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充气式膜结构加强交叉索网自动布置及优化研究

许祥业 邱国志 董骁 张宜杰

许祥业, 邱国志, 董骁, 张宜杰. 充气式膜结构加强交叉索网自动布置及优化研究[J]. 钢结构(中英文), 2025, 40(4): 24-31. doi: 10.13206/j.gjgS24010901
引用本文: 许祥业, 邱国志, 董骁, 张宜杰. 充气式膜结构加强交叉索网自动布置及优化研究[J]. 钢结构(中英文), 2025, 40(4): 24-31. doi: 10.13206/j.gjgS24010901
Xu Xiangye, Qiu Guozhi, Dong Xiao, Zhang Yijie. Research on Automatic Layout and Optimization of Reinforced Crossed Cable Nets in Inflatable Membrane Structures[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2025, 40(4): 24-31. doi: 10.13206/j.gjgS24010901
Citation: Xu Xiangye, Qiu Guozhi, Dong Xiao, Zhang Yijie. Research on Automatic Layout and Optimization of Reinforced Crossed Cable Nets in Inflatable Membrane Structures[J]. STEEL CONSTRUCTION(Chinese & English), 2025, 40(4): 24-31. doi: 10.13206/j.gjgS24010901

充气式膜结构加强交叉索网自动布置及优化研究

doi: 10.13206/j.gjgS24010901
基金项目: 

国家自然科学基金项目(51978395)。

详细信息
    作者简介:

    许祥业,硕士,主要从事大跨空间结构研究,1062639076@qq.com。

    通讯作者:

    邱国志,博士,副教授,主要从事空间结构分析设计及理论研究,qiugz@sjtu.edu.cn。

Research on Automatic Layout and Optimization of Reinforced Crossed Cable Nets in Inflatable Membrane Structures

  • 摘要: 充气膜作为典型的柔性结构,需要索网加劲来保证结构的刚度与稳定性,然而在索网加劲膜结构的设计过程中通常将加劲索网与膜面简化为直接连接,忽略了索膜之间不能紧密贴合的问题,这种简化处理方式为膜结构的设计安全带来了一定的隐患。研究充气膜索网生成及优化方法对于解决索膜滑移问题、提高膜结构刚度与承载能力至关重要。为此,提出了基于热应力有限元的索段生成方法与索网自动布置优化方法。其中索段生成方法利用热应力有限元法在膜曲面上生成测地线,沿测地线布置的索段可以与膜面贴合更加紧密,从而解决索膜滑移问题,保证了结构的安全性与可靠性。在索段生成方法的基础上,以斜交形式布置膜面索网,对膜结构案例进行荷载分析,针对其局部间距需要调整、索网整体受力分布不均匀等问题,分别提出局部索网优化布置与均匀化布置2种优化布置方法。以矩形平面大跨充气膜结构为例详细阐述了索网布置与优化方法,并对不同优化方案进行了对比: 1)对分别采用索网布置方法得到的充气膜结构(布置方案1)与传统索网膜结构进行受力性能分析,包括两者的索网轴力分布和膜面应力分布情况。2)对方案1分别采用局部索网优化布置与均匀化布置得到方案2与方案3,分析两种方案与方案1在受力性能上的差异与优势。3)综合2种优化布置方法的优点,在方案2、3的基础上,提出稀疏中间索网、加密边缘索网的组合优化方案得到方案4,统计了4种方案索网与膜面的各项受力指标。
    研究结果表明:1)两种索网的最大索轴力均集中于索网的对角点位置处,但传统斜向索网在此处的索段轴力远大于方案1索段轴力,即所提出的索网布置方法与传统方法相比有一定的优化与改善。2)局部优化布置方法可以有效改善索网局部受力过大的情况,但对膜面应力与膜面变形影响不明显;均匀化布置方法可以改善索网整体受力情况,但会使局部索段与膜面受力增大,对膜面变形影响不明显;3)新的优化布置方案可以同时达到减少索网用钢量和改善索网受力情况的优化目标,证明了该优化方案的可行性。
  • [1] 申跃奎,李洋,朱新雨,等. 不同索网加劲的气承式膜结构受力特性研究[J]. 计算力学学报,2023,40(6):1029-1035.
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-09
  • 网络出版日期:  2025-06-07
  • 刊出日期:  2025-04-25

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