膜结构从20 世纪 90 年代开始在我国推广,以其独有的优美曲面造型,给建筑提供了更大的可视空间和使用面积,因而广泛地运用于体育建筑、商场、展览中心等大跨度建筑中。既有膜结构的检测鉴定需求也随之增加,膜结构骨架作为膜的支承体系,其承载能力鉴定是膜结构鉴定的重要内容。现以实际工程为例,探讨膜结构骨架承载能力鉴定的要点。

所举膜结构为某表演场屋盖,采用的是伞形骨架式膜结构,设计矢跨比约为1/5。该骨架由18榀沿环向布置的曲线型平面主桁架和多道环向桁架连接而成。每榀主桁架通过钢管柱单点支承于看台基础或附属用房的钢筋混凝土柱顶。

屋盖钢骨架轴测图见图1,轴线示意图见图2。因鉴定时膜片及围护系统等均未施工,故仅对其钢结构骨架支承体系承载能力进行检测鉴定。

骨架式膜结构是由自身封闭稳定的骨架体系与膜材共同组成的结构受力体系,该体系除索网及膜张拉外,其骨架部分的检测与常规钢结构基本相似。应重点检查构件的截面尺寸、结构及构件的工作状态、节点连接构造及焊缝施工质量等,其中钢材的焊接质量是钢结构检测的重要环节。

此外,钢骨架不仅作为膜的固定边界,更主要是提供给膜一定的曲度,使膜具有一定的刚度。因为膜面自身作为软壳体是不能抗弯的,只能靠薄膜面的曲率变化,引起膜表面内力重分布来抵抗作用于膜面的外荷载。因此膜在支承体系上的支承点位置对膜的初始形态、应力的平衡水平及最终变形形态影响较大,是膜结构鉴定不可忽略的一点,对于骨架式膜结构则需要测量钢骨架的曲线线形。

常规钢结构的承载能力鉴定分析基本为荷载效应分析,而膜结构承载能力分析包括初始形态分析、荷载效应分析和裁剪分析三个阶段。

初始形态分析主要是确定在满足一定初始应力分布条件下,膜结构在自平衡状态下的几何形状。荷载效应分析是在初始形态分析确定的几何形态和预张力的基础上,计算荷载作用下结构内力及位移。裁剪分析主要是计算确定预张力影响下膜材的裁剪线[1],将空间膜曲面适当剖分并展开为平面。该工程膜面尚未施工,故仅考虑膜面预张力及膜面荷载的影响,即考虑膜与骨架的共同工作,但不对膜面本身进行分析。

根据上述检测鉴定要点,现场开展的主要检测项目及结果如表1所示。

根据现场检查数据,结合本工程施工图纸资料,对其进行结构承载能力验算分析。

根据设计施工图纸,本工程结构设计使用年限按15年考虑,结构重要性系数取1.0。模型采用整体式建模,即考虑钢骨架与膜材间的相互作用,桁架上、下弦杆之间按刚接考虑,腹杆与弦杆及相邻桁架间的连接视为铰接,钢柱脚设为固定支座,且不考虑下部钢筋混凝土支承结构的影响。

膜结构找形的目的是为在满足边界条件和预张力自平衡的前提下,使膜面各处刚度尽量均匀,曲面尽量光滑、美观并利于排水。最优膜面的曲面叫做最小曲面,其上应力处处相等,膜面刚度最均匀且面积最小。而实际工程中,受边界条件限制,大多数膜结构无法找到最小曲面,只能找到一个应力相对均匀且自平衡的曲面。

膜结构找形分析的主要方法包括物理模拟法、力密度法、动力松弛法和非线性有限元法。目前,应用最多的是力密度法(如EASY、Forten32等专用设计软件)[2]和非线性有限元法(如3D3S,ANSYS等通用软件)。

工程采用非线性有限元法的找形方法,膜单元采用三角形常应力单元,假设膜单元节点与杆件单元节点重合且变形协调。经找形,单元经向预应力在2.139～2.172 MPa之间,纬向预应力在2.023～2.052 MPa之间,应力较均匀,且接近原设计预应力值2.0 MPa。表明该工程(2)轴环向桁架以外的主桁架线形变化对膜面预张力应力水平影响较小。

工程进行荷载效应分析时,考虑了以下荷载及作用:恒荷载、活荷载、风荷载、预张力、地震作用以及温度变化的影响等[3]。

膜结构是风敏感结构,风荷载是膜结构设计中的主要荷载,在确定风荷载时需要确定两个重要的参数,即风振系数和风载体型系数。

该工程风荷载按15年考虑,基本风压取0.45 kN/m2,地面粗糙度取B类;属于形状较为简单的骨架式膜结构,风振系数取1.5,以考虑风动力效应[1]。

《膜结构技术规程》附录A给出了典型膜结构风载体型系数,其中伞形膜结构的风载体型系数分区如图3所示。根据图示,该体型系数分区在沿矢高方向曲率较为一致的张拉膜结构中较为适用,而该工程(2-3)轴环向范围内膜面曲率最小,越往内曲率越大,到顶部时出现反向曲率,膜面曲率变化较大,沿用附录A的系数显然不符合实际受力特点。

故工程风载体型系数采用按区域划分的方法[3,4]:沿环向每四榀主桁架(圆心角约80°)、沿径向每个环向桁架间为一个区域,并结合结构矢跨比对各迎风面区域设置相应的风载体型系数,背风面采用统一的体型系数。同时考虑到工程为非完全中心对称结构,不同风向角的影响明显,故建立多个风荷载互斥工况,每隔两榀主桁架旋转一次迎风面(转角约40°),以此考虑风向角变化的影响。同一个风向角情况下,风载体型系数分区如图4～图8阴影部分所示。

根据现场检测数据和工程施工图纸,采用通用设计软件,完成结构的初始形态分析及荷载效应分析后,对支承骨架结构各杆件及连接节点进行承载能力验算,结果如下:

1)钢立柱及主桁架构件承载能力满足规范要求。

2)环向桁架中(2)-(T-A)、(2)-(E-F)轴环向桁架存在10根上弦杆平面内稳定不满足规范要求,最大效应抗力比为1.41。其余环向桁架构件承载能力均满足规范要求。

3)桁架节点承载能力基本满足规范要求。

对于膜结构的鉴定,首先应从结构体系的受力特点出发,在常规钢结构工程的检测鉴定方法基础上,结合膜结构的特殊性进行,重视以下几个方面的问题:

a.应注重钢结构节点连接构造及施工质量的检测,特别是焊缝施工质量的检测。

b.应重点测量支承结构支承点位置或骨架式膜结构中的骨架线形,并考虑线形变化对膜面应力及建筑排水等方面的影响。

c.膜结构初始形态分析时,应选择合适的软件和分析方法,对复杂或大型膜结构,建议采用专用软件和通用软件同时分析。

d.膜结构属于风敏感结构,应考虑风压脉动对结构产生的风振影响、不同矢高比和膜面曲率对风载体型系数的影响、风向角的影响。