膜結構是建筑和結構相互結合的結構體系，采用高強度柔性的薄膜材料，并施加一定的預應力，可呈現出奇特優美的空間形狀，且其本身也有一定的剛度，能抵抗外界的荷載。膜結構常用G類、P類、E類三種膜材，也包括其他新型膜材。膜結構設計主要包括找形和荷載分析兩個步驟。目前對膜結構找形已有很多研究，包括改進力密度法[1]、改進動力松弛法[2]和找形找力結合的方法[3]。

湖北省隨州市高鐵站站房采用膜結構，其應用與結構跨度緊密相關。由于G類膜材和P類膜材的彈性模量較大，膜面變形較小，故可實現較大的膜面跨度。而E類膜材彈性模量較小，膜厚度較薄，其適用跨度與前者有較大區別。E類膜材考慮為各向同性，透光率最高可達95%，且相同面積的重量僅為玻璃的1%，因此有很好的裝飾作用。為抵抗外荷載并做到美觀透光，實際應用中需根據結構跨度增加索網。隨州高鐵站站房主體結構由外圍剛性邊緣構件、單層膜組成，該結構中單層膜為主要受力結構（圖1）。

本文以隨州高鐵站站房工程為研究對象，驗算不同膜材的最大適用跨度，分析三種膜材能否滿足高鐵站主體結構的跨度要求，并對比分析使用三種膜材時高鐵站膜結構的膜面應力和位移差異；對E類膜材膜結構進行索網設計優化分析，提出布置方案。

本工程選用G類、P類、E類三種膜材，其中G類和P類膜材厚1 mm,E類膜材厚0.3 mm。三類膜材的強度標準值和性能指標見表1。

在找形過程中應控制索力及膜面應力均勻，將G類膜材膜面應力控制在5 MPa左右、P類和E類膜材控制在4 MPa左右，即可滿足設計要求。根據CECS 158:2015《膜結構技術規程》[4]，計算索、膜的內力和位移時，應考慮風荷載的動力效應，對G類膜材和P類膜材，骨架支撐膜結構風振系數取1.2～1.5，本文取1.2。G類膜材的經向膜面應力應小于1.6×105 MPa，緯向膜面應力應該小于1.4×105 MPa。P類膜材的經向膜面應力應小于1.06×105 MPa，緯向膜面應力應該小于1.0×105 MPa。對于E類膜材結構，膜面應力應小于13.6 MPa。受荷載情況下索力應小于67 k N（應力718 MPa）。根據GB 50009—2018《建筑結構荷載規范》[5]，隨州高鐵站的荷載取值為永久荷載0.1 k N/m2,可變荷載0.1 k N/m2。永久荷載是對結構的有利荷載，將其與風荷載的組合為1.0×恒載+1.0×活載+1.4×0.6×風荷載，計算主要受力結構的風荷載。其中，風荷載體型系數取1.4，風壓高度變化系數為1.39；當地50年一遇的基本風壓取0.4 k N/m2。

對G類膜材進行跨度驗算，分析G類膜材的最大適用跨度。根據相關規程，骨架式膜結構的膜面位移應小于膜面單元尺寸的1/15。先建立一個矩形膜結構，選取15m,16m,17m跨度的G類膜材結構進行對比驗算。如圖2～圖4所示，15 m跨度時膜面位移為0.954<15/15=1.0 m,此時安全儲備較高，所以進一步進行驗算；16 m跨度時膜面位移為1.04 m<16/15=1.06 m，此時位移已接近規范限值要求。17m跨度時膜面位移達1.34 m>17/15 m=1.13 m，不滿足規范要求。

通過上述分析，得到G類膜材的最大適用跨度約為16 m。由于隨州高鐵站主結構膜結構大體尺寸為27 m×12 m，中間有兩道剛性支撐邊界，所以一塊剛性區域的尺寸為9 m×12 m，滿足G類膜材的最大適用跨度。先對該站膜結構鋪設G類膜材，再施加荷載進行計算分析，得到膜面位移和膜面應力如圖5所示，該站膜結構的膜面應力為10.5 MPa，未超出規范要求，膜面位移為0.361 m，小于設計值12×1/15 m=0.8 m，均滿足設計要求。由于G類膜材未布置索網，故在經歷荷載時，局部膜面會出現應力和位移較大的現象。

P類膜材跨度方案計算過程與G類膜材相似，先對跨度進行驗算，對比驗算11 m,12 m,13 m跨度的P類膜材。如圖6～圖8所示，11 m跨度時膜面位移為0.706 m<11/15=0.733 m,此時安全儲備還較高，所以進一步進行驗算。12 m跨度時，膜面位移為0.798 m<12/15=0.8 m，此時膜面位移接近規范要求；18 m跨度時膜面位移達0.893 m>13/15 m=0.866 6 m，不滿足規范要求。

綜上所述，G類膜材的最大適用跨度約為12 m。隨州高鐵站主結構剛性區域尺寸為9 m×12 m,P類膜材的適用跨度適用于主結構。對該站單層PTEF膜結構進行分析,結果如圖9所示。膜材為P類膜材時，隨州高鐵站膜結構的膜面應力為11.3 MPa，未超出規范要求，膜面位移為0.305 m，小于設計值12×1/15 m=0.8 m，滿足要求。P類的膜面位移和應力會出現和G類膜材類似的情況。

E類膜材的彈性模量為650 MPa,膜面厚0.3 mm，為研究最大的膜面適用跨度，先建立ETFE膜材模型進行驗算。選取3.5 m,3.6m,3.7 m三種跨度進行分析。驗算結果如圖10～圖12所示，跨度為3.5 m時，膜面位移為0.21 m<3.5/15=0.23 m,膜面應力為13.1 MPa<13.6 MPa,均滿足規范要求，有較大的安全儲備；跨度為3.6 m時，膜面位移為0.22 m<3.6/15=0.24 m,膜面應力為13.4 MPa<13.6 MPa,均滿足規范要求；跨度為3.7 m時，膜面位移為0.194 m<3.3/15=0.22 m，膜面應力為13.6 MPa=13.6 MPa，膜面應力超過規范取值。

綜上所述，E類膜材的最大適用跨度為3.6 m。但由于隨州高鐵站主結構一塊剛性區域的尺寸為9 m×12 m。不能滿足E類膜材的最大適用跨度的要求，為使E類膜材有足夠的安全儲備，膜面應力更均勻，隨州高鐵站ETFE膜結構布置采用五道橫索，間距為2 m，豎向布置間隔1.5 m縱索，索網布置方案如圖13所示。鋼拉索的直徑為12 mm，彈性模量取1.6×101 1 Pa。鋼拉索規格如表2所示。對隨州高鐵站E類膜結構進行整體分析，得到膜面應力和膜面位移如圖14所示。拉索直徑為12 mm時ETFE膜材膜面應力為8.65 MPa，小于規范要求的13.6 MPa；膜面位移為0.132 m，小于規范要求的12/50=0.24 m，最大索力為61.06 k N，小于要求的67 k N，均滿足規范要求。

通過對三類膜材的跨度計算分析，得到其大體適用跨度范圍，由于G類和P類膜材的彈性模量較高、膜面較厚，其適用跨度大于E類膜材。G類膜材的最大適用跨度約為16 m,P類膜材的最大適用跨度約為12 m，滿足該站主結構的跨度要求。該高鐵站主結構使用G類和P類膜材時不需布置索網，可直接在主結構的上覆蓋膜材。E類膜材彈性模量考慮為各向同性，且厚度僅為0.3 mm,膜面適用跨度較小，約為3.6 m，故使用E類膜材時應布置索網。

本文提出布置索網的方案，在橫向布置5道橫索時膜面應力均勻，膜面位移較小，可很好地滿足設計要求。通過對比三類膜材的膜面位移和膜面應力，E類膜材布置索網后其膜面位移比G類膜材和PTFE膜材更小，其膜面位移僅為0.132 m，而G類膜材和PTFE膜材分別為0.36 m和0.45 m。在荷載作用下，G類膜材和P類膜材膜面應力不均勻，而E類膜材的膜面應力較均勻。

通過分析不同直徑鋼拉索，鋼拉索直徑增大可減小膜面位移，對膜面應力和拉索索力影響較小，所以隨州高鐵站膜結構橫向布置5道索單層ETFE膜材，可滿足設計要求。