荷載效應(yīng)分析

荷載效應(yīng)分析的目的是檢驗(yàn)由初始形態(tài)分析確定的膜結(jié)構(gòu)，在各種可能的荷載組合作用下是否滿足強(qiáng)度和使用功能等方面的要求。具體講，就是要保證膜材不會(huì)因應(yīng)力過(guò)小而出現(xiàn)大面積褶皺或因應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致撕裂；保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)、雪等荷載的作用下不會(huì)因變形或振動(dòng)過(guò)大而影響使用功能；保證小會(huì)因局部構(gòu)件失效而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌等。膜結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)分析原則上與其他結(jié)構(gòu)分析并無(wú)明顯差別，但由于在材料和工作機(jī)理上的特殊性，使得膜結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)中包含了一些特有的問(wèn)題，如對(duì)褶皺的模擬和結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析等。關(guān)于這兩個(gè)問(wèn)題，將在第三部分作專題介紹。這里著重介紹利用高階有限單元來(lái)提高分析精度的問(wèn)題。

目前在膜結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)分析中普遍采用非線性有限元法，有限單元的形式多為平面常應(yīng)變?nèi)切螁卧狫。這種單元的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)表達(dá)式比較簡(jiǎn)單，H．一般可以滿足工程精度要求。但存在兩方面

不足【jiJ：1)實(shí)際膜材是通過(guò)曲率變化和剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的共同作用來(lái)抵抗法向荷載的，而平面j角形單元只有而內(nèi)應(yīng)力，岡此只能通過(guò)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)抵抗法向荷載，不能反映膜單元的曲率變化，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致計(jì)算迭代次數(shù)增多，精度降低；2)由于每個(gè)平面三角形單元內(nèi)的應(yīng)力為常數(shù)，意味著結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布是不連續(xù)的，甚全會(huì)有畸變，顯然這也是不符合實(shí)際情況的。為此，一些學(xué)者提出用精度更高的曲面單元來(lái)代替平面單元的方法。

Trostel和Otto_j在20世紀(jì)60年代即開展了應(yīng)用曲向單元進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)分析的研究。其后，一些學(xué)者[21,32]也開展了相關(guān)研究，但由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算水平的限制，發(fā)展較為緩慢。直到20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析的需求，對(duì)曲面膜單元的研究又開始受到關(guān)注。Gosling和Lewis[33341采用八結(jié)點(diǎn)四邊形曲面等參元進(jìn)行了膜結(jié)構(gòu)分析和形態(tài)優(yōu)化，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比證明其具有很高的精度。Kneenl35J研究了五節(jié)點(diǎn)四邊形等參無(wú)和四結(jié)點(diǎn)i角形等參元在膜結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)，葉小兵L36l和傘冰冰等_37_也在應(yīng)用曲面單元進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)分析方面進(jìn)行了探索。