基于风压分布场的气肋式膜结构力学性能分析及优化

作     者：茹毅 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张军;武青海

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：气肋式膜结构 湍流模型 风压分布 力学性能分析 响应面法 

摘      要：充气式膜结构作为一种方便快捷、适应性强的建筑结构在我国发展迅速。随着充气式膜结构广泛应用,类型也更加多样。但其结构复杂,难以确定结构强度是否满足要求。因此探究一种适用于求解膜结构风压分布场的方法来校核结构强度具有重要意义。本文以应用广泛的直立拱形气肋式膜结构与曲面拱形气肋式膜结构为研究对象,通过计算流体动力学与结构有限元分析法求解了两种膜结构在不同工况下的风压分布与力学性能响应。根据控制变量法与响应面法对直立拱形气肋式膜结构外部参数进行优化,以减小篷布最大位移。主要研究工作与结论如下:(1)本文对比直立拱形气肋式膜结构在规范荷载和流场计算结果荷载下的力学性能响应。分析发现风场计算结果同规范体型系数分布相近,但风场结果更详细,结构荷载计算结果更为精确。(2)本文通过计算流体动力学求解曲面拱形气肋式膜结构风压分布,依据风压分布场结果建立结构有限元模型计算其力学性能响应。结果显示曲面拱形气肋式膜结构相较于直立拱形气肋式膜结构,其篷布端面最大位移大幅减小,且整体最大位移更小,因此曲面拱形气肋式膜结构更优。两种膜结构的篷布应力在风荷载较小时受气肋内压影响较大,均会出现沿气肋大应力带。当风荷载逐渐增大时,沿气肋大应力带逐渐消失,取而代之是受风荷载影响较大区域出现大应力区域。气肋应力主要受气肋内压影响,分布均匀,但当风荷载逐渐增大时,两种膜结构的气肋根部易出现大应力区域。(3)风向角的变化对曲面拱形气肋式膜结构最大负风压影响效果显著,最大负风压会随着风向角增大而逐渐增大。当风向角较小时,篷布位移主要受风压力影响,位移最大值均出现在迎风面位置。风向角逐渐增大,风吸力增大,篷布位移最大值转变到负风压区。风向角对篷布应力影响较小,应力最大值均出现在斜气肋根部交汇处。(4)本文通过响应面法对缆风绳布设角度、气肋内压、端面和侧面缆风绳初始预应力四个参数进行优化。以篷布位移最小为优化目标确定的最优方案参数为:缆风绳布设角度为30.8°、气肋内压为0.3MPa、端面缆风绳初始预应力为378.7Pa、侧面缆风绳初始预应力为188.0Pa。本文流场分析方法为求解膜结构风压分布提供了新思路,通过响应面法优化缆风绳等外部参数,为气肋式膜结构现场布设提供了参考。