钢骨架索膜结构储煤棚工程设计研究

曹 辉，许 涛，申金刚，王 浩，穆 明

(通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250000)

大、中跨储煤棚常用空间网格结构、预应力空间网格结构、膜结构等，暂将膜结构之外的形式定义为“传统结构”。“传统结构”的围护形式大多采用轻钢围护，基本设计思路是分成主结构+围护系统，围护系统不参与主体结构计算，加之围护材料较膜材容重大很多，故“传统型结构”用钢量不经济。膜结构按其形式分为整体张拉式、骨架支承式、索系支承式与空气支承式膜结构，或由以上形式混合组成的结构[1]。国外对膜结构工程应用已经很多，如德国柏林中央火车站[3]、美国爱荷华州威廉斯煤中转处[2]、Gottlieb-Daimler体育场遮阳棚[4]等；国内膜结构研究及应用较晚，如大唐王滩电厂煤场封闭改造工程[3]、上海八万人体育场[4]等。在体育健身设施、商业综合体、文娱设施、公共交通设施及料场堆场方面，膜结构在世界各地得到广泛应用，从最初的充气膜形式过渡到现今的张力膜形式，国外的膜结构设计及膜材生产制造水平早已成熟且进入更深层的研究[5～11]，国内目前仅有少量的行业规程及地方标准，尚无全国统一的膜结构设计标准，因此相关领域的研究非常紧急且必要，膜结构外观新颖、造价低、施工周期短、抗震性能优越、利于环保[12，13]，集众多优点于一身的膜结构应用市场将越来越大。本文结合实际工程案例，研究骨架及膜的内力和变形，对比现有标准，期望对工程设计有所帮助并推动国内膜结构工程的应用。

1 膜结构选型

枣庄综合物流园一期储配煤项目1号储煤棚占地长约470m，宽63m、跨度63m、建筑最高点约36m，采用骨架(钢桁架)支承式膜结构。膜材被称为第五代建筑材料[14，15]，该工程采用P类膜材，膜材强度等级选择P6，膜材料参数见表1。 采用骨架支承式膜结构，膜材边界约束均为刚性支撑[16]，综合考虑拉索采用钢拉杆(直径20mm圆钢)。

表1 膜材参数对比

2 膜结构计算

2.1 工程实算

工程项目所在地抗震设防烈度为7度、基本地震加速度0.10g、地震分组为第3组，基本风压0.4kN/m2，基本雪压为0.45kN/m2(雪压取100年一遇)，恒载取0.06kN/m2(屋面有光伏)，活载根据规程取0.3kN/m2，自重软件自动考虑。钢桁架材料为Q355B，拉杆为Q235钢(直径20mm)，拉杆形成的交叉撑每开间均布置。采用上海同磊土木工程技术有限公司开发的3D3S Design V2021软件，为了计算效率快，便于分析，本文仅考虑了恒、活、雪、左风工况及组合。因为是对比分析，限于图幅每根钢管规格的具体分布位置不再单独显示。钢管规格见表2。

表2 材料表

2.2 膜面和支承结构的协同作用分析

不考虑膜面和支承结构的协同作用又分为两种情况：其一，是膜面和支承结构各单独分析，将膜面单独分析的结果，也就是膜面单独分析产生的支座内力施加于支承结构上，然后单独分析支承结构的内力和变形，相当于把考虑膜面和支承结构的协同作用情形分成两步骤单独进行，各自分析；其二，分析时不考虑膜参与计算，仅将膜材重量施加于主结构上，进而对主结构进行计算分析。

因此，按照以下三种情况分析：①考虑膜面和支承结构协同作用(结果如图1—图6所示)；②不考虑膜面和支承结构的协同作用时，将膜面和支承结构各单独分析(结果如图7、图8所示)；③不考虑膜面和支承结构的协同作用时，分析时不考虑膜参与计算(结果如图9、图10所示)。

对比①②情况下结果发现，初始态找形分析[1，17，18]时，无论是否考虑膜面和支承结构的协同作用，膜面的初始态最大主应力和初始态最大位移都很接近，尤其是初始态最大位移可以说没有变化，而初始最大主应力的分布有所不同，应该是因为协同考虑时，支承结构的位移和变形影响了膜材内力的分布(图1，图2)。

图1 考虑协同作用时初始态的膜最大应力

图2 考虑协同作用时初始态的膜最大位移

不考虑协同作用时，软件中将支承结构简化为膜面的硬边界约束在膜面上，相当于在膜面上添加了很多支座，这些支座即是对下部支承结构的简化模拟，但是支座的刚度大小软件中不好定义，这种“硬边界”的约束刚度可能跟实际支承结构的刚度不同，进而支座约束的变形较实际支承结构也不同，膜材本身为非线性材料[1，19]，经纬向刚度也不同，这些因素均可能导致两种情况下膜面上主应力分布的不同。而两者的膜面初始态最大竖向位移基本没有区别，分析认为在找形分析时，对膜面施加的预张力一致，而求解最小曲面时两种情况下迭代次数接近，最终形成的膜面初始主应力的大小接近，虽然分布有所不同，但是从量的级别上是一致的，而膜面的竖向变形大小取决于在膜面内的初应力形成的刚度[20]，只要是膜面内的分布应力大小一致，最终膜的竖向变形就应该接近。

对比①②两种情况对下部支承结构的影响，从实际计算结果看，两种情况下，下部支承结构无论是位移、还是内力均基本没有区别。因为单独分析下部支承结构时，已经将单独分析膜面时产生的支座内力提取出来，并将其作用在下部支承结构上，对下部结构没有影响。由于分析下部支承结构时已经考虑了膜面产生的内力因素，这种情况下完全可以不考虑膜面和支承结构的协同作用对下部支承结构的内力和变形的影响，对上部膜面的影响尚应考虑。膜结构技术规程[1]对膜面的设计是从应力和变形两个角度控制设计，要求承载力极限状态设计时膜面的最大主应力不得大于规定值，以防止膜面强度破坏；在第一、二类荷载效应组合下，控制膜面的变形，防止膜面出现松弛或松弛带来的影响不致过大。从这两个角度出发，对于不考虑膜面和支承结构协同作用的第一种情况(将膜面和支承结构各单独分析)，即使初始态情况下，膜面的初始最大主应力分布有很大不同，但从荷载态的膜面最大和最小主应力及膜面在承载力极限状态和正常使用极限状态下的变形来看，都是符合规范且两者结果接近(图3—图6)。

图3 考虑协同作用时荷载态的骨架竖向位移

图4 考虑协同作用时荷载态的骨架水平位移

图5 考虑协同作用时荷载态的膜位移

图6 考虑协同作用时骨架的应力

对比①③两种情况发现，两种情况下的骨架竖向位移基本上是一致的，两个模型的主桁架钢管规格一致，次桁架规格考虑“膜面和支承结构协同作用”的钢管直径更大，考虑协同作用的钢管内力的绝对值更大，尤其是纵向次桁架的内力增加更多，且考虑了协同作用后，桁架每个开间均设置了交叉撑，否则计算结果基本没有收敛的可能性。从杆件内力来看，考虑膜面和支承结构协同作用时，在找形阶段相当于给支承结构施加了预压力，这种初始预张力给桁架杆件内力分布带来的影响类似恒载工况单独作用产生的内力分布，其产生的内力值甚至是杆件组合内力值的10%～18%左右，对结构的影响不可忽视，同时对主桁架还将产生面外拉力，此拉力或是导致交叉支撑每开间都存在的必要条件，也对次桁架产生了附加压力，使次桁架杆件规格增大，尤其端开间的次桁架规格增大更严重。综上，不考虑膜面和支承结构协同作用时，不考虑膜参与计算的情况下，支承结构的杆件(尤其是纵向的次桁架)偏于不安全，应引起重视(图7—图10)。

图7 不考虑协同作用时的膜初始态最大应力

图8 不考虑协同作用时的膜初始态最大位移

图9 不考虑协同作用时骨架的最大竖向位移

图10 不考虑协同作用时骨架的最大水平位移

3 结 论

1)整体考虑膜面和支承结构协同作用对支承结构内力和变形的影响，膜面的预张力使支承结构杆件内力增大约15%，对桁架弦杆的不利影响大于腹杆。

2)不考虑膜面和支承结构协同作用时，不考虑膜参与计算的情况下，支承结构的承载性能存在隐患。

3)应整体考虑膜面和支承结构协同作用对膜面的影响，可能对膜面的初始应力分布影响很大。

4)分析时未进行膜裁剪分析，也未考虑膜材的初始预张力的施工方式，针对膜材刚度的大小依靠张力提供的特点，即使设计阶段将膜面和支承结构进行整体分析，施工阶段如何恰好地实现设计设定的预张力，后续研究应就设计及施工通盘考虑。