构稳定性独特优势。

结论：充气式张弦穹顶结构作为一种新型建筑结构，具有着造价低、质量轻、跨越能力强等优点，常被用于体育馆、展览厅等公共建筑施工中。针对充气模式下的张弦穹顶结构进行建模分析，系统了解充气式双向网格张弦穹顶结构处于一定荷载以及初始操作状态中的静力性能，可以有效验证张弦穹顶结构在全跨均布荷载作用下具有稳定的力学性能。

参考文献：

[1]陈政,赵海涛,陈吉安.充气式索膜结构的找形分析[J].哈尔滨工业大学学报,2020,52(12):84-90.

[2]黄宇.充气膜结构体育馆施工技术分析[J].建材与装饰,2019(11):4-5.

[3]万宗帅,曹正罡,孙瑛,等.充气式张弦穹顶结构静力性能与稳定性研究[J].建筑结构学报,2019,40(02):136-144.