寒地气承式充气膜结构建筑适寒设计研究

文章以气承式充气膜结构建筑为研究对象,分析总结了其在我国的发展现状以及属性特征,结合寒地气候环境的影响因素,分别从功能空间、室内环境、膜结构形体和新材料新技术4个方面对气承式充气膜结构建筑的适寒设计作出了分析解读,以期为气承式充气膜结构建筑在寒地城市的发展提供一定的参考。

气承式充气膜结构找形与风荷载作用分析

利用薄壳无矩理论考虑预应力、内压两因素,得到了气承式充气膜结构找形解析公式。采用非线性有限元方法对气承式充气膜结构进行找形分析,利用现有的判别准则对找形后的模型进行判断,以保证模型建立的准确性。根据我国风荷载计算规范,同时结合澳大利亚规范中对穹顶式结构的风荷载体型系数取值,计算24.5 m/s风速作用下等效静力风荷载。通过对改变薄膜厚度、内压以及采取加强索的方式,来对比分析气承式充气膜结构力学性能。膜厚和内压的增加更有利于抵抗外部风荷载,提高整体刚度。最大最小应力之差较小符合实际情况。施加索时,可以降低结构在风载作用下的位移,应力分布更均匀。

气承式充气膜结构初始形态下索膜接触分析

以半椭球形充气膜结构为例,运用通用有限元程序ANSYS,通过改变初始形态下内压、摩擦系数、膜厚,对气承式充气膜结构的初始形态进行索膜接触分析,同时将接触模型与共节点模型进行了对比分析.分析结果表明:索可以等效为边界约束,使得结构刚度增大,增强了结构的整体稳定性;合理的内压可以使索与膜面获得比较均匀的预应力;摩擦系数对膜材的选择具有一定的参考价值;膜厚对接触分析各结果的影响不同,在膜结构设计时应予以考虑;接触模型比共节点模型更合理.

应用LK k-ε模型的气承式充气膜结构风荷载和风环境研究

首先以6m立方体建筑绕流为例,对计算风工程中常用的RANS模型进行了评估,得出LK k-ε模型在同时预测风压和流场方面具有较好的效果。之后应用LK k-ε模型对不同矢跨比的三个典型气承式充气膜结构在不同风向角下的风荷载和周围风环境进行了研究。计算结果显示随着风向角的增加,气膜顶部的极大负压区域和极大负压值都明显增大,在来流为90°时(风向与气膜长边垂直)达到最大,且在该风向角下,随着气膜矢跨比的增加,顶部负压也明显增大。综合来看,气膜结构的抗风设计以极大负压为主,极大负压区域主要出现在气膜的顶部和四个拐角位置。以风速比为指标对气膜周围风环境的研究表明,在气膜的拐角附近和下游某些区域都出现了明显的来流加速现象。