[发明专利]一种大曲率索膜结构的设计方法

说明书

本发明保护一种大曲率索膜结构的设计方法，针对的是目前的索膜结构易发生较大变形而改变形体尺寸或出现松弛，且国内外对索膜结构的分析设计理论尚未完全成熟的技术问题；本发明的设计方法包括以下步骤：（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析；（2）采用ANSYS软件对大曲率索膜结构进行找形分析；（3）选取厚度合适的膜材；（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；（5）对大曲率索膜结构进行技术验证及五金件优化；（6）设计膜材的合适透光率。本发明的设计方法将钢索、膜材、五金件及索膜支座钢构协同受力体系优化，在充分发挥材料性能的前提下改善结构的整体受力稳定性和构件的适用性，并使建筑形体艺术完美表达。

技术领域

本发明涉及建筑工程的索膜结构设计技术领域，具体地，涉及一种大曲率索膜结构的设计方法。

背景技术

随着社会的不断发展，人们对公共活动空间如大型的展览馆、体育场馆、机场、火车站等需求与日俱增；同时，随着人们的审美水平不断提高，对建筑的美观、轻盈等要求也在不断的增加；索膜结构以其丰富的色彩、轻盈的结构形式、美观的造型也越来越受大众欢迎。这些现象极大的促进了索膜结构的不断创新。不仅是在安全、经济方面的创新，更重要的是在造型方面的创新，满足人们不断更新的审美需求。

索膜结构不同于常规建筑结构，其所用膜材为弹塑性材料，材料在拉伸测试时会出现两个屈服平台，最大抗拉强度仅为钢材的1/10左右，在拉力作用下拉伸形变越大产生的徐变越大，力学性能独特；并且膜材对温度变化较为敏感。

索膜结构在阻燃性能及透光性方面优势明显，耐久性较好，可以降低结构荷载，还可以降低材料使用量，节约工程投资，近年来得到了较为广泛的应用。

但索膜结构易受温度性能影响，大面积膜结构在风、雪荷载作用下容易在结构边缘出现应力集中并产生塑性变形或因温度变化发生较大变形而改变形体尺寸或出现松弛。国内外对索膜结构的分析设计理论尚未完全成熟，因此探索合适的大曲率索膜结构的设计方法，根据特殊建筑形体进行专门设计与加工，并在实际施工中有针对性的进行优化改进，也是促进大跨度、大面积索膜结构的推广应用的需要。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大曲率索膜结构的设计方法。本发明的设计方法将钢索、膜材、五金件及索膜支座钢构协同受力体系优化，在充分发挥材料性能的前提下改善结构的整体受力稳定性和构件的适用性，并使建筑形体艺术完美表达。

为实现上述目的，本发明提供了一种大曲率索膜结构的设计方法，包括以下步骤：

（1）对大曲率索膜结构要使用的膜材进行性能分析，以确定要选择使用的膜材；性能分析包括膜材拉伸性能分析和膜材徐变性能分析；所述膜材拉伸性能分析包括进行单轴拉伸试验；所述膜材徐变性能分析包括进行常温徐变试验，温度为30-35℃；忽略材料的瞬时应变仅考虑材料的徐变应变，徐变应变为试验任意时刻材料的应变与初始应变的差值，即：

其中，ɛ_cr为徐变应变，L(t)与ɛ(t)为t时刻材料的位移与应变；L(t₀)与ɛ(t₀)为材料在初始时刻的位移与应变；L₀为夹具间长度，为80-120mm；

（2）采用ANSYS软件对大曲率索膜结构进行找形分析，选用SHELL41单元模拟索膜结构中的膜材；

（3）通过对不同厚度的膜材在风荷载作用下的应力进行分析，选取厚度合适的膜材；

（4）优化大曲率索膜结构中的加固索网；具体包括确定结构体系、索网布置方案的选定及优化、钢索直径选择；