陳虹麗

(1.福建省建研工程檢測(cè)有限公司，福州 350008；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350025)

膜結(jié)構(gòu)從20 世紀(jì) 90 年代開始在我國(guó)推廣，以其獨(dú)有的優(yōu)美曲面造型，給建筑提供了更大的可視空間和使用面積，因而廣泛地運(yùn)用于體育建筑、商場(chǎng)、展覽中心等大跨度建筑中。既有膜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定需求也隨之增加，膜結(jié)構(gòu)骨架作為膜的支承體系，其承載能力鑒定是膜結(jié)構(gòu)鑒定的重要內(nèi)容。現(xiàn)以實(shí)際工程為例，探討膜結(jié)構(gòu)骨架承載能力鑒定的要點(diǎn)。

1 工程概況

所舉膜結(jié)構(gòu)為某表演場(chǎng)屋蓋，采用的是傘形骨架式膜結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)矢跨比約為1/5。該骨架由18榀沿環(huán)向布置的曲線型平面主桁架和多道環(huán)向桁架連接而成。每榀主桁架通過鋼管柱單點(diǎn)支承于看臺(tái)基礎(chǔ)或附屬用房的鋼筋混凝土柱頂。

屋蓋鋼骨架軸測(cè)圖見圖1，軸線示意圖見圖2。因鑒定時(shí)膜片及圍護(hù)系統(tǒng)等均未施工，故僅對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)骨架支承體系承載能力進(jìn)行檢測(cè)鑒定。

2 檢測(cè)、鑒定要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量檢測(cè)

骨架式膜結(jié)構(gòu)是由自身封閉穩(wěn)定的骨架體系與膜材共同組成的結(jié)構(gòu)受力體系，該體系除索網(wǎng)及膜張拉外，其骨架部分的檢測(cè)與常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)基本相似。應(yīng)重點(diǎn)檢查構(gòu)件的截面尺寸、結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的工作狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造及焊縫施工質(zhì)量等，其中鋼材的焊接質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)的重要環(huán)節(jié)。

此外，鋼骨架不僅作為膜的固定邊界，更主要是提供給膜一定的曲度，使膜具有一定的剛度。因?yàn)槟っ孀陨碜鳛檐洑んw是不能抗彎的，只能靠薄膜面的曲率變化，引起膜表面內(nèi)力重分布來抵抗作用于膜面的外荷載。因此膜在支承體系上的支承點(diǎn)位置對(duì)膜的初始形態(tài)、應(yīng)力的平衡水平及最終變形形態(tài)影響較大，是膜結(jié)構(gòu)鑒定不可忽略的一點(diǎn)，對(duì)于骨架式膜結(jié)構(gòu)則需要測(cè)量鋼骨架的曲線線形。

2.2 承載能力鑒定

常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)的承載能力鑒定分析基本為荷載效應(yīng)分析，而膜結(jié)構(gòu)承載能力分析包括初始形態(tài)分析、荷載效應(yīng)分析和裁剪分析三個(gè)階段。

初始形態(tài)分析主要是確定在滿足一定初始應(yīng)力分布條件下，膜結(jié)構(gòu)在自平衡狀態(tài)下的幾何形狀。荷載效應(yīng)分析是在初始形態(tài)分析確定的幾何形態(tài)和預(yù)張力的基礎(chǔ)上，計(jì)算荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移。裁剪分析主要是計(jì)算確定預(yù)張力影響下膜材的裁剪線[1]，將空間膜曲面適當(dāng)剖分并展開為平面。該工程膜面尚未施工，故僅考慮膜面預(yù)張力及膜面荷載的影響，即考慮膜與骨架的共同工作，但不對(duì)膜面本身進(jìn)行分析。

3 現(xiàn)場(chǎng)主要檢測(cè)內(nèi)容及結(jié)果

根據(jù)上述檢測(cè)鑒定要點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)開展的主要檢測(cè)項(xiàng)目及結(jié)果如表1所示。

表1 主要檢測(cè)/檢查項(xiàng)目及結(jié)果匯總

4 驗(yàn)算分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查數(shù)據(jù)，結(jié)合本工程施工圖紙資料，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算分析。

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙，本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限按15年考慮，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。模型采用整體式建模，即考慮鋼骨架與膜材間的相互作用,桁架上、下弦桿之間按剛接考慮,腹桿與弦桿及相鄰桁架間的連接視為鉸接,鋼柱腳設(shè)為固定支座,且不考慮下部鋼筋混凝土支承結(jié)構(gòu)的影響。

4.2 找形分析(初始形態(tài)分析)

膜結(jié)構(gòu)找形的目的是為在滿足邊界條件和預(yù)張力自平衡的前提下，使膜面各處剛度盡量均勻，曲面盡量光滑、美觀并利于排水。最優(yōu)膜面的曲面叫做最小曲面，其上應(yīng)力處處相等，膜面剛度最均勻且面積最小。而實(shí)際工程中，受邊界條件限制，大多數(shù)膜結(jié)構(gòu)無(wú)法找到最小曲面，只能找到一個(gè)應(yīng)力相對(duì)均勻且自平衡的曲面。

膜結(jié)構(gòu)找形分析的主要方法包括物理模擬法、力密度法、動(dòng)力松弛法和非線性有限元法。目前，應(yīng)用最多的是力密度法(如EASY、Forten32等專用設(shè)計(jì)軟件)[2]和非線性有限元法(如3D3S，ANSYS等通用軟件)。

工程采用非線性有限元法的找形方法，膜單元采用三角形常應(yīng)力單元,假設(shè)膜單元節(jié)點(diǎn)與桿件單元節(jié)點(diǎn)重合且變形協(xié)調(diào)。經(jīng)找形，單元經(jīng)向預(yù)應(yīng)力在2.139～2.172 MPa之間，緯向預(yù)應(yīng)力在2.023～2.052 MPa之間，應(yīng)力較均勻，且接近原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力值2.0 MPa。表明該工程(2)軸環(huán)向桁架以外的主桁架線形變化對(duì)膜面預(yù)張力應(yīng)力水平影響較小。

4.3 荷載效應(yīng)分析

工程進(jìn)行荷載效應(yīng)分析時(shí),考慮了以下荷載及作用:恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、預(yù)張力、地震作用以及溫度變化的影響等[3]。

膜結(jié)構(gòu)是風(fēng)敏感結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要荷載，在確定風(fēng)荷載時(shí)需要確定兩個(gè)重要的參數(shù),即風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)載體型系數(shù)。

該工程風(fēng)荷載按15年考慮，基本風(fēng)壓取0.45 kN/m2，地面粗糙度取B類；屬于形狀較為簡(jiǎn)單的骨架式膜結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)取1.5，以考慮風(fēng)動(dòng)力效應(yīng)[1]。

《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄A給出了典型膜結(jié)構(gòu)風(fēng)載體型系數(shù)，其中傘形膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)載體型系數(shù)分區(qū)如圖3所示。根據(jù)圖示，該體型系數(shù)分區(qū)在沿矢高方向曲率較為一致的張拉膜結(jié)構(gòu)中較為適用，而該工程(2-3)軸環(huán)向范圍內(nèi)膜面曲率最小，越往內(nèi)曲率越大，到頂部時(shí)出現(xiàn)反向曲率，膜面曲率變化較大，沿用附錄A的系數(shù)顯然不符合實(shí)際受力特點(diǎn)。

故工程風(fēng)載體型系數(shù)采用按區(qū)域劃分的方法[3,4]：沿環(huán)向每四榀主桁架(圓心角約80°)、沿徑向每個(gè)環(huán)向桁架間為一個(gè)區(qū)域，并結(jié)合結(jié)構(gòu)矢跨比對(duì)各迎風(fēng)面區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的風(fēng)載體型系數(shù)，背風(fēng)面采用統(tǒng)一的體型系數(shù)。同時(shí)考慮到工程為非完全中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，不同風(fēng)向角的影響明顯，故建立多個(gè)風(fēng)荷載互斥工況，每隔兩榀主桁架旋轉(zhuǎn)一次迎風(fēng)面(轉(zhuǎn)角約40°)，以此考慮風(fēng)向角變化的影響。同一個(gè)風(fēng)向角情況下，風(fēng)載體型系數(shù)分區(qū)如圖4～圖8陰影部分所示。

4.4 骨架結(jié)構(gòu)承載能力分析結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和工程施工圖紙，采用通用設(shè)計(jì)軟件，完成結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)分析及荷載效應(yīng)分析后，對(duì)支承骨架結(jié)構(gòu)各桿件及連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，結(jié)果如下：

1)鋼立柱及主桁架構(gòu)件承載能力滿足規(guī)范要求。

2)環(huán)向桁架中(2)-(T-A)、(2)-(E-F)軸環(huán)向桁架存在10根上弦桿平面內(nèi)穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，最大效應(yīng)抗力比為1.41。其余環(huán)向桁架構(gòu)件承載能力均滿足規(guī)范要求。

3)桁架節(jié)點(diǎn)承載能力基本滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

對(duì)于膜結(jié)構(gòu)的鑒定，首先應(yīng)從結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)出發(fā)，在常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)工程的檢測(cè)鑒定方法基礎(chǔ)上，結(jié)合膜結(jié)構(gòu)的特殊性進(jìn)行，重視以下幾個(gè)方面的問題：

a.應(yīng)注重鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造及施工質(zhì)量的檢測(cè)，特別是焊縫施工質(zhì)量的檢測(cè)。

b.應(yīng)重點(diǎn)測(cè)量支承結(jié)構(gòu)支承點(diǎn)位置或骨架式膜結(jié)構(gòu)中的骨架線形，并考慮線形變化對(duì)膜面應(yīng)力及建筑排水等方面的影響。

c.膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析時(shí)，應(yīng)選擇合適的軟件和分析方法，對(duì)復(fù)雜或大型膜結(jié)構(gòu)，建議采用專用軟件和通用軟件同時(shí)分析。

d.膜結(jié)構(gòu)屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的風(fēng)振影響、不同矢高比和膜面曲率對(duì)風(fēng)載體型系數(shù)的影響、風(fēng)向角的影響。