一种根据温度变化调节气枕内压的气枕设计方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
近年来，由乙烯-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。
技术实现思路
本专利技术提出了一种根据温度-内压变化曲线调节ETFE气枕结构内压的方法。本专利技术的核心内容包括：对气枕结构进行设计，确定温度-压力变化曲线，然后根据曲线进行内压调整。本专利技术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(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。本专利技术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；1.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-内压变化曲线。每个气枕对应一条温度-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-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。附图说明图1为气枕结构设计流程图。图2为气枕结构温度-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1：内压550Pa时作用负风压1000Pa，此时气枕体积变为107.73075m3，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107.13412m3，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-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。-->本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
CN 2008-1-23 20081000436181、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁行飞，徐国宏，傅学怡，
申请(专利权)人：浙江大学，中建国际深圳设计顾问有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]