气承式膜结构

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气承式膜结构是利用室内外压差成形的一种大跨空间结构形式,它质量轻、跨度大、造型美观、施工速度快。随着北方雾霾天气的出现和实际生产中的需求不断增多,气承式膜结构应用越来越广泛。膜结构属于柔性结构,对风敏感,设计中将风荷载作为控制荷载考虑。随着膜结构的使用破坏现象也有出现,在有些情况下实际破坏时显示的风速尚未达到设计风速,原因主要在于破坏时大风伴随降雨出现,雨的出现会导致膜面周围风场突变,产生风驱雨进而造成破坏。为保证膜结构的健康使用,本文研究了风雨共同作用下气承式膜结构响应,为今后结构设计提供有益的指导。首先分析风和雨的特点,将风荷载作为气态,将雨滴作为液态,基于多相流理论的Eulerian模型,建立风雨共同作用模型。其次考虑实际需求,建立三种尺寸(30m×20m×5m,80m×50m×15m,130m×100m×25m)的充气膜结构,对三个模型的多组流体域尺寸进行对比分析,最终确定各模型流体域的合理取值分别为450m×200m×60m、550m×400m×150m、640m×500m×250m；对不同风向角下的三个模型进行模拟分析,根据风压系数的最值确定模型分析风向角分别为0°、50°和60°。然后确定风雨共同作用模拟方案,设定合理参数,考虑多种工况:风速选用10m/s、18m/s和30m/s,雨强选用40mm/h、70mm/h和130mm/h,进行两两组合,实现风雨共同作用。最后在FLUENT中得到相应的风压系数,分析结构响应。结果表明:风雨共同作用和纯风作用相比,力学特性明显变化,结构的跨度越大受风速和雨强的影响就越大。考虑到模型二和三膜面位移过大的现象,本文还通过增加模型内压的方式进行结构优化设计,将膜面应力降低到合理范围。这些研究对大跨气承式膜结构设计有一定指导意义。