薄膜结构的风致动力效应

索膜组合结构一般应用于跨度较大的建筑中, 其承担的主要荷载为竖向荷载, 包括自重、屋面活荷、雪荷载及风荷载。相对于屋面水平构件, 这些荷载为横向荷载, 必然产生弯矩和剪力, 而索、膜这两种材料均为柔性材料不能抵抗这两种内力, 那么在横向荷载作用下索膜组合结构必然发生较大的竖向位移, 通过形状的改变将弯矩和剪力转变为轴力和面内应力。因此索组合结构在受荷过程中产生较大的位移是其一个显著特点。

在索组合屋面承受的荷载中, 风荷载一般是起控制作用的, 也是结构及膜材破坏的主要原因之一。这不仅是因为向上的风吸力可能会比向下的结构自重、屋面活荷载、雪荷载更大, 而且由于索膜组合结构的自重小, 使索膜结构的风致动力效应与其它结构相比具有明显的特殊性: 风荷载的动力特性不容忽视; 结构的动力特性与结构的受力状态有关, 即表现出几何非线性和物理非线性; 附加在结构上的空气质量是影响结构反应的因素之一; 薄膜动力反应可能改变结构周围气流场, 进而发生结构与气流耦合的自激性颤振(flu tter); 由于风荷载为常遇性动荷载, 在往复荷载多次循环后, 薄膜材料在联结处易发生涂层疲劳、剥落, 进而引起膜材老化、撕裂等。

因此,设计的索膜组合结构在荷载作用下的位移和内力应能满足设计要求, 如位移幅值满足使用功能要求, 并在人们的心理承受能力以内; 应力幅值应满足膜材的疲劳应力限值;结构发生自激性颤振失稳的临界风速应高于当地的设计风速等。

首先，应力幅值应满足膜材的疲劳应力限值。这是指在使用过程中，结构受到的应力循环应小于膜材所能承受的最大应力循环次数，以确保膜材不会在长期使用下发生疲劳破坏。如果应力幅值超过膜材的疲劳应力限值，可能会导致膜材提前失效，影响结构的安全性和使用寿命。

其次，结构发生自激性颤振失稳的临界风速应高于当地的设计风速。自激性颤振失稳是指结构在风的作用下产生的自激振动，如果这种振动的振幅和频率不断增加，可能会导致结构失稳。为了避免这种情况的发生，结构的自激性颤振失稳临界风速应高于当地可能出现的最大风速，以确保结构在风的作用下能够保持稳定。

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