鋼骨架索膜結構儲煤棚工程設計研究

曹 輝，許 濤，申金剛，王 浩，穆 明

(通用技術集團工程設計有限公司，山東 濟南 250000)

大、中跨儲煤棚常用空間網格結構、預應力空間網格結構、膜結構等，暫將膜結構之外的形式定義為“傳統結構”?！皞鹘y結構”的圍護形式大多采用輕鋼圍護，基本設計思路是分成主結構+圍護系統，圍護系統不參與主體結構計算，加之圍護材料較膜材容重大很多，故“傳統型結構”用鋼量不經濟。膜結構按其形式分為整體張拉式、骨架支承式、索系支承式與空氣支承式膜結構，或由以上形式混合組成的結構[1]。國外對膜結構工程應用已經很多，如德國柏林中央火車站[3]、美國愛荷華州威廉斯煤中轉處[2]、Gottlieb-Daimler體育場遮陽棚[4]等；國內膜結構研究及應用較晚，如大唐王灘電廠煤場封閉改造工程[3]、上海八萬人體育場[4]等。在體育健身設施、商業(yè)綜合體、文娛設施、公共交通設施及料場堆場方面，膜結構在世界各地得到廣泛應用，從最初的充氣膜形式過渡到現今的張力膜形式，國外的膜結構設計及膜材生產制造水平早已成熟且進入更深層的研究[5～11]，國內目前僅有少量的行業(yè)規(guī)程及地方標準，尚無全國統一的膜結構設計標準，因此相關領域的研究非常緊急且必要，膜結構外觀新穎、造價低、施工周期短、抗震性能優(yōu)越、利于環(huán)保[12，13]，集眾多優(yōu)點于一身的膜結構應用市場將越來越大。本文結合實際工程案例，研究骨架及膜的內力和變形，對比現有標準，期望對工程設計有所幫助并推動國內膜結構工程的應用。

1 膜結構選型

棗莊綜合物流園一期儲配煤項目1號儲煤棚占地長約470m，寬63m、跨度63m、建筑最高點約36m，采用骨架(鋼桁架)支承式膜結構。膜材被稱為第五代建筑材料[14，15]，該工程采用P類膜材，膜材強度等級選擇P6，膜材料參數見表1。 采用骨架支承式膜結構，膜材邊界約束均為剛性支撐[16]，綜合考慮拉索采用鋼拉桿(直徑20mm圓鋼)。

表1 膜材參數對比

2 膜結構計算

2.1 工程實算

工程項目所在地抗震設防烈度為7度、基本地震加速度0.10g、地震分組為第3組，基本風壓0.4kN/m2，基本雪壓為0.45kN/m2(雪壓取100年一遇)，恒載取0.06kN/m2(屋面有光伏)，活載根據規(guī)程取0.3kN/m2，自重軟件自動考慮。鋼桁架材料為Q355B，拉桿為Q235鋼(直徑20mm)，拉桿形成的交叉撐每開間均布置。采用上海同磊土木工程技術有限公司開發(fā)的3D3S Design V2021軟件，為了計算效率快，便于分析，本文僅考慮了恒、活、雪、左風工況及組合。因為是對比分析，限于圖幅每根鋼管規(guī)格的具體分布位置不再單獨顯示。鋼管規(guī)格見表2。

表2 材料表

2.2 膜面和支承結構的協同作用分析

不考慮膜面和支承結構的協同作用又分為兩種情況：其一，是膜面和支承結構各單獨分析，將膜面單獨分析的結果，也就是膜面單獨分析產生的支座內力施加于支承結構上，然后單獨分析支承結構的內力和變形，相當于把考慮膜面和支承結構的協同作用情形分成兩步驟單獨進行，各自分析；其二，分析時不考慮膜參與計算，僅將膜材重量施加于主結構上，進而對主結構進行計算分析。

因此，按照以下三種情況分析：①考慮膜面和支承結構協同作用(結果如圖1—圖6所示)；②不考慮膜面和支承結構的協同作用時，將膜面和支承結構各單獨分析(結果如圖7、圖8所示)；③不考慮膜面和支承結構的協同作用時，分析時不考慮膜參與計算(結果如圖9、圖10所示)。

對比①②情況下結果發(fā)現，初始態(tài)找形分析[1，17，18]時，無論是否考慮膜面和支承結構的協同作用，膜面的初始態(tài)最大主應力和初始態(tài)最大位移都很接近，尤其是初始態(tài)最大位移可以說沒有變化，而初始最大主應力的分布有所不同，應該是因為協同考慮時，支承結構的位移和變形影響了膜材內力的分布(圖1，圖2)。

圖1 考慮協同作用時初始態(tài)的膜最大應力

圖2 考慮協同作用時初始態(tài)的膜最大位移

不考慮協同作用時，軟件中將支承結構簡化為膜面的硬邊界約束在膜面上，相當于在膜面上添加了很多支座，這些支座即是對下部支承結構的簡化模擬，但是支座的剛度大小軟件中不好定義，這種“硬邊界”的約束剛度可能跟實際支承結構的剛度不同，進而支座約束的變形較實際支承結構也不同，膜材本身為非線性材料[1，19]，經緯向剛度也不同，這些因素均可能導致兩種情況下膜面上主應力分布的不同。而兩者的膜面初始態(tài)最大豎向位移基本沒有區(qū)別，分析認為在找形分析時，對膜面施加的預張力一致，而求解最小曲面時兩種情況下迭代次數接近，最終形成的膜面初始主應力的大小接近，雖然分布有所不同，但是從量的級別上是一致的，而膜面的豎向變形大小取決于在膜面內的初應力形成的剛度[20]，只要是膜面內的分布應力大小一致，最終膜的豎向變形就應該接近。

對比①②兩種情況對下部支承結構的影響，從實際計算結果看，兩種情況下，下部支承結構無論是位移、還是內力均基本沒有區(qū)別。因為單獨分析下部支承結構時，已經將單獨分析膜面時產生的支座內力提取出來，并將其作用在下部支承結構上，對下部結構沒有影響。由于分析下部支承結構時已經考慮了膜面產生的內力因素，這種情況下完全可以不考慮膜面和支承結構的協同作用對下部支承結構的內力和變形的影響，對上部膜面的影響尚應考慮。膜結構技術規(guī)程[1]對膜面的設計是從應力和變形兩個角度控制設計，要求承載力極限狀態(tài)設計時膜面的最大主應力不得大于規(guī)定值，以防止膜面強度破壞；在第一、二類荷載效應組合下，控制膜面的變形，防止膜面出現松弛或松弛帶來的影響不致過大。從這兩個角度出發(fā)，對于不考慮膜面和支承結構協同作用的第一種情況(將膜面和支承結構各單獨分析)，即使初始態(tài)情況下，膜面的初始最大主應力分布有很大不同，但從荷載態(tài)的膜面最大和最小主應力及膜面在承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的變形來看，都是符合規(guī)范且兩者結果接近(圖3—圖6)。

圖3 考慮協同作用時荷載態(tài)的骨架豎向位移

圖4 考慮協同作用時荷載態(tài)的骨架水平位移

圖5 考慮協同作用時荷載態(tài)的膜位移

圖6 考慮協同作用時骨架的應力

對比①③兩種情況發(fā)現，兩種情況下的骨架豎向位移基本上是一致的，兩個模型的主桁架鋼管規(guī)格一致，次桁架規(guī)格考慮“膜面和支承結構協同作用”的鋼管直徑更大，考慮協同作用的鋼管內力的絕對值更大，尤其是縱向次桁架的內力增加更多，且考慮了協同作用后，桁架每個開間均設置了交叉撐，否則計算結果基本沒有收斂的可能性。從桿件內力來看，考慮膜面和支承結構協同作用時，在找形階段相當于給支承結構施加了預壓力，這種初始預張力給桁架桿件內力分布帶來的影響類似恒載工況單獨作用產生的內力分布，其產生的內力值甚至是桿件組合內力值的10%～18%左右，對結構的影響不可忽視，同時對主桁架還將產生面外拉力，此拉力或是導致交叉支撐每開間都存在的必要條件，也對次桁架產生了附加壓力，使次桁架桿件規(guī)格增大，尤其端開間的次桁架規(guī)格增大更嚴重。綜上，不考慮膜面和支承結構協同作用時，不考慮膜參與計算的情況下，支承結構的桿件(尤其是縱向的次桁架)偏于不安全，應引起重視(圖7—圖10)。

圖7 不考慮協同作用時的膜初始態(tài)最大應力

圖8 不考慮協同作用時的膜初始態(tài)最大位移

圖9 不考慮協同作用時骨架的最大豎向位移

圖10 不考慮協同作用時骨架的最大水平位移

3 結 論

1)整體考慮膜面和支承結構協同作用對支承結構內力和變形的影響，膜面的預張力使支承結構桿件內力增大約15%，對桁架弦桿的不利影響大于腹桿。

2)不考慮膜面和支承結構協同作用時，不考慮膜參與計算的情況下，支承結構的承載性能存在隱患。

3)應整體考慮膜面和支承結構協同作用對膜面的影響，可能對膜面的初始應力分布影響很大。

4)分析時未進行膜裁剪分析，也未考慮膜材的初始預張力的施工方式，針對膜材剛度的大小依靠張力提供的特點，即使設計階段將膜面和支承結構進行整體分析，施工階段如何恰好地實現設計設定的預張力，后續(xù)研究應就設計及施工通盤考慮。