荷载作用下气枕式ETFE膜结构受力性能分析

对气枕式ETFE膜结构的受力性能进行了研究,分析了均布荷载作用下ETFE膜结构气枕的膜面位移和内力随荷载变化的规律,分别考察了气枕的初始内压、高跨比、薄膜厚度等参数对气枕位移、膜面应力的影响,给出了其参数变化影响规律.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了受力分析,分别给出了初始形态下和受荷状态下边缘构件的受力特点.通过分析,给出了设计建议.     

气枕式ETFE膜结构的找形分析

对气枕式ETFE膜结构的找形分析进行了研究.由薄膜理论导得膜结构的微分方程,并采用弹性力学的扭转分析法进行求解.文中给出了矩形、等边六边形、椭圆形、圆形、等边三角形、完整扇形及任意扇形等ETFE气枕的找形计算公式,这些公式对气枕式ETFE膜结构的设计具有一定参考价值.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了分析,并给出了设计建议.     

ETFE气枕式膜结构

随着ETFE(Ethylene Tetra Fluro Ethylene)膜材的成功研发,凭借其轻质、透光、隔热、抗腐、耐候、自洁等良好的性能而被广泛应用,大量的学者也对其开展研究。ETFE膜材为非织物类膜材,相比织物类膜材其单张膜的抗拉强度较低,常采用气枕的形式多张共同受力,并通过内压使其具有合适的刚度,由此产生的气枕式膜结构具有较好的力学性能和使用性能,逐渐得到广泛的发展并具有良好的前景。提炼出了ETFE气枕式膜结构相比于其它膜结构独有的可调节特性,在服役过程中通过内压改变对受力性能、透光率、隔热性能等的自动调节能力,并对ETFE气枕式膜结构的发展、性能、设计方法与施工技术进行研究与归纳,总结了国内外学者对ETFE气枕式膜结构的研究现状,对工程实践具有一定的指导意义。     

ETFE气枕力学性能试验研究及有限元分析

对1个乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试,研究了气枕的静力性能和动力特性.建立了ETFE气枕有限元模型,进行了形态、荷载及模态分析,验证了有限元分析方法的有效性.结果表明:气枕内压对外荷载较为敏感,荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小;作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化;相同荷载作用下,气枕变形随初始内压增加而非线性减小;在试验内压范围内,测试气枕的基本自振频率位于6 ～ 10 Hz之间,前两阶自振频率间隔较大,2～5阶自振频率分布更为密集,气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加;在低阶模态中,气枕上、下层膜面呈对称振动;ETFE气枕为低阻尼结构,各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小;形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好,验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性.     

ETFE气枕力学性能试验研究及有限元分析

对1个乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试,研究了气枕的静力性能和动力特性。建立了ETFE气枕有限元模型,进行了形态、荷载及模态分析,验证了有限元分析方法的有效性。结果表明：气枕内压对外荷载较为敏感,荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小;作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化;相同荷载作用下,气枕变形随初始内压增加而非线性减小;在试验内压范围内,测试气枕的基本自振频率位于6～10Hz之间,前两阶自振频率间隔较大,2～5阶自振频率分布更为密集,气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加;在低阶模态中,气枕上、下层膜面呈对称振动;ETFE气枕为低阻尼结构,各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小;形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好,验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性。     

ETFE膜结构熔膜体系施工技术

ETFE膜结构在现代建筑中已日益成为透明建筑结构中品质优越的应用材料,由于ETFE薄膜在初始的弹性段变形很小而屈服以后变形很大,使得单层ETFE薄膜结构制作困难且易发生松弛,故大型ETFE薄膜结构多采用气枕结构;根据这一特性,利用ETFE膜结构熔膜体系能够迅速而有效地达到工程所需消防排烟要求,且气枕熔断过程中不产生明火,对建筑工程整体损害非常之小,为此,介绍了ETFE膜结构熔膜体系的施工流程及操作要点,可供相关工程参考。     

ETFE气枕力学性能分析及其蒙皮效应研究

利用ANSYS软件对ETFE气枕结构进行找形分析,考虑预应力和内压两个控制因素,给出了三角形、四边形和六边形气枕的找形结果,并推导了四边形和圆形气枕找形的解析式。编制了计算气枕体积的MATLAB程序,并与ANSYS软件联合应用,计算了矩形气枕结构在7种荷载工况下的变形和膜面的应力分布。通过参数分析,得到了膜面应力和矢高、膜厚、矢跨比之间的关系,提出了气枕合理的膜厚、矢跨比,并给出了不同跨度气枕充压建议值,最后对ETFE气枕结构的蒙皮效应进行了研究。研究结果表明：膜面初始预应力宜介于5~8MPa;ETFE膜厚可根据气枕跨度选择单层0.2 mm或双层0.4 mm,矢跨比0.1左右,成形后膜面最大、最小应力分别位于中心区、角点区;ETFE气枕充压的初始内压介于250~1 150 MPa,充压值随跨度增大而减小;初始内压500 Pa常用尺寸（4 m×5 m矩形）的气枕,可抵抗大小与内压相当的正负风压、均布和半跨雪荷载和偶然集中荷载,但在超载工况下,需对气枕充气加压方可继续工作;ETFE气枕具有明显的蒙皮效应。     

ETFE充气膜结构形态优化分析

基于肥皂泡成型原理,提出了一种气枕形态优化方法,并用APDL编写了相应的程序.通过对比分析圆形ETFE气枕的优化结果与理论值,验证了优化方法的准确性.同时,利用编制的程序对三角形、菱形、六边形、椭圆形等ETFE气枕进行了优化分析,并考察了边界空间位置变化对六边形气枕找形的影响.分析表明,在内部气压与起拱高度一定的情况下,本文提出的找形优化方法可确定气枕的最优形状和膜内应力.     

ETFE薄膜双层气枕结构试验研究

首先对ETFE薄膜进行了单向拉伸试验,由应力-应变曲线计算力学参数:屈服强度、屈服应变、切线弹性模量和割线弹性模量.采用两种环氧树脂1∶1质量比制备胶黏剂,实现应变片与ETFE粘结协同,然后对其标定.研制了由荷载模拟、ETFE气枕、压力控制系统和测量系统组成的试验系统.成功地进行了风压、风吸正常承载力试验和极限承载力试验,应用三维扫描仪实现ETFE气枕形态无接触测量,并与数值分析结果进行了对比.本文成果对ETFE气枕设计具有参考价值.     

均匀流场作用下ETFE气枕的流固耦合分析（英文）

ETFE(Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene)气枕由于自重轻、造型丰富等优点,广泛应用于土木工程领域的大跨空间钢结构如水立方等以及航空航天领域的空间可展结构。ETFE气枕属于风敏感结构,在风荷载作用下,易产生较大的变形和振动,进而使得周围风场发生变化,引起显著的流固耦合效应。这种耦合效应可以通过结构形状改变、附加质量、气动阻尼和气承刚度的变化来表征。目前相关研究主要对张拉膜结构在均匀流情况下的流固耦合作用进行了研究,尚未发现有关ETFE气枕等充气膜结构方面的研究报道。以方形ETFE气枕为研究对象,借助商用有限元软件ADINA,通过将CFD(Computational Fluid Dynamics)/CSD (Computational Structure Dynamics)分析结果与FSI(Fluid Structure Interaction)分析结果进行对比,探究其在均匀流场情况下的流固耦合作用的特点以及对动力响应的影响规律。数值计算中忽略能量的耗散,因此没有考虑气动阻尼的影响,通过有势流体考虑气承刚度的影响,着重研究了流固耦合作用中气枕形状改变和附加质量的影响作用。主要研究内容与结论如下:假定外部流场为均匀层流场,采用8结点层流单元进行离散; ETFE气枕外围薄膜为线弹性材料且其变形满足大转动、小应变条件,采用3D-4结点膜单元进行离散; ETFE气枕的内充气体为小扰动、无旋的理想流体,采用8结点线性势流体单元进行离散。在CFD模块,通过瞬态分析求得ETFE气枕刚性模型表面的风压分布和风荷载时程,然后将风压时程施加在CSD模块中ETFE气枕的膜面上,借助隐式时间积分进行时程分析,求得在不考虑流固耦合作用时气枕的风致响应。通过分别在CFD和CSD模块中设置流固耦合界面,并在CFD模块中引入ALE(Arbitary Lagrangian-Euler)网格离散计算域以考虑流固耦合边界的运动问题,对均匀流场中的ETFE气枕进行双向耦合分析,计算其在考虑流固耦合作用情况下的表面风压和风致响应。通过将CFD/CSD分析结果与FSI分析结果进行对比,研究流固耦合作用对ETFE气枕动力响应的影响规律。结果表明:两种情形下得到的风压分布和数值大致相同,说明在外部均匀流场情况下,气枕形状改变对流场的影响很小;而两种情形下的内压、位移、速度、加速度和应力响应时程结果差异较大,说明在外部均匀流场情况下,附加质量对ETFE气枕动力响应具有显著影响。可见,均匀流场与ETFE气枕的流固耦合作用,在不考虑气动阻尼的情况下,主要体现为附加质量的影响。     

ETFE气枕结构设计--国家游泳中心气枕结构设计简介

应用于2008年北京奥运国家游泳中心工程的ETFE气枕是一种新型的建筑围护结构, 具有材料重量轻、透光性好、美观等优点。本文首先介绍了气枕结构的受力特点, 接着分析了ETFE气枕的找形和各荷载工况下的应力分布和变形, 并对堆积雪荷载、温度、矢跨比及膜厚等参数对结构的影响进行了比较分析, 最后提出了气枕结构的一般设计方法。本文结论对ETFE气枕结构的进一步研究应用具有参考价值。     

ETFE膜结构主要形式及ETFE工程难点

ETFE膜结构具有不同的结构形式,包括单层ETFE、单层ETFE加单向钢索、单层ETFE加双向钢索、单层ETFE加含跨中支座的单向钢索以及ETFE气枕等。结构选型时,应结合边界尺寸、荷载条件、膜材厚度、变形控制等要求综合决定。ETFE做为一种新型的建筑材料,尚未被建筑师普遍熟悉,易造成某些方案不符合ETFE的加工和安装条件。ETFE对钢结构的制作精度以及ETFE自身的安装工艺要求都很高。节点防水处理以及温度的影响是ETFE膜结构需要重视的问题。     

ETFE薄膜气枕模型试验研究

设计制作了2个不同矢跨比的ETFE薄膜气枕模型,进行了气枕形状测试、加压以及铺砂加压试验,得到了气枕形状坐标以及膜面随气压的变形量。对ETFE薄膜进行单向拉伸试验,测得材料的屈服强度、切线弹性模量和割线弹性模量。利用几何非线性有限元进行了数值分析,将数值结果与试验值进行了比较分析。结果表明:ETFE薄膜可按各向同性材料分析,数值计算结果与试验值吻合较好;在同样内压作用下,气枕矢高较高时膜面位移与膜面应力较小;ETFE薄膜采用割线弹性模量计算得到的膜面位移与试验值比较吻合,采用切线弹性模量计算得到的变形小于试验值。     

控制网格变形的膜结构找形新方法

膜结构找形过程中曲率较大处的网格容易聚集,而曲率较小处的却稀疏,将直接影响到荷载分析和裁减分析的精度。第一次找形时采用变化的小弹性模量,第二次找形时再赋予膜材真实的弹性模量,成功地控制了网格的变形。并通过算例证明了这一思路的正确性。     

ETFE气枕模型试验与有限元分析

通过2 m×2 m的ETFE气枕模型试验,进行了气枕形状测试、充气加压测试和气压一定的加载测试。通过在上下膜面画上一组刻线,测量膜面在充气过程中刻线长度的变化,进而求得膜面应力的变化。基于膜面应力和气枕矢高的试验测试值与几何非线性有限元分析结果比较,验证了ETFE气枕有限元模拟方法的正确性。研究表明：由于ETFE气枕充气过程中膜材伸展率较大,膜面粘贴应变传感器很难捕捉准确的膜面应力,采用膜面画刻线的方法可以用于测试ETFE充气结构的膜面应力;立体裁剪的ETFE气枕,充气成形过程中,膜面基本展开时零应力状态下,膜面角部区域已张紧,具有初始应力,因此,角部区域膜面应力测试时需给予初应力补偿;ETFE膜材热熔焊缝相当于膜材局部加强,顺焊缝及垂直焊缝的实测应力小于按均匀材料计算的应力,但对整体充气膜面应力的影响很小;膜面应力和气枕矢高的试验测试值与有限元分析值基本吻合。     

膜结构找形分析的综合设计策略

针对膜结构找形分析中的初始形状确定提出了新的综合设计策略.对初始形状的确定,首先采用力密度格式得到初始近似曲面,在此基础上进行动力松弛计算,得到更为精确的初始曲面.通过综合设计策略和力密度格式、动力松弛格式的比较,发现此种方法比力密度格式精度有所提高,收敛速度比动力松弛格式快得多.     

带弹性拉压杆张拉膜结构找形分析

本文在力密度法的基础上推导了混合力密度法，解决了带弹性拉压杆张拉膜结构的找形分析问题，并编制相应的计算程序对工程实例进行计算，计算结果表明，本文的方法数值稳定、收敛快、精度高，适合运用于张拉膜结构的整体找形分析。     

ETFE膜结构在广州南站的应用

ETFE这种新型建筑材料质量轻、强度大,可以适应各种建筑造型,并且有着良好的热工性能和声学效果。在广州南站中央通廊的采光屋顶设计中就采用了ETFE气枕,形成了良好的空间效果,创造出了交通建筑全新的代表空间。并在节点的设计上,结合地方特点形成了良好的排水组织。