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氣枕式ETFE膜結構受力分析

選擇一典型氣枕,根據拉伸試驗測試的彈性模量計算氣枕處于不同應力狀態時的外部荷載,結果如圖7.2.5所示。可見,在ETFE膜材應力小于22.5N/mm2時,氣枕的受力性能基本是線性的,隨著荷載進一步增大,氣枕受力性能呈非線性特征,但仍有較大安全儲備,一般不會導致結構的立刻破壞。綜上所述,可將氣枕結構設計的膜應力控制在22.5N/mm2范圍內為驗證軟件計算結果和實驗室測出的材料數據,建立-2250mm×1265mm的氣枕模型(圖7.2.6),將其固定在鋁合金框架上按正常工作氣壓充氣(200~250Pa),然后逐步加壓來模擬不同的外部荷載情況。試驗過程中,氣枕在正常氣壓下保持正常形狀,當壓力增加到一定程度時開始緩慢變形,隨著壓力繼續增大,變形增加變快,最終膜材在很高的荷載下都沒有破壞。這和軟件計算結果完全符合,因此采用上述方法計算出的結構具有足夠的安全度。

氣枕主要承受風荷載和雪荷載,其中風荷載按照風洞試驗確定,最大正風壓為1.3kN/m2,最大負風壓為—5.31kN/m2,陣風系數折減為原值的0.85倍;雪荷載按100年一遇取0.45kN/m2。設計時通過調整膜材厚度,將氣枕內壓控制在200~250Pa范圍,矢跨比控制在1/8內,最不利荷載組合作用下膜材應力不超過22.5N/mm2。圖7.2.7給出了某個氣枕上層膜在最大負風壓時的變形圖和應力圖,其最大變形為147mm,最大應力為18.6N/mm2。該膜片在最大負風壓時邊界水平反力為7.33kN/m,豎向反力為4.11kN/m。