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            膜結構的應用及事故分析-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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            膜結構的應用及事故分析

            發布時間:2019年9月18日 點擊數:1794

            膜結構是以性能良好的織物為材料, 用柔性拉索或剛性骨架將膜面通過預張力繃緊, 也可向膜內充氣, 通過空氣壓力來支撐膜面, 從而形成具有一定剛度并能覆蓋較大空間的體系。20世紀70年代以來, 膜結構在國外已逐漸推廣應用于各類空間結構中, 近年來, 在我國也得到了較快的發展。

            1 膜結構的分類

            (1) 整體張拉式膜結構:由桅桿或立桿等支撐構件提供吊點, 并在周圍設置錨固點, 通過張拉而形成穩定的體系。

            (2) 骨架支撐式膜結構:由鋼構件或其它剛性構件作為承重骨架, 在骨架上布置按設計要求張緊的膜材。

            (3) 索系支撐式膜結構:由空間索系作主要承重骨架, 在索系上布設按設計要求張緊的膜材。

            (4) 空氣支撐膜結構:應具有密閉的充氣空間, 并應設置維持內壓的充氣裝置, 借助內壓保持膜材的張力, 形成設計曲面。

            (5) 組合膜結構:由以上形式組合而成的膜結構。

            2 膜結構的特點

            由于膜材自身的特點, 使膜結構建筑物、構筑物具有很強優勢、突出特點。

            2.1 透光性、經濟性、環保節能性

            膜材具有一定的透光性, 白天可減少照明強度和時間、節省能源, 夜間通過各色燈光投射形成漂亮的夜景。膜材屋面重量僅達常規鋼結構屋面的三十分之一, 故降低了其承重骨架及基礎的造價。膜結構獨特的造型和絢麗的夜景形成標志性, 達到很好的廣告效應和商業效果。

            2.2 跨度大、空間開敞

            膜材重量只有0.01k N/m2, 很輕, 因此, 可實現很大的抽柱大空間, 使得建、構筑物內部空間開敞、舒適。

            2.3 抗震性能好、安全性高

            膜結構自重較小, 地震對結構的影響也很小, 故設計時可不考慮地震作用, 但地震對其支撐結構的影響雖不是很大, 也應考慮, 因而其安全性也相當高。發生災難時, 其寬敞明亮的大空間可作為臨時的避難場所、急救中心、抗震救災指揮部等。

            2.4 工期短

            膜結構所有裁剪加工和制作均在工廠內完成, 現場僅安裝、張拉, 大大減少現場施工時間, 避免施工交叉, 極大地縮短工期。

            3 膜結構的設計

            3.1 荷載及其組合

            膜結構設計時首先要理清需考慮哪些荷載。恒荷載:膜面的活載標準值可取0.3k N/m2;在風荷載作用下極易產生變形和風振現象, 使膜材撕裂破壞, 因此, 風荷載是膜結構的主要荷載。膜結構自重較小, 柔度大, 自振頻率很低, 因此, 其地震作用較小, 可不考慮, 但地震對其支撐結構的影響應考慮;雪荷載, 作為屋面的膜結構多為負高斯曲率曲面, 結構上所受的雪荷載多為非均勻分布, 因此應根據不同的曲面形狀、曲率變化調整荷載分布系數;還有就是對膜材施加的由膜材類型、膜面荷載、可能發生的變形和施工因素等決定的預張力。

            按承載力極限狀態設計膜結構時, 應該考慮荷載效應的基本組合, 采用荷載設計值和強度設計值進行計算, 分兩種荷載效應組合:第一類組合是在恒載、活荷載與雪載的較大值、初始預張力三者作用下的組合;第二類組合是在恒載、風荷載、活荷載與雪載的較大值、初始預張力作用下的組合或在恒載、風荷載、初始預張力作用下的組合或在恒載、風荷載、溫度作用、支座不均勻沉降或施工荷載等作用下的組合。按正常實用極限狀態設計膜結構時, 應該考慮荷載效應的標準組合, 采用荷載標準值、組合值和變形限值進行計算。

            3.2 膜結構初始形態分析

            初始形態分析, 是膜結構設計的重點和難點, 需要根據造型需求和膜材特點找出最合理的空間形體, 實際上是確定結構中預張力大小和分布的過程。設置預張力時應保證在正常使用狀態下膜材不會因為荷載、溫度、徐變等作用而產生松弛現象, 并且要保證膜材在極端氣候條件下設計應力不得大于最大應力, 同時還要考慮膜結構施工 (安裝及張拉) 時的方便性及易實現性。膜結構在初始平衡曲面內預張力是自相平衡的。初始形態分析宜首先尋找應力均勻分布的最小曲面 (即為等應力曲面) , 找不出最小曲面時再尋找應力不均勻曲面 (即為非等應力曲面) 。常用的初始形態分析方法為:力密度法、動力松弛法和非線性有限元法。

            3.3 荷載效應分析

            膜結構的受力分析通常是應用非線性有限元法計算在自重、雪載、活載、風載、預張力溫度作用、支座不均勻沉降或施工荷載等組合作用下的效應。在外荷載的作用下, 薄膜中一個方向的應力增加, 而另一個方向的應力減少, 這就要求所施加的頂張應力, 一方面要在第一類荷載組合作用下膜中應力不能減少到維持膜結構曲面形狀所需的最小應力值 (一般取25%的初始預張力) , 即膜面不得出現松弛, 在第二類荷載組合作用下膜面由于松弛而引起的皺褶面積不得大于膜面面積的10%;另一方面在最不利荷載作用下, 也不能讓膜材中應力過大而使膜材強度儲備過小甚至讓膜材的最大主應力超過其抗拉強度設計值。因此, 初始預應力的確定要通過荷載計算來完成, 當然還要同時考慮施工過程中產生的附加應力。

            膜結構設計中, 除了保證結構體系的整體穩定外, 還應保證在局部膜材破壞或局部索退出工作時不致引發結構整體失效。索是膜結構中很重要的受力構件, 必須保證索在第一類荷載效應組合作用下始終處于受拉狀態, 同時在第二類荷載效應組合作用下索若因進入受壓狀態而退出工作, 結構也不應失效而變為機動體。由于膜材在拉應力作用下存在松弛、徐變等問題, 張拉式膜結構在正常使用1~2年后常進行第二次張拉, 結構設計時應考慮二次張拉對結構整體的影響。

            3.4 膜材裁剪

            造型膜曲面是先將滿足要求幅寬的膜材裁剪成膜片, 然后將膜片相互連結、張拉形成曲面。膜片間的連接線為裁剪線。確定平面裁剪膜片的關鍵是如何將已知的空間膜面盡可能精確地展開成平面要裁剪的膜片, 而且還必須同時考慮預張力釋放后的幾何尺寸改變。裁剪分析的原則是:平面膜片拼接為曲面時, 浪費的膜材最少, 拼后形成的曲面同初始形態分析時初始曲面吻合, 而且預應力的偏差也要最小。裁剪線處易產生應力集中, 所以應盡量保證裁剪線和膜材纖維正交, 使主應力方向和膜纖維方向一致, 裁剪線避免受剪。

            膜結構的初始形態分析、荷載效應分析和裁剪設計 (此外還有初始預張力、施工工藝等) 是一種相互影響和牽制的過程, 需反復調試,F在常用的膜結構設計軟件有:上海同濟大學的3D3S、上海交通大學的SMCAD。

            4 膜結構的設計實例

            山西省太原市長風西收費站收費棚索系支撐式膜結構工程, 鋼結構設計使用年限為50年, 膜結構材料為10年以上的保質期。在整個設計年限未滿之前, 如果膜材破壞, 允許更換膜材。安全等級為二級;撅L壓:0.40k N/m2, 基本雪壓:0.35k N/m2?拐鹪O防烈度為8度 (0.20g) 。分析設計軟件:上海交通大學SMCAD。設計于2009年。

            本膜結構是由多組固定于八根立柱上的、張拉緊的脊索谷索交替組成有規律的連續負高斯曲面, 并在膜棚兩端分別用四根固定于柱上的張緊的斜索拉住懸挑端。

            5 膜結構事故分析及引發的思考

            2009年11月10~12日的一場連下三日的大雪造成太原環城高速收費站膜結構收費棚 (小店北收費棚、濱河收費棚、向陽店收費棚、長風收費棚) 部分破壞和結構安全隱患。造成破壞的原因主要是雪載達到荷載設計規范50年一遇的0.35k N/m2的1.65倍, 另一個原因:膜結構初始形態分析的曲面特點, 形成曲面拱起, 陡坡區域積雪曲面低洼、平緩區域集中, 因此膜面容易形成布袋效應和應力集中, 而布袋效應和應力集中是造成膜結構破壞的主要破壞形式。其中小店北收費棚膜結構破壞最嚴重, 由于布袋效應的不均勻導致一個膜包的小立桿失穩倒下, 進而引發其中的一個索節點板撕裂, 最后由于骨牌效應引起整個膜面都坍落下來, 但主骨架基本未受影響。向陽店收費棚兩側人字飛柱兩面膜材也因布袋效應撕裂較重, 長風和濱河收費棚單帽較高較大, 膜面陡, 雪載堆積不太大, 但膜和索松弛嚴重, 局部調整即可。

            以上事件的發生提醒我們在以后的設計、施工、維護和保養方面應特別注意以下問題:

            (1) 現在極端氣候比較多, 我們在以后設計膜結構時能否將雪載、風載加大考慮?當然應事先與建設方溝通好, 以免被抱怨太浪費。

            (2) 頂膜包的立桿盡量不要支撐在剛性桁架或柔性索上, 尤其是支撐在柔性索上, 受力稍有不平衡, 很容易失穩破壞。如無法避免, 應以各種不利情況去復核其穩定性, 采取加強穩定措施。

            (3) 施工時務必按設計要求購料、實施, 確保材料質量和施工質量, 小到一個節點板、一個栓釘都不能疏忽。很多情況就是因為一個不引人注意的、小小的節點板或栓釘的破壞引發整個結構的破壞甚至是倒塌。

            (4) 按《膜結構技術規程》CECS158:2004要求進行維護和保養。張拉式膜結構在正常使用1~2年后需進行第二次張拉。

            (5) 到目前為止, 我們仍無合適的融雪、除雪設備, 運營方也未能在暴雪后積極、及時地組織人員人工除雪。若能做到了及時除雪, 也就免于上述事故。

            膜結構工程近年來在我國得到迅猛的發展, 其中不乏失敗的案例, 我們應從成功中總結經驗、從失敗中吸取教訓, 對膜結構做深入、細致、廣泛的研究, 筆者相信膜結構技術定會日臻完善, 以滿足我國迅速發展的大空間的功能需求。

            計算簡圖 (注:圓表示支座, 數字為節點號)

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