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          隨州高鐵站膜結構不同膜材方案設計

          發布時間:2022年3月29日 點擊數:342

          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)。

          圖1 隨州高鐵站傘狀單層膜結構示意

          圖1 隨州高鐵站傘狀單層膜結構示意  下載原圖


          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。

          1 膜材結構方案

          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。

            

          表1 各類膜材強度標準值和性能指標  下載原圖



          表1 各類膜材強度標準值和性能指標

          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。

          2 G類膜材設計方案

          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。

          圖2 G類膜材15 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖2 G類膜材15 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          圖3 G類膜材16 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖3 G類膜材16 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          圖4 G類膜材17 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖4 G類膜材17 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          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。

          圖5 G類膜材膜結構內力(計算機截圖)

          圖5 G類膜材膜結構內力(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          3 P類膜材設計方案

          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。

          圖6 P類膜材11m跨度驗算(計算機截圖)

          圖6 P類膜材11m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          圖7 P類膜材12 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖7 P類膜材12 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          圖8 P類膜材13 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖8 P類膜材13 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          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。

          圖9 P類膜材膜結構內力(計算機截圖)

          圖9 P類膜材膜結構內力(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          4 E類膜材設計方案

          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。

          圖1 0 E類膜材3.5 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖1 0 E類膜材3.5 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          圖1 1 E類膜材3.6 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖1 1 E類膜材3.6 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          圖1 2 E類膜材3.7 m跨度驗算(計算機截圖)

          圖1 2 E類膜材3.7 m跨度驗算(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移

          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。

            

          表2 鋼拉索規格  下載原圖



          表2 鋼拉索規格
          圖1 3 E類膜材膜結構布索形式

          圖1 3 E類膜材膜結構布索形式  下載原圖


          圖1 4 布置索網后膜結構內力(計算機截圖)

          圖1 4 布置索網后膜結構內力(計算機截圖)  下載原圖


          (a)膜面應力;(b)膜面位移;(c)索力

          5 結論

          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。

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