专利名称：一种根据温度变化调节气枕内压的气枕设计方法
技术领域：
本发明涉及一种根据温度变化调节气枕内压的气枕设计方法，属于结构工程技术领域。
技术背景近年来，由乙烯一四氟乙烯共聚物ETFE制成的膜材料替代传统的玻璃和其它高分子 采光板用于大型建筑物的屋面或墙体。ETFE膜材主用应用于充气膜结构。实际应用中通常 采用两层或者多层ETFE膜，将边缘夹住充气形成气枕。作为2008年北京奥运会的主要比 赛场馆之一，国家游泳中心"水立方"的建筑围护结构就采用ETFE气枕结构，内外表面覆盖 面积达到12万平方米，是世界上最大的ETFE应用工程。ETFE气枕结构是一种结构形式，在稳定的外部气候条件下，具有良好的承载能力，同 时整体的变形很小。气枕内压使ETFE薄膜产生张力，生成初始形状并提供气枕的刚度。 根据气枕的形状和大小，内部气压一般在200~750Pa之间。但气枕结构的内压对温度变化 及外荷载作用较为敏感，使用中需监控气枕内压。正常情况下，内压维持在一定的范围内， 可满足使用要求。当遭遇恶劣天气或冬夏季节变化时，气枕内气体温度的改变可使气枕的 内压发生变化，不能维持设计的几何形状。此时需合理调节内压，对气枕进行充气或放气。 发明内容本发明提出了一种根据温度一内压变化曲线调节ETFE气枕结构内压的方法。本发明 的核心内容包括对气枕结构进行设计，确定温度一压力变化曲线，然后根据曲线进行内 压调整。本发明的特征在于所述方法是在计算机中依次按如下步骤实现的。 步骤(l).初始化根据外压初步确定内压的范围， 根据设计要求确定气枕矢跨比范围，设定初始的乙烯一四氟乙烯共聚物ETFE膜材厚度和矢跨比； 步骤(2).对气枕进行找形分析，求得等应力曲面。以等应力的零状态曲面为气枕的初始曲面，并充内压，得到气枕的设计形状，至少包括气枕体积、上下膜矢高、上下膜片的最大主应力等几何和物理参数；。步骤(3).在步骤(2)得到的内压值下，分析气枕在正风压、负风压以及集中荷载共三种情况气枕的应力分布和变形，得到包括气枕体积、上膜最高点、下膜最低点、上下膜 最大主应力以及气枕内压变化等参数。判断是否满足膜材应力水平要求，若满足，则进 入下一步骤，否则返回步骤(l);步骤(4).计算不同气枕空气温度下气枕内压值，得到气枕温度和内压变化曲线。并 据此进行放气或充气，保证气枕正常工作。本发明的特征在于所建气枕的基本单位为六边形气枕网格，气枕立面为纺锥形立面。 气枕结构分析包括找形分析和荷载分析。找形分析是指确定气枕合理的几何形状和与该 形状相对应的膜片初始应力。气枕结构由上下两膜片及内部气体构成，共同承受外荷载的 作用。外部荷载作用在上膜片，通过对气枕内压的影响将荷载作用传递到下膜片，实现气 枕结构的整体工作。上膜片直接承受外荷载，同时也受内压作用，而下膜片主要承受内压 的作用，间接承受外荷载作用。气枕结构的上下膜片受力作用不同，因此，在不同的荷载 作用下，控制上下膜片的最大应力水平在相同的范围内，上下膜片的找形形状就会有所不 同。根据ETFE材料特性要求，控制上下膜片在最大荷载作用下的主应力水平不超过 15-20MPa，在正常内压下的主应力水平不超过5-8MPa。气枕的荷载态分析包括气枕在各种 荷载工况如风荷载、雪荷载、集中荷载、温度等作用下的膜片应力分布和变形分析，并应 考虑半跨荷载对气枕结构的不利作用。ETFE气枕结构设计中的关键问题是应力水平的控制及内压水平的控制。其中，应力水 平的控制可以保证膜材的抗拉性能和抗徐变性能，气枕内压的变化控制可以保证其承载能 力要求。内压主要由外压决定，根据外压对内压进行调控。与应力水平相关的有三个因素 膜材厚度、矢跨比和内压。在内压已定的情况下，对矢跨比和厚度的选择成为关键。气枕结构设计框图1给出了气枕结构合理设计流程为；l.根据外压初步确定内压范围； 2.根据建筑功能等要求确定气枕矢跨比范围；3.设定初始的膜材厚度和矢跨比,并进行找形分 析；4.确定气枕各种工况如风荷载、雪荷载、集中荷载、温度等；5.分析气枕在各种工况下 的应力；6.考察应力水平是否满足膜材应力水平要求；如不满足，返回步骤2重新设计；如 满足，结束设计。由理想气体状态方程PV=nRT可知，在气枕内气体摩尔数不变即没有充气或放气时， 内压P与体积V的乘积与温度T成正比；若假设T不变，P与V成反比。因此温度改变对 内压影响较大。对特定的气枕结构，通过分析可以得出气枕内气体温度变化对内压的影响， 即温度—内压变化曲线。根据该曲线，可方便地确定需调整的内压值进行充气或放气，从 而保证气枕结构的正常工作。气枕温度一内压变化曲线。每个气枕对应一条温度一内压变化曲线。横坐标为气枕内 气体温度，纵坐标为气枕内压变化量。以某一气枕为例，气枕内气体初始温度15摄氏度，内压550Pa，其温度一内压变化曲线如图2所示。当温度提高5摄氏度即温度为20度时， 气枕内压增加约180Pa。为保证气枕正常工作，需降低内压180Pa，即进行放气。当温度降 低5摄氏度即温度为10度时，气枕内压减少180Pa。为保证气枕正常工作，需提高内压180Pa， 即进行充气。由图2也可看到，气枕内压的变化与气枕内气体温度的变化基本成线性关系， 变化幅度很大，与此同时，气枕体积变化微小。本方法经试验证明切实可行，且安全可靠。
图l为气枕结构设计流程图。图2为气枕结构温度一内压变化曲线。图3为气枕平面尺寸和网格划分，网格呈六边形。图4为初始内压下气枕立面图，立面是纺锥形。
具体实施方式
气枕结构分析包括找形分析和荷载分析。以国家游泳中心"水立方"结构中屋面中部一气枕为例，气枕的平面尺寸和网格划分见 图3。上下膜片采用厚0.4mm的ETFE膜材，初始温度15摄氏度。对气枕进行找形分析，求得等应力曲面。以等应力的零状态曲面为气枕的初始曲面， 并充内压550Pa，可得图4所示气枕。该气枕体积为107.34354m3，上膜矢高为1.61m，下 膜矢高为1.33m，符合建筑要求。上下膜片的最大主应力分别为6.06MPa和7.13MPa，均小 于8Mpa，满足膜片应力水平要求。对气枕进行荷载分析。各荷载工况下气枕的应力分布和变形如下。荷载工况l:内压550Pa时作用负风压1000Pa，此时气枕体积变为107.73075 m3，上膜 最高点抬升0.047m，下膜最低点抬升0.033m，气枕内压降至185Pa。上下膜的最大单元主 应力分别为12.8MPa和2.44MPa。荷载工况2:内压550Pa作用正风压500Pa,此时气枕体积变为107.13412 m3，上膜最高 点下降0.013m，下膜最低点向下降0.018m，气枕内压增至745Pa。上下膜的最大单元主应 力分别为2.72MPa和9.56MPa。荷载工况3:内压550Pa时作用集中荷载，集中荷载作用处上膜片向下凹，其单元应力 水平较其他部位有显著增大，其他部分及下膜应力水平变化不大。分析气枕内气体温度对内压的影响，可得如图2所示气枕温度一内压变化曲线。由图2 可见，当温度提高时，气枕内压增加。为保证气枕正常工作，需降低内压，即进行放气。 当温度降低时，气枕内压减少。为保证气枕正常工作，需提高内压，即进行充气。由图2 也可看到，气枕内压的变化与气枕内气体温度的变化基本成线性关系。
权利要求
1. 一种根据温度变化调节气枕内压的气枕设计方法，其特征在于，所述方法是在计算机中依次按如下步骤实现的。步骤(1).初始化根据外压初步确定内压的范围，根据设计要求确定气枕矢跨比范围，设定初始的乙烯—四氟乙烯共聚物ETFE膜材厚度和矢跨比；步骤(2).对气枕进行找形分析，求得等应力曲面。以等应力的零状态曲面为气枕的初始曲面，并充内压，得到气枕的设计形状，至少包括气枕体积、上下膜矢高、上下膜片的最大主应力等几何和物理参数；步骤(3).在步骤(2)得到的内压值下，分析气枕在正风压、负风压以及集中荷载共三种情况气枕的应力分布和变形，得到包括气枕体积、上膜最高点、下膜最低点、上下膜最大主应力以及气枕内压变化等参数。判断是否满足膜材应力水平要求，若满足，则进入下一步骤，否则返回步骤(1)；步骤(4).计算不同气枕空气温度下气枕内压值，得到气枕温度和内压变化曲线。并据此进行放气或充气，保证气枕正常工作。
2、 根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于所述气枕的基本单位为六边形气枕 网格，气枕立面为纺锥形立面。
全文摘要
本发明涉及一种根据温度变化调节气枕内压的气枕设计方法，属于结构工程技术领域。其特征在于，所述方法含有如下步骤设定内压范围、初始膜材厚度和矢跨比范围，进行找形分析，求得等应力曲面，得到至少包括气枕体积，上、下膜矢高，上、下膜最大主应力以及此时气枕内压在内的几何、物理参数；判断是否满足膜材应力水平要求；分析气枕在正风压、负风压以及集中荷载下气枕各几何、物理参数的变化，得到气枕的应力分布和变形，判断是否满足膜材应力水平要求。计算气枕空气温度——内压曲线，由该曲线得到温度变化下内压的变化值，根据内压变化进行放气或充气，保证气枕正常工作；本方法切实可行，且安全可靠。
文档编号G06F17/50GK101261657SQ20081009431
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月28日 优先权日2008年1月23日
发明者傅学怡, 徐国宏, 袁行飞 申请人:浙江大学;中建国际(深圳)设计顾问有限公司