预应力张拉膜结构节点破坏分析及试验研究

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由膜片、钢索、支承结构、基础结构通过节点的有效连接而组成的薄膜结构；以其结构重量轻、跨越能力强、施工速度快、抗震性能好、建筑造型丰富等优点得到众多建筑师的青睐；节点构造设计作为膜结构设计中的一个重要环节；不仅关系到膜结构的建筑艺术效果；还关系到结构的整体性和可靠度；针对膜结构节点破坏的问题；以PVC膜材为研究对象；有针对性地选择了膜结构工程中常用的两种连接方式:螺栓夹板连接和U形夹具连接；通过模拟和试验的方法；探究了膜结构节点连接中不同因素对膜面节点强度的影响；通过正交模拟分析和正交试验研究得到了不同因素以及同一因素下不同取值对膜面节点强度影响大小的先后顺序；并从中得到了膜面连接方面的最优水平组合:螺栓间距为80mm；边绳直径为8mm；摩擦系数0.5；垫板厚度10mm的钢板或铝压板；在实际工程同等因素下对于膜结构的节点设计建议优先考虑螺栓间距和边绳直径；橡胶垫片和垫板的厚度可根据现场的施工条件选取即可；

膜结构作为一种新型空间结构在20世纪中期得到了迅速的发展,通过节点有效地将膜材、钢索与支撑构件连接到一起[1]。该结构一经面世便以其质轻高强、造型新颖优美、施工便利高效、抗震性能好等优点受到工程师的好评。 膜结构节点破坏方面的研究在我国开展得相对滞后,武岳(2004)[2]介绍了膜结构节点设计的一般原则,并且指出在进行节点设计时,应综合考虑结构、构造、施工张拉等方面的要求,既要遵循普通钢结构节点设计的一般原则,又要考虑到结构形式和所用材料的具体特点。李阳(2007)[3]主要针对热合和粘合的膜-膜节点以及压板和型夹连接的膜-刚性边界节点,确定了合理的试验方法,进行了大量的连接强度试验,定量地分析各节点参数对连接强度的影响。张丽[4]采用合理的膜材拉伸测试与分析方法,得到了较为准确的膜材力学参数和破坏规律,并对全新高强PVDF/PES膜材进行拉伸破坏试验研究,先后完成了单轴拉伸破断试验、单向循环拉伸试验、不同荷载比例的双轴加载试验,研究了双轴拉伸试验结果数据并分析其对试验结果参数的影响,计算膜材工程常数并确定3D应力-应变响应面。张万剑[5]从结构的风致效应、结构与风的流固耦合效应、结构的几何非线性和动力特性方面分析了膜面节点连接件在风荷载作用下断裂造成角部膜材撕裂的原因。吴明儿[6]对ETFE膜材进行了6种定速单向拉伸试验,并且得到了膜面节点所对应的抗拉强度、屈服应力、断裂延伸率以及弹性模量等参数的在不同拉伸速度下的变化规律。张其林等(2010)[7]介绍了上海世博会世博轴大型索膜结构的一系列试验研究,包括阳光谷钢结构不同节点形式、膜材和连接件的力学性能、预应力索膜结构体系的鲁棒性、膜面风振特性等,给出膜边界的破坏模式以及最终确定的膜边界连接件,指出膜面体系具有较好的鲁棒性。这些研究工作为索膜结构的安全性提供了保障。 近几年随着膜结构工程在我国应用的日益增多,以高分子膜材为基础的各类膜结构在近几年的世博会展馆建筑中独领风骚,精彩纷呈[8]。但是,膜结构因工程设计缺陷、施工原因等因素导致膜材的损伤进而造成的破坏事故也愈发增多,膜结构形状不合理、体系不合理等是事故发生的起因,因此膜结构节点破坏的研究十分必要。本文针对膜结构连接时因不同因素对膜面节点抗拉强度影响不同的问题,通过正交模拟分析和试验研究得到了不同因素以及同一因素下不同水平对膜面节点强度影响的先后顺序,并从中得到了膜面连接方面的最优水平组合,为实际膜结构工程中节点的设计提供参考和借鉴。 1 膜结构的研究方法 膜结构的设计内容和分析方法有别于传统结构,每一个阶段的设计都是环环相扣,主要包括三个阶段:形态分析、荷载分析、裁剪分析。 1.1 形态分析 作为一种柔性材料体系的膜结构,在没有施加预应力之前其形状是不确定的,且膜内也不具有刚度,必须通过施加预应力的方式,让膜面具有一定的刚度,在这个过程当中膜面的形状是由预应力大小和边界条件共同决定来生成理想的曲面形式,这个过程即为初始形态分析[9]。初始形态分析通常又分为找形和找态两种方法,前者是在求解过程中给定预应力,根据线性方程组结合边界条件,用数学方法求得各节点坐标从而形成形状;后者是预先给定结构的形状,然后再求得其预应力。两种方法从根本上来说只是不同参数方程的组合求解,而最终需要确定和解决的是膜面初始形状和初始预张力的分布情况。随着计算机技术的不断发展,膜结构形态分析方法衍生出更多方法,如力密度法、动力松弛法和非线性有限元法[10-11]。