索膜结构的主要受力构件为高强度受拉索和轻质受拉膜材,通过在索和膜中施加预应力可提高结构整体抵抗外部效应作用的能力。凭借轻质、透光性好、柔性灵活、安全性好、可实现各种具有表现力的形态和大跨度施工[1]。索膜结构在实际工程中有特别多的百富策略白菜网，例如，本文的随州高铁站、上海世博会的世博轴[2,3]、上海宝安体育场屋盖[4]、佛山体育中心[5]等。

索膜结构在设计过程中包括2个步骤：（1）找形分析；（2）荷载分析。对于找形如何达到设计的要求，找到最优面，是索膜结构当前的一个研究热点。

一些研究学者提出了改进力密度法[6]、改进动力松弛法[7]，还有结合找形和找力综合的方法[8]，为索膜结构找形的发展奠定了基础。

随州高铁站站房采用了“伞状单元体”结构，为能较好地抵抗外荷载并具有美观性、透光性。提出了一种索网加强的大曲率伞状单层ETFE膜结构方案，如图1所示。

这种新型的ETFE膜结构由外围刚性边缘构件、径向索、横向索、单层ETFE膜、膜上索套、索夹、铝合金夹膜板和高强螺栓组成。

该结构通过共同张拉索网及单层ETFE膜形成稳定结构。在该结构中单层索网为主要受力结构，通过对索进行张拉，控制径向索及横向索的索力形成目标曲面。

本文以随州高铁站站房工程为研究对象，采用小弹性模量法，对索膜进行协同找形分析，并且用ANSYS和3D3S等有限元软件进行分析，保证了分析结果的准确性。

本工程使用膜材强度标准值为23 MPa，根据相应的折减系数，强度设计值为2.8～5.6 MPa，满足规程要求[9]。在找形过程中，应控制索力及膜面应力均匀，膜面第一主应力控制在5 MPa左右即满足设计要求。计算索、膜的内力和位移时，应考虑风荷载的动力效应，对骨架支撑膜结构风振系数取1.2～1.5，本文取1.2。受荷载情况下索力应小于67 k N（应力718 MPa），膜面应力应小于12.84 MPa[9]。本结构选用钢拉索规格见表1，如图2所示布索形式为2种，ETFE膜材初步选用0.25 mm、0.30 mm 2种。钢拉索弹性模量取1.6×1 011 Pa，膜材弹性模量取6.5×109 Pa。恒荷载认为是对结构有利的荷载，与风荷载的组合为1.0×恒+1.0×活+1.4×0.6×风荷载[10]。计算主要受力结构的风荷载，其中，风荷载体型系数取1.4；风压高度变化系数取1.39[10]；当地50年一遇的基本风压取0.4 kN/m2;

运用小弹性模量法，以索膜中分布均衡性为优化目标，选取不同厚度的膜和布索方式为研究对象，赋予索膜单元极小的弹性模量，进行计算，并以变形后的结果进行分析对比，从而选取出合适的索膜组合。

首先利用3D3S进行找形分析，以布索形式2和0.3mm的ETFE膜材的索膜结构为例，图3是布索形式2时0.3mm膜材在3D3S找形后的膜面应力和拉索索力。找形态膜面应力分布均匀，拉索索力均为50 k N。膜面应力最大值见表2，差值约为1 MPa。

再采用ANSYS软件进行校核计算。计算结果见表2，图4是ANSYS校核的0.3mm ETFE膜在布索形式2时的膜面应力，找形态膜面应力均匀（最大相差0.64MPa）且最大膜面应力为5.63MPa，索力均匀（最大相差小于2.6k N），满足成形要求。

2种不同布索方式及2种不同厚度膜材的4种方案找形对比见表2。通过表2中3D3S与ANSYS 2种软件的找形分析，可看出膜面应力变化趋势有差异。在布索形式2时，ANSYS分析的最大膜面应力随着膜面厚度的增加而增加，3D3S分析的最大膜面应力随着膜面厚度的增加而减小，ANSYS的膜面应力差值与3D3S相较小。

对索膜结构进行荷载分析时考虑风压力荷载作用和风吸力荷载作用，利用3D3S和ANSYS 2种软件对索膜进行荷载分析，计算结果见表3～表6。

以布索形式2和0.30mm厚度的ETFE膜材在风压荷载作用下为例。通过3D3S模拟，如图5所示，在风压荷载作用下对应0.30mm厚度的ETFE膜材最大膜面位移99.20mm,0.30mm厚度的ETFE膜材结构的最大拉索索力为59.33 k N，小于拉索设计值67k N，满足索结构设计要求。

从表5、表6中可知膜材厚度变化对风压荷载下索结构的影响不明显，膜厚度的增加可减小膜面位移。

与找形态相同，用ANSYS进行校核计算，计算结果如图6所示，在风压荷载作用下，最大膜面应力为8.89 MPa，满足膜结构设计要求。

风压荷载下最大索轴力为56.72 k N，满足承载力设计要求。风压荷载作用下对应0.30 mm厚度的ETFE膜材的最大位移为83.83 mm。

从表6可看出，不同膜材厚度间最大索力为56.72 k N，故膜材厚度对在风压荷载下的索力影响较小，且每种都满足索承载力设计要求。

选取0.3mm膜厚及布索形2的3D3S和ANSYS结构模型，对比两者在风荷载作用下膜面应力、膜面位移及拉索索力的区别。

从表6可看出，两种找形方法索力相差较小，均在5%以内；由于两种模型找形态膜面应力存在差别，两种模型膜面应力和膜面位移差距相对较大，但仍在15%范围以内。两种模型膜面应力、膜面位移和拉索索力分布规律相似。

在风荷载作用下0.30mm厚的ETFE膜材的膜面应力可减少接近1MPa，且ETFE薄膜材料屈服强度较低，故1MPa的强度对其影响也比较明显，较小的屈服强度能更好地防止蠕变及塑性变形的发生。

根据分析结果最终选择布索形式2，索直径为12mm,0.30mm厚度膜材的索膜组合。

本文以随州高铁站站房为工程背景，利用2种软件（有限元分析软件ANSYS和设计软件3D3S）对站房索膜结构进行了找形分析、荷载分析。对比分析了不同布索方案、不同膜厚度的ETFE膜结构的膜面应力、索力、膜面位移。通过本工程的研究，有限元大型软件可有效地解决索膜结构的找形和荷载分析问题。经分析对比，选用布索形式2(5道横向索）、0.3 mm厚的ETFE膜材的索膜搭配方案时，可使结构应力均匀，满足设计要求。