骨架承重式膜结构的设计分析

骨架承重式膜结构的设计分析有关膜结构的设计论文在网络上的资料很少，而有关膜结构设计的文章也是在表面层次的一种形式上的探讨，不够深入。同济大学出品的3D3S软件的膜结构说明书也仅仅是针对操作流程这一块的介绍，因此，作为钢结构的一部分，本文对膜结构的设计分析作一个深入的探讨。本文以一个实际的工程作为案例进行分析，研究膜结构更深入的结构分析。结构方案1.1工程概况工程名称：常州东方车世界二手车市场停车棚结构形式：骨架承重式膜结构结构布置图见下图所示荷载信息：恒荷载：0.1kN/㎡，活荷载（雪荷载）：0.35kN/㎡，风荷载：基本风压0.4kN/㎡，根据荷载规范GB50009-2012第8.3.1条的规定，风压和风吸均有可能出现，故采用两种情况的风荷载，体型系数见下表迎风面背风面0.220.37-0.22-0.37不考虑地震作用。最终膜单元预张力采用1.3N/㎡。本工程采用同济大学出品的3D3S膜结构设计模块软件计算，在本文中会对软件的操作作以详述，采用膜材为广州钜龙生产的M1212聚酯（涤纶），涂层PVC，面层PVF。膜材材性为弹性模量E=500N/㎡，张拉强度为90N/mm，剪切模量105N/㎡，泊松比为0.3，t=1mm。1.2方案示意图图1停车棚结构轴测图图2结构平面布置图结构建模2.1三维结构模型的建立2.1.1结构布置注意要点：模型的建立合适与否，对后续结构的分析计算及验算会产生很大的影响，所以，这是很关键的一步。本案例建模的关键是要将所有的系杆都参与到三维建模之中。因为如果像钢结构二维建模一样，受力构件只是刚架的话，膜面经向的预张力无法抵消，不仅如此，还会造成膜面过大而预张力不足，导致膜面松弛；过于提高预张力还会导致最大主应力超限造成膜面拉破。本案例初步设计进行对比发现，同样的刚架，在去掉跨内系杆建模的情况下，膜面未通过验算的比率高达12%，而未通过的原因是膜面松弛，在中间跨系杆参与膜结构的边界支承的情况下，膜面共有8个单元出现松弛，占总面积的0.33%。所以，改变支座支承条件可以改变膜面的受力情况。处和边缘部位的膜材取0.75，为膜材抗力分项系数，对第一类荷载效应组合取5.0；对第二类组合取2.5。在第一类荷载效应组合下，膜面不得出现松弛，即最小主应力应大于0，膜面的折算应力应满足其中为维持膜结构曲面形状所需的最小主应力值，可取初始预张力值的25%。在第二类荷载效应组合下，膜面由于松弛而引起的褶皱面积不得大于膜面面积的10%。本工程验算结果如下：第一类荷载效应组合下，满足，满足所有膜面均满足规范要求。第二类荷载效应组合下，满足，满足所有膜面均满足规范要求。工程案例总结结果表明，膜结构的边界条件和施加的预张力会对膜面的受力影响较大。通过多次建模、分析计算与验算，反复调整结构的模型，最终使得结构满足规范规程的要求，也总结了一些结构设计概念上的经验：如果膜面出现松弛，即表明找形不正确或存在病态，影响此现象的操作有改变边界条件、改变预张力。若有较多的膜面出现松弛，表明膜面过大，需要减小膜面，即可增加膜边界