張拉膜工程中流固耦合問題的研究目的及意義

隨著膜結構的發展和廣泛應用，近年來工程事故也有發生，特別是張拉膜工程更是首當其沖。例如，1999年，日本熊本公園穹頂受到臺風襲擊，旋轉門被吹開，臺風的吹入增大了雙層膜的內壓從而致使頂部玻璃破裂，膜面嚴重撕裂破損；2005年臺風“達維”在海南省登陸，三亞膜結構建筑“美麗之冠”頂部膜材發生嚴重撕裂。修復后，2013年11月受到臺風“海燕”侵襲，使膜材又一次發生破壞。2012年短時強暴風雨作用下，國內一個網球場張拉膜工程沿四角的薄弱位置至膜面中線處被撕裂。2015年5月4日，廣東奧體中心羽毛球館太空艙頂棚在暴風雨的作用下發生崩塌，體育場館抗風能力為8級，體育館設計使用年限為30年，但是使用不到一年就被暴風雨破壞。

 分析上述案例可以看出，部分張拉膜膜工程的設計抗風強度，遠大于結構實際產生破壞時所承受的風力等級，卻產生了破壞，究其原因，是在于設計時僅僅考慮風對膜結構所產生的影響，而實際中大風往往是伴隨大雨出現的，當風雨同時作用時，膜面的振動情況、承載能力、強度等力學特性會發生改變，所以在張拉膜工程設計時應考慮風雨對膜面的共同作用。

 研究風雨對膜結構工程的影響，其實是研究結構和風雨荷載之間的流固耦合問題。流固耦合問題就是將流體荷載與結構固體之間的相互作用看成是一種耦合現象。實際分析中物態有固、液、氣三態，一般建筑結構為固態，雨雪等荷載看為液態，風看作氣態。膜結構工程與風之間互相作用可以認為是固態結構與氣態流體之間的互相作用過程，此現象被稱為流固耦合現象。