膜结构(5)－案例剖析

膜结构案例分析Case Study of Membrane Structures威海体育场Weihai Stadium, China, 200211. 工程简介威海体育场占地面积约40000m2，可容纳观众3万人。看台为钢混框架结构，看台挑蓬为张拉式膜结构。2体育场看台挑篷由34个连在一起的形状渐变的单桅杆伞形膜结构单元组成。挑篷水平投影呈椭圆形，外围轮廓尺寸237209m，内环尺寸205143m，覆盖面积约25000m2。3挑篷整体呈马鞍形分布，东西（椭圆短轴方向）两端高，南北（椭圆长轴方向）两端低。最高处桅杆顶标高40m，最低处桅杆顶标高23m。4最大膜单元位于东西两端，悬挑长度约30m；最小膜单元位于南北两端，悬挑长度约17m。5膜单元由桅杆、脊索、谷索、边索和薄膜等构件组成。6中央内环是由椭圆柱面和鞍形曲面相交形成的空间曲线，从受力上看属浮动拉环，它是连接各膜单元协同工作的重要构件，直接关系到整个全张拉体系的成形。7 两项主要技术措施：将中央内环设计为圆钢管劲性拉环按照国外一些已建成结构的做法，中央内环多采用柔性拉索体系。但是考虑到国内在索结构方面的施工经验远不如钢结构那样丰富，且采用钢结构将为灯光、音响、马道等附属设备在内环上的安装带来方便。所以本设计采用大直径圆钢管作为中央内环。尽管圆钢管的刚度要比索大得多，但对于如此大的尺度而言（总长550m），内环仍然是相当柔性的，因此称之为“劲性拉环”。8 两项主要技术措施：增加了一套完全独立于膜单元的拉索体系在每个桅杆的顶端还设有三根拉索，其中两根与看台相连，一根与中央内环相连；另外设环向拉索将34根桅杆的顶点连成一体。92. 风洞试验鉴于该挑篷结构外形复杂，且威海又是沿海强风多发地区，故在设计前对其可能遭受的风荷载进行系统的风洞模拟实验，是十分必要的。试验在某大气边界层风洞中进行。模型几何缩尺为1:200。101 22考虑到看台挑篷为开敞式结构，其上下表面均受到风荷载的作用，所以在模型上下表面均布置了测压点。选取15m/s、20m/s、25m/s三种实验风速，模拟B类地貌，近地湍流度10%。试验中，模型固定在试验段底板的转盘上，每隔15测一次，根据模型对称性，可得到090范围内7个风向下的模型上下表面风压值。各测点的无量纲风压分布系数为：C pi = ( Pi P ) / v11-0.33.5-0.3.3-0-0.-0-0.7-0.3-0.70.50.10.1-0.7-0.3-0.00.3-0.00.30.5-0.5-0.3-0.5-0-0.7-0.8.2-0-0.5-0.3.8-0.5-0.5-0.3-0.5-0.7-0-0.5.00.1-0.7-0.3-0.2-00.5.3-0.20.3-000.1-0.8-0.310.-0.7-00-0.-0.5.2-0.2-0-0.20.1 -0.5-00.230.32-0.2323312-0.5P0.60.50.30.1P0.60.50.30.1-0.0-0.2-0.3-0.3-0.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.8-0.5-0.5-0.3-0.5-0.7-0.8-0.30.10 -0.50.3-0-0.3.8-0.5-0.2 0.0-0.8-0.50.0.2-0.30.1-0.0-0.7-0.3-00风向30风向-0.3-0.3P0.60.5-0.3-0.0-0.3P0.60.5-0.0-0.0.30.1-0.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.8-0.2-0.-0.30.30.1-0.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.8-0.5-0.3-0.0-0.-0.360风向90风向小结迎风一侧的伞单元所受的风荷载较大，且单元内的风压变化梯度较大；而背风一侧由于受到迎风侧膜单元的阻碍，来流的流速有所降低，所以风压值较小，且单元内的风压变化梯度相对平缓。正压区主要出现在迎风侧单元的迎风面上，最大正风压分布系数约为1.2左右，30风向下的正压区面积最大，90风向角下的正压区面积最小。模型的绝大部分表面承受风吸力的作用，平均负压值约为-0.4左右，主要位于靠近中央内环的膜表面上。133. 结构计算应用非线性有限元程序对该挑篷膜结构的初始形态和不同荷载作用下的结构响应进行分析，得到结构在不同工况下的位移、内力和支座反力。计算结果表明，风荷载是结构设计的主要控制荷载；绝大多数构件在0风向（椭圆短轴方向）下的内力最大。中央内环的最大位移10cm，膜最大位移60cm。以上结果是在对多种不同的索膜分布形式和初始预张力设定值进行反复试算后的优化方案结果。14通过内力组合找出最不利内力情况，确定主要构件尺寸为：桅杆规格为56012mm，内环钢管规格为95020mm，上下拉索规格为44mm。膜材选用聚酯织物表面涂覆PVC外加PVDF面层。154. 节点设计柱脚节点16内环连接节点1718膜顶部节点混凝土梁端部连接节点194. 施工安装本工程施工的主要难点在于： 中央内环的现场成形和吊装就位； 由于拉索的预张力与中央内环的形状是相互影响的，因此在施工中必须对内环与前后拉索的初始预张力进行监控，以保证整个结构体系按要求成形。20针对上述问题，制定具体施工方案如下：（1）中央内环的地面组对拼装内环在工厂预制后，分段运至施工现场，在设计的提升点依设计线形搭设拼装胎架，对内环钢管组对拼装焊接成形。（2）桅杆安装在地面进行桅杆钢管的组对拼装和桅杆顶端的索头连接，然后对桅杆进行单点提升，将桅杆底端与支座销接；将后拉索牵拉至看台混凝土斜梁的锚固点上，与固定耳板进行销接固定；前索用缆风绳固定，并将桅杆间的环向拉索销接，以保证桅杆的稳定性。21（3）内环的垂直整体提升、就位首先在场地内沿内环用扣件钢管搭设了18个近30m高的独立塔架提升平台，然后将18台牵引力为600kN的YC60型连续提升千斤顶分别安放在提升平台架顶部，利用垂直吊索对内环进行同步垂直牵引提升。在提升至设计安装高度以上约200mm时，逐一安装前拉索和下拉索，全部完成后，千斤顶同步回落，使钢管环梁自然绷紧；为了保证内环梁的形状准确，必要时可对长轴端部的下拉索微调。22(1)(2)23为保证内环整体提升的同步性，避免内环钢管的变形过大，施工中将相邻提升点的不同步性控制在50mm以内。按照这一标准对内环的整体提升过程进行有限元模拟。分析结果表明，当某一提升点发生较大位移时，垂直吊索的拉力由理想状态的146kN增加到不同步位移的171kN，内环钢管中由于弯矩所增加的应力仅为0.04Mpa。可见，由于钢管内环的相对柔性，不同步位移对结构整体的影响较小。24此外为防止提升过程中因塔架基础不均匀下沉、突遇横向风引起晃动等因素导致塔架的不稳定，另设置防支架倒塌的安全钢绞线索。索的上端与桅杆顶连接，下端与内环钢管连接，在提升过程中钢绞线在吊重的牵引下保持收紧状态。经计算表明，每一斜拉点最大的斜向拉力为200kN左右，两根钢绞线的合计承载力约500kN，有一定的安全储备。25（4）膜单元脊索、谷索和边索的安装在拉索安装后，整体挑篷结构的支承体系已形成。围绕膜顶环搭设安装支架；安装脊索并将裁剪热合后的膜块与各脊索连接；将脊索和边索固定；初步固定各膜单元间的谷索；按对称循环分布提升膜顶套环的原则对膜施加预张力。在分布提升过程中，不断地调整相邻桅杆间的谷索张力，直至各单元膜面张紧，光滑无褶皱。26(3)(4)27挑篷结构的折合用钢量仅为22kg/m2，达到了很好的技术经济指标。28