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铜仁奥体中心体育场屋盖膜结构设计

发布时间:2022年2月16日 点击数:2585

一、工程背景

贵州省铜仁市奥体中心建设项目包含体育场、体育馆、游泳馆、网球中心、商业综合体五大部分,其中体育场是由预应力混凝土两层看台、索膜屋盖和外围钢结构支撑组成,场内可容纳45000名观众同时观赛。体育场平面投影为椭圆形,长轴283.3m、短轴265.3m,体育场屋盖采用索膜结构形式,车辐式索桁架和钢拱形成膜支撑结构,索桁架内环最高点51.499m,最低点49.700m,如图1、图2,索桁架是由上下径向索、吊索、上下环索以及撑杆组成,其中上下径向索间设置7道竖向吊索,上下环索通过撑杆连接,撑杆采用梭型钢管柱,高度21m。径向索外侧锚固于钢结构外压环梁上,内侧连接于内拉环的环索上,外压环水平钢桁架宽12m~13m,支承于内圈竖直和A形钢管柱及外圈倾斜钢管柱上。内圈钢柱铰接支撑于混凝土看台柱顶,外圈钢柱铰接支撑于6m标高钢筋混凝土结构上,车蝠式索桁架钢索均采用预应力全封闭索。

在两个相邻径向索桁架间布置7道钢弧拱,膜面覆盖在钢弧拱上,整个屋盖膜形似平缓马鞍状,以上径向索为界,分为36个独立膜单元,其中最大膜单元面积为1256平方米,最小膜单元面积为750平方米,膜单元最大悬挑跨度达到56米。单元膜的四周边界分别与环向边索、上径向索及后压环梁进行连接,为保证膜与支撑钢拱协同工作,在单元膜中部与钢拱进行通缝连接,确保力学模型与构造做法的一致性。

索膜屋盖结构设置两个环向交圈马道和4个径向马道,作为设备安装和检修通道,马道宽1.2米,高度1.4米。

图1 体育场鸟瞰效果图

图1 体育场鸟瞰效果图  下载原图


整个建筑场馆规模宏大,技术先进,是国内为数不多的超大跨度索膜结构体育建筑。高低起伏的屋盖膜造型新颖独特,建成后将成为铜仁市地标性建筑,对推进城市发展、完善城市功能、提升城市品位,都具有十分重要的促进作用。

本工程索膜结构正在施工中,预计2018年10底完工。

图2 体育场立面图

图2 体育场立面图  下载原图


二、结构体系概况

本工程结构体系先进合理,屋盖结构采用车辐式索桁架结构+钢拱支撑膜屋面形式,与周圈钢结构连接形成一个自平衡受力体系;索桁架外侧锚固于作为外压环梁上,屋盖荷载经由膜屋面传递到支撑钢弧拱上,钢弧拱与径向索桁架铰接连接,荷载最终由钢结构支撑承受。柔性索桁架共36榀,其上下弦呈内凹型,外挑长度56米,索桁架上下径向索直径分别为Φ75和Φ130,上下环索分别选用4Φ85和6Φ120,上下径向索间设置7道竖向吊索,规格Φ20,均为封闭高钒索;上下环索间设置撑杆,采用梭型圆钢管Φ450~300x16,钢管端头采用铸钢节点连接,如图3、图4。

在两个相邻径向索桁架间布置7道钢弧拱,钢弧拱采用圆钢管Φ273x14,钢弧拱与上径向索夹铰接,钢拱上覆盖PTFE膜材,膜面以上径向索为界,分为36个膜单元,膜内元内环与边索连接,外环与后压环梁连接,膜总覆盖面积约40000平米。

图3 结构整体模型

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图4 典型性结构单元示意图

图4 典型性结构单元示意图  下载原图


三、膜屋面计算分析

采用膜结构专业分析计算软件STCAD计算屋面膜结构时,考虑结构自重、马道、灯光、索夹等恒载,均布、非均布等三种雪载以及不同风向十种风载及相应的荷载组合,如表1、表2。

  

表1 正常使用极限状态荷载组合  下载原图



表1 正常使用极限状态荷载组合

  

表2 承载能力极限状态荷载组合  下载原图



表2 承载能力极限状态荷载组合

膜材选用江苏维凯科技股份有限公司生产的PTFE H301型建筑膜材,属于G7类膜材。径向抗拉强度标准值为8000N/5cm(160kN/m),纬向抗拉强度标准值为7000N/5cm(140kN/m)。

按表2中的承载能力极限状态组合工况进行膜材强度设计,分别考虑第一类荷载组合工况和第二类荷载组合工况的最不利情况。在1.0倍预应力下,膜面最大应力见表3和表4,第一类荷载组合工况作用下膜面最大径向应力值为28.40kN/m,小于160/5.0=32kN/m;最大纬向应力值为11.46kN/m,小于140/5.0=28kN/m。在1.0倍预应力下,第二类荷载组合工况作用下膜面最大径向应力值为34.25kN/m,小于160/2.5=64kN/m;最大纬向应力值为15.34kN/m,小于140/2.5=56kN/m。膜材料强度满足要求。

  

表3 第一类荷载组合工况作用下膜面最大应力云图(k N/m)  下载原图



表3 第一类荷载组合工况作用下膜面最大应力云图(k N/m)

表错误!文档中没有指定样式的文字。4第二类荷载组合工况作用下膜面最大应力云图(k N/m)

四、膜结构节点设计

节点设计是膜结构设计过程中一个很重要的环节,要求安全可靠,受力明确简单。合理的节点做法应与结构计算模型假定相吻合,还要充分考虑构件制作、安装和造价等因素。因此,膜结构的节点设计具有其自身的特点和难度,设计时应该仔细推敲。

(一)一般节点设计

就本工程而言,有以下三处的节点设计是比较有代表性的,可以在以后的类似工程项目中参考应用。

每个膜单元分别与上径向索、前端边索和后压环梁连接(图5、图6、图7),为保持整个膜面边界的连贯和一致性,膜单元对接平整有序,突出膜结构美观效果,膜节点采用固定式构造做法,即膜边界(橡胶棒)嵌入铝合金夹具内,通过U型卡具与钢索或者钢管连接,由于该节点设计长度不能调节,对于索桁架和钢结构的制作和安装精度有很高要求,膜安装前准确测定膜连接关键控制点。另外,对于PTFE H301型膜材材料性能把控上也有很多要求,要根据厂家提供膜材原始数据,结合以往工程案例的经验,并对膜材经纬向双向拉伸试验,确定合理的膜裁剪经纬向补偿值,保证施工时膜面预张力的有效施加。

对于前端边索膜节点,由于边索长度可以调节,通过调节其长度进而对膜面施加预张力。

为防止U型卡具对钢索索体造成损坏,在U型卡具的内弧处加设橡胶垫片,起到防护作用,如图8。

图5 上径向索膜节点连接

图5 上径向索膜节点连接  下载原图


图6 前端边索膜节点连接

图6 前端边索膜节点连接  下载原图


图7 后压环梁膜节点连接

图7 后压环梁膜节点连接  下载原图


图8 U型卡具细部大样

图8 U型卡具细部大样  下载原图


(二)膜拱协同工作节点设计

屋面荷载由抗拉强度较大的膜材和支撑钢弧拱直接承受,钢弧拱拱脚与上径向索索夹铰接,为实现二者共同工作,膜与钢弧拱必须形成一个刚性体才能保证整个结构体系的稳定性,当钢弧拱两侧的荷载不同时,钢拱就会发生微小自由转动以适应荷载效应,起到有效卸载的作用。为使膜拱更好协同工作,采用在钢拱外弧表面焊接U型件,膜面通缝设置膜套以穿插铝合金卡具,卡具分段嵌入U型件,二者间隙很小,只有2mm,如图9。

图9 膜拱节点设计

图9 膜拱节点设计  下载原图


(三)屋面排水分析

根据膜结构预应力找形分析,膜面等高线分布如图10所示。发现整个膜面排水情况良好,但局部膜面存在积水安全隐患,如图左上所示放大区域不会积水,上径向索与周边钢结构连接区域(如图10左下方放大区域所示)存在点状积水现象,在此区域应设计排水节点,以避免膜面局部积水,保证膜面正常使用。

图1 0 膜自重和预应力作用下膜面的等高线分布图

图1 0 膜自重和预应力作用下膜面的等高线分布图  下载原图


解决措施:在膜面局部积水区域设置泄水孔如图所示,将膜面上的水收集到泄水孔处的排水槽,并采用排水管导出,以消除安全隐患。

图1 1-膜面局部积水区域设置泄水孔

图1 1-膜面局部积水区域设置泄水孔  下载原图


(四)膜面裁剪设计

以上径向索为边界将整个膜屋面分隔成36个膜单元,裁剪时膜面裁剪布置应遵循如下原则:(1),美观,有良好的视觉效果;(2)受力性能良好,裁剪线布置应与膜材的径向方向相一致,即沿膜面主应力方向;(3)便于加工,避免裁剪线过于集中,以方便边角处理;(4)节省膜材。以其中一个膜单元为例,裁剪线布置示意如图所示。

图1 2 膜面裁剪线布置示意图

图1 2 膜面裁剪线布置示意图  下载原图


膜材裁剪时的补偿值受诸多因素影响,如膜材弹性模量、徐变性能、膜面预应力水平、膜节点连接方式、膜张拉的难易程度等,结合以上因素综合确定膜材的裁剪补偿值如下:

[1]普通点:1%,1.2%[2]沿上径向索边界:0%,1.2%[3]沿边索边界:1.2%,0.5%[4]沿后压环梁边界:0%,1.2%;[4]中间七道拱膜节点:0%,1.2%

(五)马道节点设计

马道依据悬挂位置和使用功能不同分为环向马道和径向马道两种。马道平面布置如图13所示,其中环向马道分内环马道和外环马道,采用索夹和吊杆(钢撑杆)组合方式与上径向索连接如图14;径向马道共4道,对称布置,一端使用上下限位斜拉索和上径向索夹连接,另一端与环向马道钢销铰接如图15。

图1 3 马道平面布置图

图1 3 马道平面布置图  下载原图


图1 4 环向马道连接图

图1 4 环向马道连接图  下载原图


图1 5 径向马道连接图

图1 5 径向马道连接图  下载原图


5.1马道设计荷载

马道自重2.4KN/m,检修活载1KN/m。

设计组合荷载:1.2×2.4+1.4×1=4.28KN/m

5.2环向马道的连接验算

环向马道悬吊于径向索桁架上,与马道索夹连接,环向马道分段制作和安装,节点设计时按最长段20米来考虑,吊杆选用材质Q345B规格D25;

经过验算,马道索夹螺栓受剪承载力和吊杆受拉承载力均满足设计要求!

5.3径向马道钢索选用

径向马道设计荷载主要是由4根斜拉钢索承受,拉索选用高钒索Ф20,最小破断力391KN,考虑了2倍的安全系数。

五、结语

本文着重介绍了铜仁体育场项目膜屋面的结构体系组成,膜面受力分析验算及膜材选型、裁剪线布置及膜材裁剪补偿值取值等。特别介绍了几种有代表性的节点构造作法以及马道的连接设计。保证膜结构设计符合建筑总体设计意图,又使得计算模型假设与实际节点构造相一致。对以后类似工程设计提供有益的参考。

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