膜结构停车棚是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成的结构体系。膜结构具有艺术性、经济性、适用范围广等优点,在停车场及候车厅的建设中担当了重要角色。随着膜结构车棚的广泛百富策略白菜网[1] ,其安全性尤为重要。膜结构停车棚的倒塌事故时有发生,目前学者们对膜结构常见的事故也总结了一系列原因,包括气候(强风、雨雪等)、施工以及设计等方面[2,3,4,5] 。本文依托合肥某膜结构停车棚的倒塌事故,探讨其事故原因,并提出相应的施工及设计方面的安全措施和注意事项,以期为在此类膜结构工程提供有价值的参考。

该张拉膜结构为合肥市某停车棚,占地42.4m×12.5 m,桅杆高6.5 m,侧立面示意图见图1,轴测图见图2。本工程设计使用年限为25年,基础及上部结构安全等级为二级,不考虑抗震,基本风压取0.35 k N/m2,风阵系数取1.0。本工程基础为独立柱基础,上部结构为钢桁架结构加索膜结构。本工程材料采用白色国产PTFE涂层玻璃纤维膜,且各项性能满足规程玻璃纤维类C级标准的膜材,以及型号为Q235的钢材。其中,膜材的抗拉强度标准值为径向不小于2 900 N/cm3,纬向不大于3 100 N/cm3。

在该膜结构停车棚施工完成并投入使用一段时间后,由于风力作用,该停车棚整体向一侧倒塌,停车棚倒塌现场事故见图3。

观察倒塌事故现场,发现钢桁架柱子与基础混凝土短柱顶部锚固处发生脱离,见图4。

膜结构车棚一般基于其大跨度、经济性等特点,选用单排钢柱支撑,而膜结构本身及其钢桁架自重较轻,使得支承钢柱的基础具有承受大弯矩、小轴力的特点,致使膜结构停车棚的整体抗倾覆效果较差。一般地,膜结构停车棚为了充分表达透明的空间和轻巧的形状,需要细化支承结构,因此,在不影响膜结构工程的空间使用情况下,应加大支承柱基础的埋深,以提高抗倾覆能力。此外,支撑柱在沿车棚短方向若有两短杆辅助支撑效果将好很多,即增加支撑节点,形成三角形稳定结构,否则再有大风还会倒塌。同时,由于膜结构的风敏感性,对复杂体形的膜结构需进行风洞试验来确定风载体型系数[6] 。

为了不影响工程美观,现就基础埋深的大小来讨论其抗倾覆能力。该工程基础埋深实际为1.0 m,另假设该工程基础埋深为1.5 m,根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[7] 8.1条的规定,经计算可知,由风荷载产生的倾覆弯矩MS以及由侧向土压力以及基础重力产生的抗倾覆弯矩MR见表1。由表1可知,该工程基础埋深1.0 m时的基础抗倾覆能力不足,但基础埋深适当加大至1.5 m时,其抗倾覆能力满足要求。

取一根钢柱的从属面积5.3 m×6.5 m,根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[7] 8.1条的规定,柱子的均布风荷载为2.78 k N/m,对于基础,当埋深1.0 m时,侧向土压力大小为10.7 k N/m,埋深1.5 m时,侧向土压力大小为16.0 k N/m。利用有限元软件ANSYS对该钢柱进行挠度分析,钢柱与基础混凝土短柱顶采用刚接的方式,混凝土基础与土体采用柔性接触。基础埋深1.0 m时钢柱变形图见图5,埋深1.5 m时钢柱变形图见图6。

由图5和图6可知,在基础埋深为1.0 m时钢柱的最大位移分别为16.94 mm,根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[8] 附录A的规定可知,此时该钢柱的挠度变形值大于容许值l/400,不满足规范要求。同理,在基础埋深为1.5 m时钢柱的最大位移分别为2.73 mm,此时该钢柱的挠度变形值满足规范要求。因此,在此膜结构工程的设计过程中,基础埋深1.0 m是不满足规范要求的。

膜结构车棚的钢桁架柱子与基础混凝土短柱的锚固是工程安全的关键。主要包括柱底连接锚板的厚度和锚板上锚筋数量及锚固长度两个方面。

首先,应保证柱底连接锚板的厚度满足规范要求,防止在外力作用下,底板被拉裂破坏,见图7,从而引起整体结构的倒塌。该工程中,锚板厚度为16 mm,直锚筋纵、横向间距均为240 mm,设计示意图见图8。根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[9] 9.7.1条的规定,该工程中锚板厚度与锚筋直径之比t/d=16/22=0.72>0.60,满足要求;但锚板厚度与锚筋间距之比为16/240=1/25<1/8,不满足规范要求。

其次,应保证锚板上锚筋数量及锚固长度满足规范要求,使其抗拔承载力满足要求,防止锚筋与锚板连接破坏。在该工程中,根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[9] 9.7.2条的规定,经计算,钢筋的计算面积As=3826.57 mm2,而该工程采用的直锚筋为 ,不能满足要求。查《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[9] 表8.3.1,算得la=730 mm。实际设计施工中的锚筋长度如图9所示,则该工程中锚筋的锚固长度未达到规范要求。同时,基础施工图中两独基之间连接梁高为500 mm,不能满足锚筋的锚固长度要求,基础施工图见图10。此膜结构停车棚倒塌不仅仅是设计方面的原因,还有施工方面的漏洞。施工过程中偷工减料,该工程中柱底板连接螺栓锈蚀得比较严重,见图11,在外力作用下容易发生脱落,导致整体结构的破坏。

结合合肥市某膜结构车棚倒塌事故,在分析了其事故发生的原因后,为避免在以后工程中发生类似事故,针对膜结构的设计方面提出以下参考:

(1)基础作为膜结构支撑体系之一,是结构体系中受力较大的构件,其设计关乎整个结构的安全稳定。在进行设计时,膜结构的基础验算内容主要包括承载力、上拔位移以及循环荷载的效果验算,同时要满足整体抗倾覆的验算。用于支撑张拉膜结构的基础有很多形式[10] ,目前普遍百富策略白菜网的有重力式锚固、锚板、抗拔桩基础和灌浆锚杆。该膜结构工程采用的为重力式扩展基础,主要靠基础和上覆土重提供抗上拔力。该基础为浅基础形式,经济、简单、适用范围广,但其抗拔能力较差,有时为追求经济利益而采用此类基础,将基础埋深设计的较浅,使得膜结构整体抗倾覆性较差,极易造成膜结构的倒塌、破坏。膜结构是一种风敏感性结构,当承受循环风荷载时,若循环风荷载引起的上拔力超过基础的抗拔承载力时就会造成基础的破坏,因此控制基础荷载的将是上拔力,这就需要加大基础埋深进行大开挖或浇筑大量的混凝土以抵抗上拔力。

(2)膜结构车棚的钢桁架柱子与基础混凝土短柱的锚固是工程安全的关键。为保证足够的锚固能力,在设计时锚板的厚度不仅要满足规范要求,锚筋的数量及锚固长度也要满足规范的要求。

(3)桅杆或柱脚点与基础的连接设计也是尤为重要。从力学角度出发,柱脚分刚性固接、铰接,铰接又包括平面铰、球铰。对于柱脚的节点构造需与计算力学模型一致,固接应有效抵抗弯矩,铰接应彻底释放弯矩,不得“模糊”构造。设计时应保证节点具有合适的刚度,不得优先于其他部件破坏,使各种材料的力学性能得以正常发挥。同时应避免出现过大的应力集中或者附加弯矩,并留有二次张拉的可能。

结合该膜结构停车棚工程,通过分析其倒塌原因,提出膜结构设计时的关键点。首先,膜结构作为一种风敏感性结构,其钢桁架及膜结构的自重较轻,为了提高其整体抗倾覆能力,采用扩展基础时需要合理的设计基础的埋深,或者在支撑柱沿车棚短方向设置两短杆辅助支撑。其次,桅杆或钢桁架柱与基础混凝土短柱的锚固是工程安全的关键,在设计时,要保证其具有足够的锚固能力,且在施工过程中材料质量必须得到保证。再次,膜结构设计过程中也要注意节点的设计和连接。

通过对膜结构工程倒塌的分析及相关设计方面的结论,可为膜结构设计及施工过程中最大限度地避免工程事故、提高工程质量提供参考。