曹 輝，許 濤，申金剛，王 浩，穆 明

(通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

大、中跨儲(chǔ)煤棚常用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等，暫將膜結(jié)構(gòu)之外的形式定義為“傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)”?！皞鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)”的圍護(hù)形式大多采用輕鋼圍護(hù)，基本設(shè)計(jì)思路是分成主結(jié)構(gòu)+圍護(hù)系統(tǒng)，圍護(hù)系統(tǒng)不參與主體結(jié)構(gòu)計(jì)算，加之圍護(hù)材料較膜材容重大很多，故“傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)”用鋼量不經(jīng)濟(jì)。膜結(jié)構(gòu)按其形式分為整體張拉式、骨架支承式、索系支承式與空氣支承式膜結(jié)構(gòu)，或由以上形式混合組成的結(jié)構(gòu)[1]。國(guó)外對(duì)膜結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用已經(jīng)很多，如德國(guó)柏林中央火車(chē)站[3]、美國(guó)愛(ài)荷華州威廉斯煤中轉(zhuǎn)處[2]、Gottlieb-Daimler體育場(chǎng)遮陽(yáng)棚[4]等；國(guó)內(nèi)膜結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用較晚，如大唐王灘電廠煤場(chǎng)封閉改造工程[3]、上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)[4]等。在體育健身設(shè)施、商業(yè)綜合體、文娛設(shè)施、公共交通設(shè)施及料場(chǎng)堆場(chǎng)方面，膜結(jié)構(gòu)在世界各地得到廣泛應(yīng)用，從最初的充氣膜形式過(guò)渡到現(xiàn)今的張力膜形式，國(guó)外的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及膜材生產(chǎn)制造水平早已成熟且進(jìn)入更深層的研究[5～11]，國(guó)內(nèi)目前僅有少量的行業(yè)規(guī)程及地方標(biāo)準(zhǔn)，尚無(wú)全國(guó)統(tǒng)一的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此相關(guān)領(lǐng)域的研究非常緊急且必要，膜結(jié)構(gòu)外觀新穎、造價(jià)低、施工周期短、抗震性能優(yōu)越、利于環(huán)保[12，13]，集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用市場(chǎng)將越來(lái)越大。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，研究骨架及膜的內(nèi)力和變形，對(duì)比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，期望對(duì)工程設(shè)計(jì)有所幫助并推動(dòng)國(guó)內(nèi)膜結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用。

1 膜結(jié)構(gòu)選型

棗莊綜合物流園一期儲(chǔ)配煤項(xiàng)目1號(hào)儲(chǔ)煤棚占地長(zhǎng)約470m，寬63m、跨度63m、建筑最高點(diǎn)約36m，采用骨架(鋼桁架)支承式膜結(jié)構(gòu)。膜材被稱(chēng)為第五代建筑材料[14，15]，該工程采用P類(lèi)膜材，膜材強(qiáng)度等級(jí)選擇P6，膜材料參數(shù)見(jiàn)表1。 采用骨架支承式膜結(jié)構(gòu)，膜材邊界約束均為剛性支撐[16]，綜合考慮拉索采用鋼拉桿(直徑20mm圓鋼)。

表1 膜材參數(shù)對(duì)比

2 膜結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 工程實(shí)算

工程項(xiàng)目所在地抗震設(shè)防烈度為7度、基本地震加速度0.10g、地震分組為第3組，基本風(fēng)壓0.4kN/m2，基本雪壓為0.45kN/m2(雪壓取100年一遇)，恒載取0.06kN/m2(屋面有光伏)，活載根據(jù)規(guī)程取0.3kN/m2，自重軟件自動(dòng)考慮。鋼桁架材料為Q355B，拉桿為Q235鋼(直徑20mm)，拉桿形成的交叉撐每開(kāi)間均布置。采用上海同磊土木工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的3D3S Design V2021軟件，為了計(jì)算效率快，便于分析，本文僅考慮了恒、活、雪、左風(fēng)工況及組合。因?yàn)槭菍?duì)比分析，限于圖幅每根鋼管規(guī)格的具體分布位置不再單獨(dú)顯示。鋼管規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 材料表

2.2 膜面和支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用分析

不考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用又分為兩種情況：其一，是膜面和支承結(jié)構(gòu)各單獨(dú)分析，將膜面單獨(dú)分析的結(jié)果，也就是膜面單獨(dú)分析產(chǎn)生的支座內(nèi)力施加于支承結(jié)構(gòu)上，然后單獨(dú)分析支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，相當(dāng)于把考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用情形分成兩步驟單獨(dú)進(jìn)行，各自分析；其二，分析時(shí)不考慮膜參與計(jì)算，僅將膜材重量施加于主結(jié)構(gòu)上，進(jìn)而對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

因此，按照以下三種情況分析：①考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用(結(jié)果如圖1—圖6所示)；②不考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用時(shí)，將膜面和支承結(jié)構(gòu)各單獨(dú)分析(結(jié)果如圖7、圖8所示)；③不考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用時(shí)，分析時(shí)不考慮膜參與計(jì)算(結(jié)果如圖9、圖10所示)。

對(duì)比①②情況下結(jié)果發(fā)現(xiàn)，初始態(tài)找形分析[1，17，18]時(shí)，無(wú)論是否考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，膜面的初始態(tài)最大主應(yīng)力和初始態(tài)最大位移都很接近，尤其是初始態(tài)最大位移可以說(shuō)沒(méi)有變化，而初始最大主應(yīng)力的分布有所不同，應(yīng)該是因?yàn)閰f(xié)同考慮時(shí)，支承結(jié)構(gòu)的位移和變形影響了膜材內(nèi)力的分布(圖1，圖2)。

圖1 考慮協(xié)同作用時(shí)初始態(tài)的膜最大應(yīng)力

圖2 考慮協(xié)同作用時(shí)初始態(tài)的膜最大位移

不考慮協(xié)同作用時(shí)，軟件中將支承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為膜面的硬邊界約束在膜面上，相當(dāng)于在膜面上添加了很多支座，這些支座即是對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模擬，但是支座的剛度大小軟件中不好定義，這種“硬邊界”的約束剛度可能跟實(shí)際支承結(jié)構(gòu)的剛度不同，進(jìn)而支座約束的變形較實(shí)際支承結(jié)構(gòu)也不同，膜材本身為非線性材料[1，19]，經(jīng)緯向剛度也不同，這些因素均可能導(dǎo)致兩種情況下膜面上主應(yīng)力分布的不同。而兩者的膜面初始態(tài)最大豎向位移基本沒(méi)有區(qū)別，分析認(rèn)為在找形分析時(shí)，對(duì)膜面施加的預(yù)張力一致，而求解最小曲面時(shí)兩種情況下迭代次數(shù)接近，最終形成的膜面初始主應(yīng)力的大小接近，雖然分布有所不同，但是從量的級(jí)別上是一致的，而膜面的豎向變形大小取決于在膜面內(nèi)的初應(yīng)力形成的剛度[20]，只要是膜面內(nèi)的分布應(yīng)力大小一致，最終膜的豎向變形就應(yīng)該接近。

對(duì)比①②兩種情況對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)的影響，從實(shí)際計(jì)算結(jié)果看，兩種情況下，下部支承結(jié)構(gòu)無(wú)論是位移、還是內(nèi)力均基本沒(méi)有區(qū)別。因?yàn)閱为?dú)分析下部支承結(jié)構(gòu)時(shí)，已經(jīng)將單獨(dú)分析膜面時(shí)產(chǎn)生的支座內(nèi)力提取出來(lái)，并將其作用在下部支承結(jié)構(gòu)上，對(duì)下部結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。由于分析下部支承結(jié)構(gòu)時(shí)已經(jīng)考慮了膜面產(chǎn)生的內(nèi)力因素，這種情況下完全可以不考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用對(duì)下部支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的影響，對(duì)上部膜面的影響尚應(yīng)考慮。膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[1]對(duì)膜面的設(shè)計(jì)是從應(yīng)力和變形兩個(gè)角度控制設(shè)計(jì)，要求承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)膜面的最大主應(yīng)力不得大于規(guī)定值，以防止膜面強(qiáng)度破壞；在第一、二類(lèi)荷載效應(yīng)組合下，控制膜面的變形，防止膜面出現(xiàn)松弛或松弛帶來(lái)的影響不致過(guò)大。從這兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)于不考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的第一種情況(將膜面和支承結(jié)構(gòu)各單獨(dú)分析)，即使初始態(tài)情況下，膜面的初始最大主應(yīng)力分布有很大不同，但從荷載態(tài)的膜面最大和最小主應(yīng)力及膜面在承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的變形來(lái)看，都是符合規(guī)范且兩者結(jié)果接近(圖3—圖6)。

圖3 考慮協(xié)同作用時(shí)荷載態(tài)的骨架豎向位移

圖4 考慮協(xié)同作用時(shí)荷載態(tài)的骨架水平位移

圖5 考慮協(xié)同作用時(shí)荷載態(tài)的膜位移

圖6 考慮協(xié)同作用時(shí)骨架的應(yīng)力

對(duì)比①③兩種情況發(fā)現(xiàn)，兩種情況下的骨架豎向位移基本上是一致的，兩個(gè)模型的主桁架鋼管規(guī)格一致，次桁架規(guī)格考慮“膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用”的鋼管直徑更大，考慮協(xié)同作用的鋼管內(nèi)力的絕對(duì)值更大，尤其是縱向次桁架的內(nèi)力增加更多，且考慮了協(xié)同作用后，桁架每個(gè)開(kāi)間均設(shè)置了交叉撐，否則計(jì)算結(jié)果基本沒(méi)有收斂的可能性。從桿件內(nèi)力來(lái)看，考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用時(shí)，在找形階段相當(dāng)于給支承結(jié)構(gòu)施加了預(yù)壓力，這種初始預(yù)張力給桁架桿件內(nèi)力分布帶來(lái)的影響類(lèi)似恒載工況單獨(dú)作用產(chǎn)生的內(nèi)力分布，其產(chǎn)生的內(nèi)力值甚至是桿件組合內(nèi)力值的10%～18%左右，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不可忽視，同時(shí)對(duì)主桁架還將產(chǎn)生面外拉力，此拉力或是導(dǎo)致交叉支撐每開(kāi)間都存在的必要條件，也對(duì)次桁架產(chǎn)生了附加壓力，使次桁架桿件規(guī)格增大，尤其端開(kāi)間的次桁架規(guī)格增大更嚴(yán)重。綜上，不考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用時(shí)，不考慮膜參與計(jì)算的情況下，支承結(jié)構(gòu)的桿件(尤其是縱向的次桁架)偏于不安全，應(yīng)引起重視(圖7—圖10)。

圖7 不考慮協(xié)同作用時(shí)的膜初始態(tài)最大應(yīng)力

圖8 不考慮協(xié)同作用時(shí)的膜初始態(tài)最大位移

圖9 不考慮協(xié)同作用時(shí)骨架的最大豎向位移

圖10 不考慮協(xié)同作用時(shí)骨架的最大水平位移

3 結(jié) 論

1)整體考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用對(duì)支承結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，膜面的預(yù)張力使支承結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力增大約15%，對(duì)桁架弦桿的不利影響大于腹桿。

2)不考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用時(shí)，不考慮膜參與計(jì)算的情況下，支承結(jié)構(gòu)的承載性能存在隱患。

3)應(yīng)整體考慮膜面和支承結(jié)構(gòu)協(xié)同作用對(duì)膜面的影響，可能對(duì)膜面的初始應(yīng)力分布影響很大。

4)分析時(shí)未進(jìn)行膜裁剪分析，也未考慮膜材的初始預(yù)張力的施工方式，針對(duì)膜材剛度的大小依靠張力提供的特點(diǎn)，即使設(shè)計(jì)階段將膜面和支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，施工階段如何恰好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)設(shè)定的預(yù)張力，后續(xù)研究應(yīng)就設(shè)計(jì)及施工通盤(pán)考慮。