3、
膜結構的
荷載分析
3.1 荷載分析的內(nèi)容和方法
膜結構的荷載分析是在形狀分析所得到的外形與初始
應力分布的基礎上進行的，檢查結構在各種
荷載組合下的
強度、
剛度是否滿足預定要求的過程。
膜結構的找形有不同的理論方法，但荷載分析基本上都采用
非線性有限元法(Nonlinear Finite Element Method)，即將結構
離散為單元和結點，單元與單元通過結點相連，外荷載作用在結點上，通過建立結點的平衡方程，獲得求解。
由于
索膜結構是大
變形問題，在推導
有限元方程時，需考慮位移高階項對應變的影響，即考慮幾何非線性。當然，膜材本身也是非線性的，在工程應用上時，材料的非線性問題一般不予考慮。
3.2
風荷載作用
膜結構區(qū)別于傳統(tǒng)結構的兩個顯著特點是輕和柔。輕，意味著結構自身重量和慣性力小，自重不是主要荷載，地震力可以忽略不計，而風是主要荷載；柔，意味著結構無
抗彎剛度，結構對外荷載的抵抗是通過形狀改變來實現(xiàn)的，表現(xiàn)出幾何非線性特征。膜結構的特點決定了膜結構是風敏感結構，抗風設計在膜
結構設計中處于主要地位。
膜結構輕、柔、飄的顯著特點決定了膜結構抗風計算的內(nèi)容也有自身特點。
（1）靜
風壓體型系數(shù)的確定
風荷載體型系數(shù)是描述風壓在結構上不均勻特征的重要參數(shù)，一般結構的體形系數(shù)可以從荷載規(guī)范查得。但膜結構形狀各異，不能從荷載規(guī)范直接獲得風壓體型系數(shù)。所以，較大的膜結構基本都要求進行
風洞試驗，以獲得比較正確的膜結構的局部風壓凈壓系數(shù)和平均
風載體形系數(shù)。由于風洞試驗要滿足一系列的相似準則，如幾何相似、雷諾數(shù)相似等，通常要完全滿足這些相似條件是不可能的，因此風洞模擬實驗結果有時會超過實測值很多。
（2）脈動風壓系數(shù)的確定
膜結構在荷載作用下的位移較大，結構位形的變化會對其周圍風場產(chǎn)生影響，所以膜結構的風動力響應過程是流固耦合過程。這種動力過程的風洞試驗必須采用氣動
彈性模型，因此實現(xiàn)起來技術難度較大。近年來發(fā)展的“數(shù)值風洞”技術受到越來越多的重視。這種技術簡單的說就是將計算流體力學（CFD）和計算結構力學（CSD）技術結合起來，用計算流體力學來模擬結構周圍的風場，用計算結構力學來模擬膜結構，再借助某些參數(shù)的傳遞來實現(xiàn)兩者之間的耦合作用，不過，該方法還處試驗階段。
（3）風振動力分析
風力可分成平均風和脈動風兩部分。平均風的周期較長，其對結構的作用性質相當于靜力。脈動風的周期較短，其對結構的作用為動力性質。當結構的剛度較小，自振頻率較低時，在脈動風荷載的作用下可能產(chǎn)生較大的變形和振動，所以在設計索膜這類小剛度結構時，應進行風振動力計算。索膜結構具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應不可忽略等特點，針對高層和橋梁結構的風振分析方法不能直接應用。索膜結構的響應與荷載呈非線性關系，對于索膜結構定義荷載風振系數(shù)或
陣風系數(shù)在理論上也是不正確的。
（4）空氣動力失穩(wěn)
膜結構是風敏感結構，存在空氣動力失穩(wěn)（Aerodynamic Instability）的問題。從本質上看，結構空氣彈失穩(wěn)是由于結構在振動過程中從與氣流的振型耦合中吸收能量，當吸收能量大于耗散能量時，就會產(chǎn)生能量累積，當這種能量累積達到某一閥值（臨界風速）后，結構就會從一種低能量（穩(wěn)定）的振動形式躍遷到另一種高能量（不穩(wěn)定）的振動形式上去。所以，膜結構存在設計風速作用下的動力失穩(wěn)問題，幸運的是至今還沒有這方面破壞的膜結構實例。
3.3膜面褶皺問題
結構上的褶皺(Drape)是指因膜面在一個方向上出現(xiàn)
壓應力導致膜材屈服而產(chǎn)生的褶皺現(xiàn)象，而結構松弛是指膜面在兩個方向上都呈現(xiàn)無
張力狀態(tài)，故松弛的膜面不能承受任何荷載。褶皺判別的兩種方法：（設拉為正、壓為負）
（1）應力準則：若主應力 σ2 >0，膜元是張緊的；若σ2 < 0且σ2 > 0，膜元是褶皺的；若σ1 < 0，單元是松弛的。
（2）應變準則：若 ε2 > 0，膜元是張緊的；若ε2 < 0且ε1 > 0，膜元是褶皺的；若ε1< 0，單元是松弛的。
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