张拉膜结构振型选择及风荷载计算

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科学技术创新2019.21

张拉膜结构振型选择及风荷载计算

周颖

（上海房屋质量检测站，上海200031）

基于高耸和高层结构进行简化研究，并不一定适，

摘要：张拉膜结构是一种典型柔性结构，现行荷载规范中考虑风振影响时

对平均风作用

用于张拉膜结构。本文依据等效风荷载研究现状，针对张拉膜结构风致动力响应和等效风荷载计算做了一些研究。

结果表明，随机振动研究方法适用于，

下的平面张拉结构进行随机振动分析，并与考虑流固耦合作用的数值模拟结果进行了比较

可以满足设计的需要。，

对张拉膜结构进行振型选择，此方法针对风荷载的计算也有一定的安全度

随机振动；风致响应

关键词：流固耦合；振型选择；

中图分类号院TU973+.213文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2019冤21-0092-03

自重轻、无弯曲刚度、抗：：

张拉膜结构是一种典型的柔性结构，膜材选择702FluotopT2。厚度0.52mm，密度750g/m，

基于高耸和高：：

局部刚度小。现行荷载规范中考虑风振影响时，拉强度3000/2800N/5cm，经向弹性模量558MPa，纬向弹性模

[1]

层结构进行了简化研究，但该方法并不一定适用于张拉膜结构

[2]

如何准确地确定膜结构，。

。柔性结构对风荷载的作用尤其敏感预应力水平采用膜材预应力检测仪测量

的风振动力响应一直都是膜结构抗风设计的关键问题和难点

质轻而薄，局部刚度较，要，

问题。膜既是受力构件又是覆面材料本文采用ADINA软件进行流体域和固体域的耦合计算

[3]

速度、加速度响、

小，在脉动风荷载作用下，将会产生较大的位移进行流固耦合计算，需要分别在结构模块和流体模块中建立结

应。由于张拉膜结构自身密度较低的特性，结构在振动时，结构构模型和流体模型，然后把两个模型一起放到流固耦合求解器

与空气所产生的气弹耦合效应明显。其气弹耦合效应是张拉膜中进行求解。通过两个模型的耦合求解，可以得到流场和结构

结构振动分析中必须考虑的因素。本文基于势流体单元，计算场的各种结果，从而模拟和预测很多物理现象。本文的流固耦

[4]

并与风，。

出平面张拉膜结构在考虑静风耦合作用下的动力特性合计算中，流体域求解均采用三维FCBI-C六面体单元

洞试验和文献计算结果进行了对比分析先对上述试验的张拉膜片进行静风作用下的动力特性计

。然后对平面张拉索膜

结构进行了考虑流固耦合效应的瞬态响应进行了数值分析ADINA软件中建立势流体流固耦合的计算模型如图3所算，

。最在

后采用了随机振动计算方法对平面张拉膜片的风致动力响应4为模拟张拉膜结构有限元模型，示，

进行了研究，从而得出一些结论。及空间位置都完全符合试验模型。

1张拉膜片风振响应的试验简介

[5]

试验为张拉膜片静风耦合自振特性试验

。试验将膜片放置

于静止空气中，通过对其锤击或施加初始位移使之产生自由振

动。测出相应预应力水平下的各阶频率

。

2

量：521MPa。膜材的弹性模量采用双向张拉仪测量。张拉膜的

[6]

2张拉膜结构流固耦合的数值计算

图材性参数、几何尺寸以

图1试验装置图

2

5

0

张拉螺杆

E4

E2

A1D1A2

D2D4

A4D5A5

A3

D3加速度传感器测点

激光位移计测点

应变片测点

E1E3

250250250250

1700

图2膜片测点布置及编号

图3张拉膜结构势流体模型图4张拉膜结构有限元模型

在进行静风作用下流固耦合动力特性计算时，

流场区域取

为8m×8m×6.7m，张拉膜结构最低点距离地面3m，最高点距离

上部流场边界也为3m。计算比较后表明，流场尺寸再增大对计

算结果基本没有什么影响，建成的流场计算区域已经能够充分

反映周围流场对膜结构动力特性计算时的影响

。计算时空气密

度取为1.23kg/m，体积弹性模量为1.4×10N/m，膜下部流场边

352

相当于取为，

界取为固壁边界，其余边界对流场势函数进行约束

自由界面。网格划分时，结构域中的膜面共划分为144个单元

，

流体域划分为311236个势流体单元，靠近膜面的流体网格加

密。

分别计算张拉膜结构的自振频率以及在静风作用下的动力

特性。下表所示为有无空气介质时张拉膜结构的频率统计及其

与文献中实测以及ansys模拟的数据对比1为张拉膜片结

。表

1

7

0

0

2

5

0

2

5

0

2

5

0

2019.21科学技术创新

故实。

构的频率统计，实测频率时可能会忽略或遗漏对称振型，性和稳定性，对动量方程和标量输运方程采用了欠松弛技术

本文计。从中可以看出，

测振型数少于数值计算所得的振型数根据上述计算条件，对张拉膜片进行考虑流固耦合效应的

算的张拉膜结构动力特性与实际结构测振试验结果十分接近计算，待流动充分发展以后，记录张拉膜片的瞬态响应值

，。统计

张。同时也可以看出，。表

说明本文采用的数值模拟方法的可行性试验观测点对应模拟观测点的响应数据2为主要观测点位

柔，。

拉膜结构在静风环境中的频率要比无介质环境下略有减小移响应数据

性特征表现的更为明显，考虑静风耦合作用的动力特性数值模

高阶模态计算。总体来看，

拟计算结果也与实测结果更为吻合

时，静风耦合作用对结构自振频率的影响更大一些，但无论高

低阶模态，静风耦合作用都使得结构自振频率有所降低

。一般

把空气对膜结构自振频率的影响归结为附加质量的影响对膜面风振系数进行统计时，采用了位移效应风振系数的计

。

表1各情况下张拉膜结构的频率统计

阶次 试验实测 文献ansys模拟[5] 无介质 空气介质

1 3.71 3.371 3.682 3.607

2 8.59 7.271 8.631 8.588

3 12.30 7.271 8.631 8.589

4 14.06 7.719 8.914 8.914

5 18.36 8.030 12.54 12.52

6 无 17.650 19.31 19.25

7 无 17.650 22.42 22.30

8 无 26.432 22.42 22.30

9 无 33.687 24.36 22.38

10 无 38.935 36.13 28.66

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表2主要观测点位移响应数据

点号 D1 D3 D4 D5

0.0244m 最大位移 0.0214m 0.0271m 0.0230m

注院频率单位为赫兹(Hz)遥

进行整个流，

取张拉膜结构边长D作为流场区域划分依据计，

上游：利用振型应变能来选取风振，

4D，场区域的划分为下游8D，宽度9D，高度方向为4D，算出各阶振型对结构响应的贡献

流场区域满足阻塞率小于5%的要求，以尽可能的消除区域边响应计算中所需要考虑的振型阶数。平面张拉膜片在平均风荷

在膜面上所产生的分以此状态下对应的结，

界对流场计算的影响。膜结构是开敞的，载作用下到达平衡位置附近做弱幅振动

为了对，。

离流动，将会比封闭膜结构产生的分离流动更为明显构参数为基准，进行频域分析的计算

采用了基于，

这种存在逆压梯度的大分离的湍流流动进行计算振型对响应的贡献与振型位移以及脉动风荷载在该振型上

下图。

5为流固耦合计算中所采SA模型的分离涡方法进行模拟所产生的能量有关。选取平面张拉膜片结构右侧离散分布的节

用的流场模型。对流场模型计算区域采用结构网格进行划分A5,D3点处的应变累积曲线点进行分析。因篇幅所限

，仅给出，

网格数量分别为66万网格左右。模型即采用动力特性分析时图。平面张拉膜片结构下部边缘节点A5，对振型能量起主要贡

所采用的有限元模型。9阶、10阶和第19阶，献的振型为第1阶、其振型能量贡

算方法。由统计计算可以得到膜面部分的位移效应风振系数

。

3张拉膜结构基于随机振动理论的计算

计算结构动力特性后发现，平均风压作用下的平面张拉膜

对平面张拉膜片采用，

片刚性较大，可暂时忽略非线性的影响

随机振动理论进行顺风向风振响应的研究

。基本参数的取值方

法如上所述。将平面张拉膜片结构进行有限元划分，统计各节

点的质量、振型系数等值进行计算分析。

目前合理评价各阶振型对结构响应的贡献大小，从理论上

可以通过各振型响应的应变能在结构总应变能中所占比例来

考虑有限阶振，

衡量，但由于结构的准确响应本身就是未知数

只能在所选。实际计算中，

型并不能得到结构真实的总应变能

（如结构前以，

r阶振型）择振型范围内，计算各振型应变能比例

衡量这些振型对结构响应的贡献大小

。本文中采用的是

Davenport谱。使用频域方法编写张拉结构的响应计算程序

第第

献比例分别为4.12%，52.56%、25.42%和15.97%，到了第10阶

时，累积振型能量比达到了82.11%，前19阶累积振型能量比达

到了98.41%，到了49阶时，累积振型能量比达到了100%。平面

张拉膜片结构中部节点D3，对振型能量起主要贡献的振型为第

9阶和第10阶，其振型能量贡献比例分别为16.44%和79.85%，

其前10阶累积振型能量贡献比达到了96.29%，到了45阶时，

累积振型能量比达到了100%；对于其他节点也用同样方法进

行了分析比对

。

图5流场计算模型透视图及局部放大图

用迭代耦合的方法对流体域和固体域进行耦合计算，有限

湍流采用，

元计算参数如下：入口边界采用速度入口边界条件

湍流粘性系数在入口处取，

平均风速加上脉动风速的方法考虑

各，

均匀流场粘性系数的1/10；出口处采用完全发展出流条件

个变量梯度变化为零。流体域的左右两侧面和顶部都采用了对

流固耦合边界采用光滑壁面，

称边界条件，地面采用壁面条件

迎风格式会

条件。流体域由于采用了基于FCBI-C的流体单元，

在离散过程中自动引入，动量方程中速度和压力的耦合问题采

用SIMPLEC算法来解决，计算过程中为了保证数值求解的收敛

A5节点

（转下页

）

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科学技术创新2019.21

从节能设计角度对暖通空调系统的设计进行思考分析

张晶

黑龙江

哈尔滨150000）（哈尔滨工业大学建筑设计研究院，

而暖通空调设备的应用可以在很大程，

摘要:随着人们生活水平的不断提高，对于自身的生活环境也有了越来越高的要求

度上提高室内环境的舒适度。但是从另一方面来看，空调设备的运行需要消耗大量的能源，因而加剧了我国能源紧张的问题。在

建筑节能技术体系当中，暖通空调的合理设计的地位越来越重要，如何在保证暖通空调性能与作用的发挥的同时，做到节能环

保，就是我国暖通空调系统设计的关键问题。

节能工程设计；措施

关键词:建筑；暖通空调系统；

中图分类号院TU83,TU201.5文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2019冤21-0094-02

需要基于多个方面的要素进行，，

在现代社会发展过程中，能源的短缺已经成为了人类的共识劳动强度。作为暖通设计人员来说

也即在确保人们的，

如何应用节能环保技术、在节约能源的基础上实现人类的可持续比对，确定一个合理的比例来分配不同的要素

建筑工程自身。建筑行业从另一方面来看，

发展也就成为了我国乃至于全世界发展中关注的问题使用体验的同时，做到节能环保。

的能源消耗长年来高居不下，其中暖通工程所消耗的能源比例较的围护结构也可以有效地消除室外环境变化对于室内温度的影

高，也就成为了节能减排当中的关键。作为设计人员而言，一方面响，保证房屋内部形成一个舒适的微气候。在方案的设计这方面，

最大程度上降低施工成本与难，同时更需要提高清洁能，

需要对暖通空调结构的设计保证合理性尽量做到从简设计，避免浪费管材

本文基于暖通空调。

度。源的利用率，从而推动建筑行业的可持续发展

需要。

的设计进行分析，并总结了一些节能要点1.2便于施工以及维护。暖通空调设备容量确定过程中，

1暖通空调设计的原则以及需求

基于全年应用负载最大的季节来作为基准

，因而对于暖通空调设

暖通空调设备可以有效地调

备自身的工作情况进行调整，同时确保其可以适应于全年度不同1.1节能性与环保性。众所周知，

影响到热舒适指在满足于该。。

季节的使用需求，节室内环境，其中主要影响体现在热舒适指标上就成为了暖通空调设计的另一原则

湿度、风速、辐射温度以及现阶段我国、。

条件的基础上，标的要素主要有五个方面，分别是温度还需要确保操作的便利性

（转下页

）

采用，

析，计算结构的风振系数并进行等效风荷载计算后发现

随机振动算法得到的结构风荷载效应略高于流固耦合计算情

况下得到的风荷载效应，采用基于平均风荷载作用下的结构随

机振动计算方法对结构的风荷载计算是偏于安全的。

4结论

本文依据结构风致动力响应研究和等效风荷载研究现状

，

针对张拉膜结构风致动力响应和等效风荷载计算做了一些研

究。对平均风作用下的平面张拉结构进行随机振动分析

，并与

随，结果表明，

考虑流固耦合作用的数值模拟结果进行了比较

机振动研究方法适用于张拉膜结构等此类柔性结构的振型选

可以满足设，

择，该方法针对风荷载的计算也有一定的安全度

计的需要。对于平面张拉膜片结构来说，中心区域和靠近中心区域的

参考文献

[1]张其林.索和膜结构[M].上海：同济大学出版社2002.

，

建筑结构荷：

[2]中国建筑科学研究院.中华人民共和国国家标准

载犯规(GB50009-2012)[M].北京：中国建筑工业出版社2012.49阶振型的作用，例中为保证计算精度

，考虑前进行风振系数，

[3]顾明.土木结构抗风研究进展及基础科学问题援国家自然科学

基金委建筑、环境与土木工程学科发展战略研究报告[M].北京：1.6到2.4之去边缘索所处的位置之外

科学出版社2006援2.48。计算每个节点间，中心部分区域的风振系数最大，

，达到了

[4]黄本才，汪丛军，结构抗风分析原理及应用（第二版）[M].上

海：同济大学出版社，2008.面张拉膜结构的位移和膜面应力，平面张拉膜结构最大位移为

[5]周骥，膜结构风荷载的数值模拟及风振响应试验研究[M].上

海：同济大学,2006.算的结果比数值模拟结果进行比较

张其林等

援膜结构双轴拉伸试验机的研制与开发[6]陈鲁，李阳，

[J].科学技术与工程，2006,6(1)：17-22.

（汉，职称工程师，

1983,10-）作者简介院周颖，女，浙江，博士，

研究方向：索膜结构抗风，结构健康监测与检测。

D3节点

图6典型节点应变能累加百分比曲线图

节点，仅考虑前10阶振型就能基本反映结构的风振响应情况

。

振型参与情况比较，

但对于角部节点或者靠近角部区域的节点

本，

复杂，仅考虑前几阶振型不足以反映结构的风振响应情况

除，

的计算。膜面结构上的风振系数分布基本呈中心对称分布

膜面上风振系数基本在，

的风荷载值并将其施加在平面张拉膜结构的节点上。得到的平

0.03079m。最大膜面应力为3.46N/mm。并将采用该随机振动计

2

。

表3D3节点及所处单元最大位移及有效应力对比

最大位移 最大应力

流固耦合计算 0.0271m 2.7735N/m

随机振动等效风效应 0.0308m 3.4612 N/m

2

2

对平面张拉膜膜面进行平均风荷载作用下的随机振动分