本工程位于杭州市富阳区, 为浙江中医药大学滨江学院体育场看台, 看台为钢筋混凝土结构, 鉴于使用功能及美观要求, 看台顶需设一顶蓬, 空间网架以及膜结构为可供选择的结构形式。现代膜结构建筑不但代表了先进的结构形式, 而且具有造型优美、施工速度快、节省材料等优点, 因此在现代社会中得到越来越广泛的运用, 在大中院校的体育建筑中不断出现它的身影。综合各方案, 顶蓬最终采用骨架支承式膜结构, 在骨架上布置按设计要求张紧的膜材。

一、结构选型

确定膜结构单体建筑方案时, 应考虑结构体系的合理性, 膜结构建筑的平立面和形态设计需整体综合协调建筑与环境并体现自身的形态和技术特点。本工程长度方向为81.6米, 宽度最大处22.4米, 由于建筑立面造型要求, 悬挑采用非对称方式。考虑与建筑物整体风格和周围环境相协调, 采用空间管桁架结构, 覆盖结构为膜结构, 膜布选用法国法拉利1002T2膜材, 经向抗拉强度不小于4200n/5cm, 纬向抗拉强度不小于4000n/5cm, 厚度不低于0.78mm, 膜材表面覆涂PVDF涂层, 钢丝绳材料符合通用钢丝绳《GB/T8918-1996》, 采用公称抗拉强度为1570 MPa的钢丝绳。本工程从上部鸟瞰整体呈树叶形状, 整个膜结构由八根φ630x14的钢管柱支撑, 每根柱上布置一榀空间支撑桁架, 各榀空间管桁架由柱间纵向桁架及系杆连接形成完整的空间管桁架体系, 空间管桁架正、侧立面如图1、2所示。空间管桁架构件采用圆钢管, 钢管表面光滑, 作为外露的结构构件符合建筑的审美要求且易于清理维护, 空间管桁架体系受力特性优良, 有利于减轻结构支撑体系的重量。

二、结构计算分析

膜结构具有自身特点, 膜材只能承受拉力, 不能承受压力和弯矩。设计应考虑膜材破坏时, 支承结构仍应保持自身的强度、刚度及稳定性。设计内容包括形状设计、荷载分析、裁剪设计、配件设计、支承结构设计, 应在考虑施工过程的基础上进行一体化的设计。应考虑膜材的松弛、徐变、老化。膜面的最大主应力应小于膜材的强度设计值, 在荷载长期作用下, 最小主应力应大于等于维持其初始平衡形状的应力值。

1.找形分析, 专业软件根据各工况进行找形数值分析, 摸清膜面应力分布, 确定合理的预张力及膜布的空间几何参数, 发现不良的受力点和影响膜形态的缺陷点, 确保在各种工况条件作用下膜结构内各点的两主应力不小于0。计算分析需考虑的膜结构应力分布的各工况如下: (1) 找形状态下膜面应力分布; (2) 预张力和膜面自重态下膜面应力分布; (3) 雪荷载均布下膜面应力分布; (4) 风吸荷载态下膜面应力分布; (5) 风压荷载态下膜面应力分布; (6) 左风荷载态下膜面应力分布; (7) 右风荷载态下膜面应力分布; (8) +Y向风荷载态下膜面应力分布; (9) -Y向风荷载态下膜面应力分布; (10) 雪荷载半跨布置态下膜面应力分布。

2.膜结构所受荷载包括风荷载、雪荷载、自重、施工荷载、预张力等, 风荷载、雪荷载、预张力为其控制荷载, 风荷载体型系数、雪荷载分布系数可按现行国家标准《建筑结构荷载规范》取值;根据《膜结构技术规程》, 对骨架支承式膜结构风振系数βZ可取1.2~1.5, 本工程取值1.4, 风压高度变化系数μZ取值为1.14。膜结构属于对风压较为敏感的建筑, 本工程地处山脚下, 应对各风载工况应仔细分析, 考虑多项组合, 这是准确进行结构分析的前提。各风载工况如下: (1) 风吸+Z (工况2) ∶体型系数-2.0 (按局部体型系数取值) ; (2) 风压-Z (工况3) ∶体型系数1.3; (3) +X风 (工况4) :体型系数1.3, -1.3; (4) -X风亿 (工况5) ∶体型系数-1.3, 1.3; (5) +Y不平衡风 (工况6) ∶体型系数1.2, -1.2; (6) -Y不平衡风 (工况7) ∶体型系数-1.2, 1.2。

本工程设计荷载组合情况如下: (1) 1.20恒载+1.40活载工况1+1.2膜预张力; (2) 1.20恒载+1.40活载工况8+1.2膜预张力; (3) 1.00恒载+1.40风载工况2+1.2膜预张力; (4) 1.20恒载+1.40风载工况3+1.2膜预张力; (5) 1.20恒载+1.40风载工况4+1.2膜预张力; (6) 1.20恒载+1.40风载工况5+1.2膜预张力; (7) 1.20恒载+1.40风载工况6+1.2膜预张力; (8) 1.20恒载+1.40风载工况7+1.2膜预张力; (9) 1.20恒载+1.40活载工况1+1.40 x 0.60风载工况3+1.2膜预张力; (10) 1.20恒载+1.40 x 0.70活载工况1+1.40风载工况3+1.2膜预张力; (11) 1.20恒载+1.20 x 0.50活载工况1+1.30水平地震+1.2膜预张力; (12) 1.20恒载+1.2膜预张力。

3.膜结构的裁剪分析应在初始平衡曲面的基础上在空间曲面上确定膜片间的裁剪线, 然后获得与空间膜片最接近的平面展开膜面。裁剪分析的曲面应是基于长期荷载作用的曲面, 膜面具有准确的边界及支承条件。确定膜结构的裁剪线可采用测地线法和平面相交法等, 通常采用测地线法。确定裁剪线时应考虑下列因素:裁剪线布置的美观性, 根据膜材幅宽尽量有效利用材料, 适应膜材正交异性的特点, 使膜材的纤维方向与计算的主受力方向一致。

4.本工程采用同济3D3S10.1钢结构—空间结构设计软件进行计算分析, 共划分为1583个计算单元, 杆件尺寸φ299x12—φ114x4, 计算简图如图3。该软件可对膜结构进行综合分析, 包括空间管桁架支撑体系结构计算分析, 膜面应力分布分析, 膜面积水分析等。

结构计算分析结果数据摘要如下 (表1, 表2, 表3, 表4, 表5) :

根据以上计算数据, 本工程满足设计要求, 膜支撑体系的受力状态稳定合理, 满足了建筑及结构的需求。

三、钢管柱与钢筋砼框架柱的连接

本工程看台为钢筋混凝土框架结构, 膜结构的钢管桅柱立于框架柱上, 根据计算结果, 柱脚最大支座弯矩出现在Y向不平衡风组合中, Mx=-848.613KN-m, Fz=197.768KN, 弯矩较大。钢管柱与钢筋混凝土柱间采用刚性固定柱脚, 除了传递竖向与水平荷载外, 还能传递弯矩。刚性固定柱脚主要形式有露出式柱脚、埋人式柱脚、插入式柱脚。插入式柱脚对钢管柱插入钢筋砼柱中较为常见, 受力直观明确, 插入的钢管柱中设置栓钉φ19@100, 由于钢柱插入, 钢筋砼框架梁钢筋需要穿过钢柱, 钢柱中需预留孔, 施工及钢柱位置校正比较复杂;露出式柱脚施工较为方便, 对钢结构柱的安装校正调平提供方便, 所以在膜结构的施工安装中百富策略白菜网较广泛, 本工程采用此形式的柱脚, 钢筋砼框架柱中预埋16根延周长均布的M48锚栓, 锚入钢筋砼柱内1400mm, 每根锚栓中设两块锚板。在钢柱吊装前, 将12厚找平板按设计要求调整好标高, 找平板调整完成, 其下空开区域和抗剪键调节槽内用不收缩高强度细石混凝土填实 (柱脚钢板圆心处中设φ80二次灌浆孔, 另延直径方向对称设两个φ150振捣孔) 。待细石混凝土强度达到设计要求时, 进行钢立柱吊装。柱脚节点示意见图4。

四、结语

本工程采用空间管桁架支承式膜结构, 类似树形仿生形态的结构, 符合建筑的造型美观需求及功能要求, 结构自重轻, 节省材料, 降低基础造价, 符合绿色建筑的理念。膜结构为空间结构, 结构形式较为复杂, 需借助空间结构计算软件进行分析, 对风荷载的取值分析尤为突出, 小型膜结构风荷载的选取, 可根据现行设计范并结合已有工程和试验资料综合选取。设计中要与建筑密切配合, 熟悉相关专业规范、计算理论, 对施工安装有所了解, 提高自身综合能力, 以便工程顺利进行。