膜结构建筑造型新颖, 极富时代气息, 因此在各地广场的结构小品和大型体育场馆、展览场馆、展厅等大空间结构建设中得到了广泛的百富策略白菜网。但在膜结构的设计、建造过程中, 从造型设计、材料选用、构件设计、细部构造设计、裁剪设计, 到加工制作、安装张拉以及建成后的使用维护等等, 每一步骤中的错误或疏忽, 都有可能影响到工程的质量, 埋下事故的隐患, 其中设计的失误更具隐蔽性和危害性。这里即有一膜结构工程受雪荷载破坏的例子, 该工程位于郑州某地, 是一露天舞台的罩棚, 膜面展开面积420 m2。本文采用了同济大学3D3S-V10软件进行计算分析, 探讨该膜结构破坏的原因, 以期对类似工程的设计提供借鉴。

该膜结构支撑体系由两个相距18.5 m的桅杆和周边的锚固点组成, 前端两个锚固点是两个钢结构的三角架, 后端锚固点由混凝土框架结构提供, 钢桅杆底部固结连接在基础上, 桅杆与前后锚固点通过钢索连接成稳定的结构体系, 2009年1月膜结构边索滑脱, 膜被大风刮破, 于同年3月更换膜材修复, 并在屋顶增加了一个支点。整个膜结构体系 (见图1) 。2009年11月中旬郑州大雪 (积雪厚度达32 cm) , 该膜结构又被积雪压垮, 如果雪容重取1.3 k Nm/3, 则雪荷载为0.416 k Nm/2, 超过荷载规范规定的0.4 k Nm/2约4%, 虽然气象部门称这是郑州50年一遇的大雪, 但该结构的暴露出来的设计问题也应引起大家的重视。膜结构破坏后的照片 (见图2) 。

计算模型不考虑钢结构和膜共同作用, 仅计算膜结构, 计算模型见图3, 计算分不考虑雪荷载堆积 (情况1) 和考虑雪荷载堆积 (情况2堆积系数2.0, 堆积区域分布见图2.1所示) 两种情况。

计算采用的膜材参数见表1。

按《膜结构技术规程》 (CECS158:2004) 5.3.3条:

式中:f—对应于最大主应力方向的膜材抗拉强度设计值;

fk—膜材抗拉强度标准值;

ξ—强度折减系数;对处于一般部位的膜材ξ=1.0;对处于连接节点处和边缘部位的膜材ξ=0.75;

γR—膜材抗力分项系数, 对第一类荷载效应组合γR=5.0;对第二类荷载效应组合γR=2.5。

由此得膜材的强度设计值:

第一类荷载组合:径向16.8 k Nm/, 纬向16.4 k Nm/;

第二类荷载组合:径向33.6 k Nm/, 纬向32.8 k Nm/;

荷载包括结构自重、预应力、雪荷载和施工荷载, 所有活荷载按照50年一遇取值。膜材自重0.01 k Nm/2, 雪荷载按照荷载规范取值0.4 k Nm/2;由于本次是考虑雪荷载对膜的破坏, 所以没有考虑风荷载, 预张力取值:膜经纬向均为2.5k Nm/, 前端边索50k N, 前侧边索29 k N, 后侧边索18 k N, 后端边索21 k N。计算考虑以下组合:

(1) 1.2 (恒载+预应力) +1.4雪荷载

(2) 1.0 (恒载+预应力) +1.0雪荷载

按甲方提供的膜结构形状, 确定的膜结构初始应力状态如图4所示, 在给定形状的前提下, 膜面的初始预张力是不均匀的, 靠近桅杆节点的膜面最大主应力比较大, 达到7.57 k Nm/。

膜面等高线见图5, 整个膜面的中部比较平坦, 膜面坡度≤100, 下雪时积雪不易滑下, 从而产生局部雪的堆积, 造成屋面局部荷载集中, 加之降雪后气温很低, 膜材本身会冷缩并变得脆硬, 膜面适应应力重分布的能力降低, 易发生撕裂。

按《膜结构技术规程》 (CECS158:2004) 表3.3.5, 组合1为第一类荷载组合 (长期荷载组合) , 膜材在第一类荷载组合下的强度设计值为:径向16.8 k Nm/, 纬向16 k Nm/, 情况1和情况2荷载组合1作用下膜面的应力分布分别见图6和图7, 情况1膜面最大主应力为55.61 k Nm/, 情况2膜面最大主应力为66.6 k Nm/, 比情况1增加了20%;情况1最小主应力为19.1 k Nm/, 情况2最小主应力为22.1 k Nm/, 比情况1增加16%, 两个主应力方向均有膜单元应力超过膜材设计强度, 主要分布在膜顶桅杆连接节点周边, 从整个膜面应力分布来看, 在桅杆区域已经形成了应力集中的现象。

根据相关的膜材强度试验研究, 膜在双轴受力状态下 (膜材应力方向见图8) 的破坏强度较之单轴受力状态下破坏强度折减程度较多, 双轴强度仅达到单轴强度的50%左右, 所以在组合1作用下, 膜顶桅杆连接节点处是结构的薄弱点, 节点设计时应该对该区域采取有效的补强措施, 但设计时未采取相应措施。

膜结构在组合2荷载作用下, 情况1竖向最大位移为939 mm, 情况2竖向最大位移为1 029 mm, 比情况1大了9.6%;从位移图和等高线图可以看到, 在膜面中前部形成比较大的积雪区域 (见图9和图10) 。造成这种现象的原因是在膜结构建筑设计时考虑不周, 在雪荷载比较大的地区, 应采用较大的膜面坡度和必要的防积雪措施 (《膜结构技术规程》 (CECS158:2004) 第3.2.7条) 。在找形时避免出现大面积的扁平区域, 曲面上出现大面积的扁平区域, 意味着曲面的自然刚度低, 承受竖向荷载的能力弱, 容易积水或积雪;为了增加扁平区域曲面的刚度, 需要给曲面施加非常大的预应力, 这就会导致作用于边界构件上的力很大, 甚至无法实施。

实际结构中, 施工方在两根桅杆之间的膜面下设置了脊索, 但未设置索套 (或采取其他形式) 将脊索与膜面联系起来, 在受荷载变形时, 膜面可以沿着脊索滑动, 两者变形不协调, 极大地削弱了脊索对膜面的补强作用 (见图11) 。

通过以上计算分析可知, 其设计方面的不合理可归结为以下几点:

(1) 膜结构建筑设计不合理, 在雪荷载比较大的地区没有考虑合理的坡度和必要的防积雪措施, 膜面有比较大的平坦区域, 容易积雪, 造成结构安全事故;

(2) 在恒荷载和雪荷载承载力组合下膜面在桅杆连接节点处是应力集中的区域, 两个主应力方向拉应力均超过膜材的设计强度 (根据相关试验研究的结果, 膜材在双向拉应力下的抗拉强度比单向拉伸强度要小50%左右) , 且在节点处没有采取有效的补强措施;

(3) 脊索对膜面有补强作用, 但由于没有设置索套, 膜面会顺着脊索滑移, 削弱了脊索对膜面的补强作用。