膜结构的荷载效应分析

建筑膜结构具有造型新颖独特、传力简捷高效的特点，受到人们的普遍青睐。作为一种典型的柔性张力结构形式，膜结构在力学表现上具有许多不同于传统刚性结构之处，从而形成了一套独特的分析设计理论体系¨。首先，由于膜材不能抗压、抗弯，需要通过薄膜张力作用来维持形状和抵抗外荷载，因此膜结构的初始形状不能任意给定，必须是符合给定边界条件且只有张力作用的平衡曲面，这使得膜结构分析比刚性结构多了一个初始形态确定过程。其次，膜结构在外荷载作用下会产生较大变形，因此几何非线性是其荷载效应分析中不可忽略的因素。不仅如此，在分析过程中还必须考虑膜材褶皱的影响，及时对结构刚度进行修正，这相当于是一个材料非线性问题。也就是说，膜结构的荷载效应分析需要同时考虑几何非线性和材料非线性的双重影响。

此外，由于膜结构的轻柔特点，在风荷载作用下振动较一般结构剧烈，属于典型的风敏感结构。从实际风灾害情况来看，膜结构是风损最为严重的建筑结构类型之一；不仅中小型膜结构易出现风毁事故，大型膜结构遭风破坏的例子也屡见不鲜；不仅国内的风破坏实例众多，国外的例子也不少。这说明，膜结构的抗风设计问题较一般结构更为突出，且一直没有得到很好解决。再有，膜结构往往是具有预张力的不可展曲面，而实际加工则是在无应力状态下用有限幅宽的平面膜材通过拼接完成的，因此需要通过裁剪分析来实现曲面的剖分、展平和应力释放。该过程也较一般结构的下料分析要复杂得多。以上简要介绍了膜结构分析理论的特点和需要考虑的问题。但这些并非是膜结构分析理论的全部。特别是近年来，随着膜结构建造跨度的不断加大，以及在一些非建筑领域(如航天工程)的应用，对膜结构分析提出了更新、更高的要求，也推动了相关理论的发展。

本文首先依据膜结构的设计流程，从初始形态分析、荷载效应分析和裁剪分析三个方面对膜结构分析理论的基本框架进行概要介绍；然后针对当前膜结构研究中的若干热点问题，如褶皱模拟、风振分析、形态优化以及精确成形等，进行深入探讨；最后对膜结构分析理论研究工作提出展望。

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