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随州高铁站膜结构不同膜材方案设计

发布时间:2022年3月29日 点击数:418

膜结构是建筑和结构相互结合的结构体系,采用高强度柔性的薄膜材料,并施加一定的预应力,可呈现出奇特优美的空间形状,且其本身也有一定的刚度,能抵抗外界的荷载。膜结构常用G类、P类、E类三种膜材,也包括其他新型膜材。膜结构设计主要包括找形和荷载分析两个步骤。目前对膜结构找形已有很多研究,包括改进力密度法[1]、改进动力松弛法[2]和找形找力结合的方法[3]

湖北省随州市高铁站站房采用膜结构,其应用与结构跨度紧密相关。由于G类膜材和P类膜材的弹性模量较大,膜面变形较小,故可实现较大的膜面跨度。而E类膜材弹性模量较小,膜厚度较薄,其适用跨度与前者有较大区别。E类膜材考虑为各向同性,透光率最高可达95%,且相同面积的重量仅为玻璃的1%,因此有很好的装饰作用。为抵抗外荷载并做到美观透光,实际应用中需根据结构跨度增加索网。随州高铁站站房主体结构由外围刚性边缘构件、单层膜组成,该结构中单层膜为主要受力结构(图1)。

图1 随州高铁站伞状单层膜结构示意

图1 随州高铁站伞状单层膜结构示意  下载原图


本文以随州高铁站站房工程为研究对象,验算不同膜材的最大适用跨度,分析三种膜材能否满足高铁站主体结构的跨度要求,并对比分析使用三种膜材时高铁站膜结构的膜面应力和位移差异;对E类膜材膜结构进行索网设计优化分析,提出布置方案。

1 膜材结构方案

本工程选用G类、P类、E类三种膜材,其中G类和P类膜材厚1 mm,E类膜材厚0.3 mm。三类膜材的强度标准值和性能指标见表1。

  

表1 各类膜材强度标准值和性能指标  下载原图



表1 各类膜材强度标准值和性能指标

在找形过程中应控制索力及膜面应力均匀,将G类膜材膜面应力控制在5 MPa左右、P类和E类膜材控制在4 MPa左右,即可满足设计要求。根据CECS 158:2015《膜结构技术规程》[4],计算索、膜的内力和位移时,应考虑风荷载的动力效应,对G类膜材和P类膜材,骨架支撑膜结构风振系数取1.2~1.5,本文取1.2。G类膜材的经向膜面应力应小于1.6×105 MPa,纬向膜面应力应该小于1.4×105 MPa。P类膜材的经向膜面应力应小于1.06×105 MPa,纬向膜面应力应该小于1.0×105 MPa。对于E类膜材结构,膜面应力应小于13.6 MPa。受荷载情况下索力应小于67 k N(应力718 MPa)。根据GB 50009—2018《建筑结构荷载规范》[5],随州高铁站的荷载取值为永久荷载0.1 k N/m2,可变荷载0.1 k N/m2。永久荷载是对结构的有利荷载,将其与风荷载的组合为1.0×恒载+1.0×活载+1.4×0.6×风荷载,计算主要受力结构的风荷载。其中,风荷载体型系数取1.4,风压高度变化系数为1.39;当地50年一遇的基本风压取0.4 k N/m2

2 G类膜材设计方案

对G类膜材进行跨度验算,分析G类膜材的最大适用跨度。根据相关规程,骨架式膜结构的膜面位移应小于膜面单元尺寸的1/15。先建立一个矩形膜结构,选取15m,16m,17m跨度的G类膜材结构进行对比验算。如图2~图4所示,15 m跨度时膜面位移为0.954<15/15=1.0 m,此时安全储备较高,所以进一步进行验算;16 m跨度时膜面位移为1.04 m<16/15=1.06 m,此时位移已接近规范限值要求。17m跨度时膜面位移达1.34 m>17/15 m=1.13 m,不满足规范要求。

图2 G类膜材15 m跨度验算(计算机截图)

图2 G类膜材15 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

图3 G类膜材16 m跨度验算(计算机截图)

图3 G类膜材16 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

图4 G类膜材17 m跨度验算(计算机截图)

图4 G类膜材17 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

通过上述分析,得到G类膜材的最大适用跨度约为16 m。由于随州高铁站主结构膜结构大体尺寸为27 m×12 m,中间有两道刚性支撑边界,所以一块刚性区域的尺寸为9 m×12 m,满足G类膜材的最大适用跨度。先对该站膜结构铺设G类膜材,再施加荷载进行计算分析,得到膜面位移和膜面应力如图5所示,该站膜结构的膜面应力为10.5 MPa,未超出规范要求,膜面位移为0.361 m,小于设计值12×1/15 m=0.8 m,均满足设计要求。由于G类膜材未布置索网,故在经历荷载时,局部膜面会出现应力和位移较大的现象。

图5 G类膜材膜结构内力(计算机截图)

图5 G类膜材膜结构内力(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

3 P类膜材设计方案

P类膜材跨度方案计算过程与G类膜材相似,先对跨度进行验算,对比验算11 m,12 m,13 m跨度的P类膜材。如图6~图8所示,11 m跨度时膜面位移为0.706 m<11/15=0.733 m,此时安全储备还较高,所以进一步进行验算。12 m跨度时,膜面位移为0.798 m<12/15=0.8 m,此时膜面位移接近规范要求;18 m跨度时膜面位移达0.893 m>13/15 m=0.866 6 m,不满足规范要求。

图6 P类膜材11m跨度验算(计算机截图)

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(a)膜面应力;(b)膜面位移

图7 P类膜材12 m跨度验算(计算机截图)

图7 P类膜材12 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

图8 P类膜材13 m跨度验算(计算机截图)

图8 P类膜材13 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

综上所述,G类膜材的最大适用跨度约为12 m。随州高铁站主结构刚性区域尺寸为9 m×12 m,P类膜材的适用跨度适用于主结构。对该站单层PTEF膜结构进行分析,结果如图9所示。膜材为P类膜材时,随州高铁站膜结构的膜面应力为11.3 MPa,未超出规范要求,膜面位移为0.305 m,小于设计值12×1/15 m=0.8 m,满足要求。P类的膜面位移和应力会出现和G类膜材类似的情况。

图9 P类膜材膜结构内力(计算机截图)

图9 P类膜材膜结构内力(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

4 E类膜材设计方案

E类膜材的弹性模量为650 MPa,膜面厚0.3 mm,为研究最大的膜面适用跨度,先建立ETFE膜材模型进行验算。选取3.5 m,3.6m,3.7 m三种跨度进行分析。验算结果如图10~图12所示,跨度为3.5 m时,膜面位移为0.21 m<3.5/15=0.23 m,膜面应力为13.1 MPa<13.6 MPa,均满足规范要求,有较大的安全储备;跨度为3.6 m时,膜面位移为0.22 m<3.6/15=0.24 m,膜面应力为13.4 MPa<13.6 MPa,均满足规范要求;跨度为3.7 m时,膜面位移为0.194 m<3.3/15=0.22 m,膜面应力为13.6 MPa=13.6 MPa,膜面应力超过规范取值。

图1 0 E类膜材3.5 m跨度验算(计算机截图)

图1 0 E类膜材3.5 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

图1 1 E类膜材3.6 m跨度验算(计算机截图)

图1 1 E类膜材3.6 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

图1 2 E类膜材3.7 m跨度验算(计算机截图)

图1 2 E类膜材3.7 m跨度验算(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移

综上所述,E类膜材的最大适用跨度为3.6 m。但由于随州高铁站主结构一块刚性区域的尺寸为9 m×12 m。不能满足E类膜材的最大适用跨度的要求,为使E类膜材有足够的安全储备,膜面应力更均匀,随州高铁站ETFE膜结构布置采用五道横索,间距为2 m,竖向布置间隔1.5 m纵索,索网布置方案如图13所示。钢拉索的直径为12 mm,弹性模量取1.6×101 1 Pa。钢拉索规格如表2所示。对随州高铁站E类膜结构进行整体分析,得到膜面应力和膜面位移如图14所示。拉索直径为12 mm时ETFE膜材膜面应力为8.65 MPa,小于规范要求的13.6 MPa;膜面位移为0.132 m,小于规范要求的12/50=0.24 m,最大索力为61.06 k N,小于要求的67 k N,均满足规范要求。

  

表2 钢拉索规格  下载原图



表2 钢拉索规格
图1 3 E类膜材膜结构布索形式

图1 3 E类膜材膜结构布索形式  下载原图


图1 4 布置索网后膜结构内力(计算机截图)

图1 4 布置索网后膜结构内力(计算机截图)  下载原图


(a)膜面应力;(b)膜面位移;(c)索力

5 结论

通过对三类膜材的跨度计算分析,得到其大体适用跨度范围,由于G类和P类膜材的弹性模量较高、膜面较厚,其适用跨度大于E类膜材。G类膜材的最大适用跨度约为16 m,P类膜材的最大适用跨度约为12 m,满足该站主结构的跨度要求。该高铁站主结构使用G类和P类膜材时不需布置索网,可直接在主结构的上覆盖膜材。E类膜材弹性模量考虑为各向同性,且厚度仅为0.3 mm,膜面适用跨度较小,约为3.6 m,故使用E类膜材时应布置索网。

本文提出布置索网的方案,在横向布置5道横索时膜面应力均匀,膜面位移较小,可很好地满足设计要求。通过对比三类膜材的膜面位移和膜面应力,E类膜材布置索网后其膜面位移比G类膜材和PTFE膜材更小,其膜面位移仅为0.132 m,而G类膜材和PTFE膜材分别为0.36 m和0.45 m。在荷载作用下,G类膜材和P类膜材膜面应力不均匀,而E类膜材的膜面应力较均匀。

通过分析不同直径钢拉索,钢拉索直径增大可减小膜面位移,对膜面应力和拉索索力影响较小,所以随州高铁站膜结构横向布置5道索单层ETFE膜材,可满足设计要求。

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