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【摘 要】膜结构在张力作用下会产生松弛，建筑外观一段时间后会受影响。膜结构施工完成后应再次导入张力，也就是膜结构二次张拉问题。在二次张拉过程中，膜预应力是在逐步张拉过程中实现的，本文运用ANSYS对施工过程模拟，就目前应用较为广泛的组合式伞形膜结构二次张拉施工模拟方法进行探究，期盼提供一些施工参考建议。
【关键词】伞形膜结构；二次张拉；找形
【中图分类号】TU391 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2016）24-0222-02
1.二次张拉
对于组合式伞形膜结构，调整伞顶膜面支撑点，可使膜面张紧，根据结构的特点，可以在桅杆底或顶部设计可顶升装置，用千斤顶顶升，有时也采用膜结构顶部悬吊于其它结构,而连接装置是可伸缩的。
在伞形膜结构张力导入过程中，若仅对伞顶顶升张拉，膜材横向拉力会减小，这样会导致膜材出现皱褶，因此对于伞形膜结构在顶升过程中，同时还要对其角点进行张拉，该处张拉分两类情况：（1）束带式张紧方式，二次张拉过程可通过收缩角点方式实现；（2）螺栓调节方式，可通过再次拧紧节点螺栓对膜材二次张拉，导入张力。
膜结构二次张拉过程中，其形状和预应力分布不断变化，如何跟踪整个结构张拉过程中形状、应力变化，以及对实际施工过程进行精确模拟，避免施工过程中过分张拉或者张拉不足，这对于控制膜结构二次张拉后形态有重要意义。
2.施工模拟
膜结构模型模拟基本过程分两类：（1）曲面法，首先确定控制点坐标将模型离散化，然后施加预应力计算节点不平衡力，求得对应于一定应力分布的几何平衡形态；（2）小弹性模量平面建模法，先确定控制点在平面的投影坐标，在设定一个小弹性模量的情况下，移动控制点到设计值，考虑结构大变形小应变的影响后得到应力分布均匀的初始形态，其实质和前一方法相同，也是求得设定应力分布下的几何平衡形态。
本文针对已具有一定位移约束条件及支座反力膜结构进行二次张拉，提出在张拉过程中通过逐步改变控制点位置达到新的平衡，二次张拉中逐步跟踪每次张拉的过程，分析膜面应力和索应力变化，从而通过控制张拉力和张拉位移，对张拉过程进行有效跟踪。
3. 算例分析
通过某组合式伞形膜结构二次张拉ANSYS模拟，来验证上述方法可行性，在此过程中，通过ANSYS有限元分析软件来实现膜曲面和二次张拉模拟，从而实现对结构二次张拉过程的跟踪；该方法中荷载步是通过时间来标识的，由于荷载步长的选择将很大程度上影响求解过程的收敛性，所以在计算中建议打开时间自动步长。
本文采用两种方案对膜结构进行二次张拉：
方案1：（1）先对伞顶节点1进行向上（Z轴正方向）张拉，张拉位移0.15m；然后同时对对角点5和6进行沿径向张拉0.10m；（2）然后对伞顶节点2进行向上（Z轴正方向）张拉0.15m；然后同时对对角点7和8进行沿径向张拉0.10m。
方案2：（1）先对节点1和节点2进行同时向上（Z轴正方向）张拉0.15m；（2）然后同时沿径向对节点5~8进行径向张拉0.10m。
对组合式伞形膜结构，方案1施工比较简便，但施工过程要考虑未张拉部分对张拉部分的影响，张拉应力集中；方案2做整体张拉，张拉过程膜面整体发生变化，避免了张拉部分应力分布不均匀，但是方案2对施工过程中的协调性要求较高。下面给出采用方案1和方案2，得到的第一阶段（Z轴正方向）张拉节点1过程中Z轴正向张拉力、脊索L4应力、边索L9应力、膜面125、584号单元应力与张拉行程的关系曲线.
开始对结构顶部张拉时，由于结构本身有预应力存在，刚开始张拉，所需张拉力随着张拉位移变化比较大，位移超过0.025m以后，结构张拉所需的张拉力以及脊索应力随张拉位移成比例增加，增加幅度基本不变。开始对顶部进行张拉时，边索应力以及膜面应力增大的幅度较大，随着张拉一定位移以后，脊索应力继续增大，而边索和膜面的应力逐渐减小。这就说明在张拉一定位移以后，脊索应力的大小对整个膜结构的形态起控制作用，而边索应力和膜面刚度对结构的影响降低。
此外，结构中部膜面应力比靠近边界膜面应力的变化大，这说明在二次张拉过程中，结构脊部对形态影响较大。总的来说，对节点1进行张拉过程中，脊索是对结构形态起控制作用。
图1～4中可以看出，采用方案1膜曲面的最大应力为47.9MPa，最小应力为1.97MPa，采用方案2得到膜面最大应力为14MPa，最小应力为2.71MPa。从以上分析可以看出，显然，采用方案2得到的最终形态应力分布比方案1得到的结果更为合理。
4.结语
本文在模拟已建膜结构形态的基础上，运用有限元软件进行了张力导入的施工模拟，通过强制位移的方法来对膜结构进行张拉。在此施工模拟过程中，运用有限元软件进行二次张拉施工模拟，不仅可以对张拉过程进行跟踪，还可以通过改变张拉行程大小和方向得到比较合理的膜结构形态。此外，实际工程中在张拉施工以后，如果膜面张力不够，膜面张拉的不够理想或者膜面出现皱褶，也可以采用本章所给的方法对张拉过程进行施工模拟，对张拉力和张拉位移进行有效的控制，从而得到较为理想的膜曲面。
参考文献
[1]钱若军,杨联萍.张力结构的分析.设计.施工.南京：东南大学出版社,2003.
[2]沈世钊,徐崇宝,赵臣.悬索结构设计.北京：中国建筑工业出版社,1997.
[3]李中立.张拉膜结构全过程分析及实验验证[博士学位论文].天津：天津大学,1997.
论文作者:张建
论文发表刊物:《建筑知识》2016年24期
论文发表时间:2017/6/13
标签：应力论文; 膜结构论文; 过程中论文; 位移论文; 结构论文; 节点论文; 方案论文; 《建筑知识》2016年24期论文;