膜结构是以性能优良的织物为材料, 利用柔性拉索或刚性骨架将膜面绷紧, 从而形成具有一定刚度并能覆盖较大空间的结构体系。它是一种预应力空间结构, 将结构支撑与建筑围合部分结为一体, 充分发挥膜材料的承载力和张力曲面的固有特性, 从而在建筑造型方面体现出一种具有自然形态美的外观。某中学运动场看台顶棚的建筑方案就采用了张拉膜造型设计, 现就该看台膜结构罩棚设计以及一些技术处理方法作一简要介绍, 供同行参考。

某学校运动场为400m标准跑道设计, 看台为单侧设置, 看台全长115.2m, 其中观众席长96m (24×4m=96m) , 为5级台阶;主席台长18m (3×6m=18m) , 为3级台阶, 6m进深。校方要求结构经济实用, 外观整体效果要有动感和美观、新颖, 符合学生青年的审美观, 为此经方案比较, 最终采用了两层阶梯式混凝土框架结构看台上加伞形索膜罩棚的设计方案, 如图1所示。

结构选形是膜结构工程设计的第一步, 属于结构概念设计, 因此需与建筑师的建筑方案紧密配合。基于对各种结构体系与材料的基本受力特性、经济性、安装制作难易程度等综合考虑, 创作出合理、美观、经济的结构形式。结构选形阶段需要确定以下内容: (1) 膜的形式与材料类型; (2) 支承体系与材料类型; (3) 主要节点构造、制作工艺和安装方法等。本工程结构选形阶段重点考虑膜的形式要达到建筑方案造型效果, 并按照CECS 158∶2004《膜结构技术规程》3.1条的相关技术条文, 确定罩棚采用骨架式支承膜结构方案。由钢管构件作为承重骨架, 在骨架上布置按设计要求张拉成形的膜材, 从而构成一个膜结构罩棚整体。

膜形式 (造型) 经与建筑设计效果比较、协调, 采用正锥形 (伞状) 双曲面膜单元, 平面形状为矩形, 分别为8m×8m (观众席) 和6m×9.8m (主席台) , 如图2。

锥形膜采用桅杆支撑, 拉索悬吊, 采用正锥形膜形式除了满足建筑设计效果要求外, 从受载方面考虑, 正锥形有利于抗风和承受较小的活荷载, 适合空旷场地风力较大的环境。

膜材料选用根据《规程》4.1.4条, 结合膜材使用基准期、钢构件支承体系设计年限要求, 确定本膜结构的设计使用年限为15～20年、膜材质量保证期为10～15年, 因此选用P类别代号PCF, B级膜材, 即为基材 (聚酯纤维) 、涂层 (聚氯乙烯PVC) 、面层 (聚偏氟乙烯PVF) 的复合膜材。

本工程支承体系采用刚性骨架式支承体系, 采用三角形截面管桁架构件作为基本单元, 如图3。三角形管桁架采用变高截面, 截面高度由支座根部向外端逐渐减少且前端上仰5°, 使其产生良好的视觉效果, 并节省钢材用料。主席台前悬挑8m, 后悬挑1.8m, 柱距6m, 由4榀桁架单元以及前后端连接薄壁小桁架组成, 后悬挑增设向下斜拉杆, 构成整体空间受力体系。观众席前悬挑6.6m, 后悬挑0.9m, 支座立柱、柱距8m;由7榀桁架单元、连接小桁架、后悬挑向下斜拉杆等构成整体空间受力体系, 对称布置在主席台两侧。受力体系单元平面如图4。

支承体系的三角形管桁架及相关构件材料采用普通型钢为主材, 包括无缝钢管、槽钢、角钢等, 截面尺寸通过强度计算确定。

节点细部设计是膜结构工程设计最重要的技术环节, 构件与节点设计应充分考虑材料的采购、制作难易度、安装和维护便易性以及美观性, 其中构件节点设计重点考虑的是受力安全和良好的连接功能。

本罩棚膜工程由于采用刚性骨架支承体系, 张拉膜主要作为顶部遮盖功能构件, 不参与支承体系的受力, 因此主要膜节点构造相对较少, 主要有:膜柔性边界节点、膜刚性边界节点、膜角隅节点和膜顶节点等。膜材的节点构造应由专业的膜公司进行大样设计并对工厂制作加工过程进行监督检查。管桁架 (刚性支承体系) 的主要节点有支座刚性连接节点、斜拉杆预埋连接节点以及管件相贯口节点等, 其中管件相贯口节点是本工程中的一个主要技术问题。在相贯节点中, 相贯线是不断变化的空间曲线, 同一相贯口的坡口间隙也随之变化, 施工过程中不可避免地存在制作安装误差、导致相贯口位置间隙过大, 需要进行处理;而处理方法在相关规范中未有明确要求, 本工程根据经验采取以下处理办法:对于相贯口间隙超过8mm的节点, 更换相贯口或对局部区域进行不小于300mm长的椭圆形补块, 要求打坡口焊接。对所有更换相贯口或补块位置, 当壁厚≥8mm时要求UTⅠ级探伤, 当壁厚<8mm时需打坡口焊接并进行探伤检测, 确保相贯口焊接质量。管桁架制作与安装应严格按照《钢管桁架结构制作与安装施工工艺》规程要求执行。本工程管桁架根据现场条件、工期要求等因素, 采用工厂制作加工、现场地面拼装、整体吊装的施工方法。

膜工程节点设计涉及到膜专业公司 (膜节点设计) 、建筑专业 (罩棚的防水、排水、防腐处理) 、结构专业 (支承体系与主体结构连接方式、受力传递和整体安全稳定) 、钢结构专业制作安装公司 (节点深化设计) 等, 因此需要各专业设计人员紧密配合, 不断优化设计, 才能较好地完成整个工程项目。

包括找形分析、荷载分析和裁剪分析共3个阶段, 其中找形分析是基础, 荷载分析是关键, 裁剪分析是目标。

工程师百富策略白菜网专业软件对膜建筑形式和概念设计进行数值分析, 通过找形分析确定合理的曲面参数、预张力等, 并发现不良受力点和影响使用的缺陷形态点, 保证在任何外荷载作用下, 膜结构内任何一点的两主应力不应同时小于零 (褶皱) 。本工程通过找形分析膜单元前硬压边与膜顶圈之间的中间区域存在积水问题, 经优化设计将前悬臂硬压边改为索软边, 使该区域形成排水曲面, 消除积水区域, 如图5。

主要确定荷载类型、相关取值及参数, 荷载类型包括风荷载、雪荷载、预张力、自重、活荷载、施工荷载等, 其中风荷载、雪荷载、预张力一般为膜结构设计控制工况荷载。本工程荷载工况为:预张力、活荷载 (0.3kN m2) 、风荷载 (吸) 、风荷载 (压) 、自重共5种荷载工况组合。

关键是初始曲面的确定。裁切分析的曲面应是基于长期荷载作用下的曲面, 膜面具有准确的边界和支承条件, 合理的膜面布置, 以此作为裁剪设计分析的初始曲面, 裁剪设计是在“初始曲面”上确定裁切线, 将空间曲面划分为膜片, 并展开为平面形状的过程, 一般采用测地线法。

本工程支承体系采用空间管桁架体系, 由三角形截面管桁架单元组成整体空间体系。百富策略白菜网计算机软件对构件强度构件整体稳定与局部稳定进行设计计算, 在桁架整体稳定计算时, 圆管柱脚处产生较大的弯距作用, 对框架混凝土柱顶 (圆管柱脚底面标高) 受力产生不利影响, 其原因主要是看台布置靠近建筑红线, 桁架后悬挑伸出长度受限制, 造成前后力矩相差较大, 因此在桁架后端设置了向下刚性斜拉 (压) 杆来平衡力矩 (如图6) , 使支承体系处于较好的稳定状态。但在进一步受力分析中发现斜拉杆设置后斜拉杆下锚点处于混凝土框架柱中部, 对柱中部产生不利的拉拔受力作用;另一方面, 由于斜拉杆下锚点较靠上, 斜杆因垂直夹角较大而产生一定的水平分力, 难以充分发挥拉杆的材料受力性能。为此, 需要对构件布置作进一步优化, 经与建筑专业协调, 调整了看台后的人行通道位置, 增设斜拉索至桩承台面 (如图7) , 在风荷载吸压不同的工况作用下, 由拉索和刚性拉 (压) 杆分别承受拉力和压力作用, 对框架柱则不再产生不利的拉拔作用, 使整个混凝土结构体系和膜支承体系均处于较合理、稳定的受力状态。结构分析阶段是一个发现问题持续改进优化的过程, 需要各专业相互配合, 在保证建筑方案基本不变的前期下, 通过优化设计使工程项目达到方案效果好、结构受力安全可靠、经济性合理的设计目标。

膜结构一般涵盖膜、钢索、支承体系、锚固系统等, 涉及诸多专业, 是一项相对复杂的综合性工程。就本工程而言, 它包括了正锥形膜罩顶、拉索、三角形截面管桁架支承体系、混凝土柱顶锚固支座等主要设计内容。通过对工程设计过程的总结, 我们体会到:虽然膜结构设计可使用计算机软件作为各设计阶段的分析手段, 并由各专业公司进行深化设计, 但由于各功能系统要有机统一在建筑方案效果之中, 在此原则下, 作为结构工程师就需要了解这些不同系统的基本计算理论、规则及技术关键点, 准确理解相关的规范规程, 并在具体工程设计中提出合理的设计原则, 这样才能有效配合专业公司开展深化设计工作, 避免出现各专业图纸不配套、设计图反复修改、项目效果不理想的弊端, 从而有效提高结构工程师对于膜结构这类综合性工程的设计水平。