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      單柱懸挑張拉膜機構雨棚結構的設計與分析
      2021-03-29

      膜結構雨棚作為一種造型簡潔多變、形態優美、輕盈通透、施工快捷方便的新型建筑結構融合體系,越來越得到建筑師及業主的青睞,特別是對于停車場雨棚、人行道、小品等部位。本文通過某單柱懸挑的張拉膜雨棚工程,對其全過程設計與分析進行詳細介紹與總結,包括膜材選擇、找形分析、荷載分析與設計。

             建筑專業在體育場館、入口廊道、小品、停車場雨棚等領域為了追求其造型自由、輕盈、通透、采光及綠色節能等的目的, 膜結構這種可以達到建筑與結構完美結合的體系應運而生。 膜材作為一種只受拉不受壓的高強度柔性薄膜材料與鋼材或其它硬支撐體系相結合,對膜面施加一定的預張力后可以形成具有一定剛度的曲面同時可以承受較大的外荷載的空間體系。 從結構形式上大致可分為骨架式、張拉式、充氣式等 3 種基本形式。 本文通過某單柱懸挑傘狀張拉膜停車場雨棚進行簡單的設計與分析過程介紹,本工程平面尺寸為 30m×7m 懸挑 6m,高 6.5m,采用骨架式膜結構與張拉 式(懸 挑 邊 采用索進行張拉封邊) 相結合的體系, 結構三維示意圖如圖 1所示。 

      2 初始態找形分析

      根據《膜結構技術規程》(CECS-158-2015)的 要 求,根 據建筑使用需求,所處環境,使用年限等條件,膜材應當 選用以下三種膜材:G 類(玻璃纖維基材、PTFE 涂層,俗稱 PTFE 膜)、E 類膜材(玻璃纖維基材、硅酮涂層),俗稱 ETFE 薄膜)、P 類 (聚酯長絲基材、PVC 涂層俗稱 PVC 膜)。 PTFE 膜具有耐久年限長(可達 25 年及以上)、自潔能力防污性高、透光率高等優點,但與 PVC 膜比較,材料費與加工費 高,且柔軟 性 低,綜 合考慮使用需求及經濟成本等因素后,本工程采用 PTFE 膜材,

      基本參數詳表 1。


      2 初始態找形分析

      根據《膜結構技術規程》(CECS-158-2015)的 要 求,根據建筑使用需求,所處環境,使用年限等條件,膜材應當選用以下三種膜材:G 類(玻璃纖維基材、PTFE 涂層,俗稱 PTFE 膜)、E類膜材(玻璃纖維基材、硅酮涂層),俗稱 ETFE 薄膜)、P 類 (聚酯長絲基材、PVC 涂層俗稱 PVC 膜)。 PTFE 膜具有耐久年限長(可達 25 年及以上)、自潔能力防污性高、透光率高等優點,但與PVC膜比較,材料費與加工費 高,且柔軟性低,綜合考慮使用需求及經濟成本等因素后,本工程采用 PTFE 膜材,基本參數詳表 1。

      通過數學分析可知,穩定的膜曲面為負高斯曲率面,最基本的單元為馬鞍形雙曲拋物面和錐形雙曲面。 因此膜初始態找形就是為了找到這樣一個穩定曲面, 當然還需滿足建筑造型及使用的需求。 對膜面施加預張力后,通過多次方程迭代求解后,盡量使得膜面的平衡曲面接近最小曲面,最終找到一個形狀合理、 應力分布均勻的曲面形態。 

      本工程膜面預張力為3MPa,封邊索預張力 30kN,通過多次最小應力曲面和平衡應力曲面找形后得到的結果如圖 2~圖 4 所示:結 果 表 明,膜面基本成馬鞍形態,可以滿足雙向受力,符合受力要求;膜面形狀沒有出現過多平坦區域,初步判斷膜面不會出現積水現象,當然這還需通過荷載態分析確定 ; 膜面應力水平從 3.07~7.60MPa,除傘狀頂部邊界處應力較大外,裁剪下料及施工時需對其適當加強構造處理,其它部位應力較為均勻,滿足受力需求。


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