随州高铁站膜结构不同膜材方案设计.docx
膜结构是建筑和结构相互结合的结构体系，采用高强度柔性的薄膜材料，并施加一定的预应力，可呈现出奇特优美的空间形状，且其本身也有一定的刚度，能抵抗外界的荷载。膜结构常用G类、P类、E类三种膜材，也包括其他新型膜材。膜结构设计主要包括找形和荷载分析两个步骤。目前对膜结构找形已有很多研究，包括改进力密度法、改进动力松弛法和找形找力结合的方法。湖北省随州市高铁站站房采用膜结构，其应用与结构跨度紧密相关。由于G类膜材和P类膜材的弹性模量较大，膜面变形较小，故可实现较大的膜面跨度。而E类膜材弹性模量较小，膜厚度较薄，其适用跨度与前者有较大区别。E类膜材考虑为各向同性，透光率最高可达95%,且相同面积的重量仅为玻璃的1%,因此有很好的装饰作用。为抵抗外荷载并做到美观透光，实际应用中需根据结构跨度增加索网。随州高铁站站房主体结构由外围刚性边缘构件、单层膜组成，该结构中单层膜为主要受力结构（图1）。图1随州高铁站伞状单层膜结构示意本文以随州高铁站站房工程为研究对象，验算不同膜材的最大适用跨度，分析三种膜材能否满足高铁站主体结构的跨度要求，并对比分析使用三种膜材时高铁站膜结构的膜面应力和位移差异；对E类膜材膜结构进行索网设计优化分析，提出布置方案。1膜材结构方案本工程选用G类、P类、E类三种膜材，其中G类和P类膜材厚1mm,E类膜材厚0.3rnio三类膜材的强度标准值和性能指标见表1。表1各类膜材强度标准值和性能指标厂材G类P类E类方向经纬经纬经/纬弹性模量/MPa14006001000400650标准强度/(N5cm)8000700053005000在找形过程中应控制索力及膜面应力均匀，将G类膜材膜面应力控制在5MPa左右、P类和E类膜材控制在4MPa左右，即可满足设计要求。根据CECS158：2015膜结构技术规程，计算索、膜的内力和位移时，应考虑风荷载的动力效应，对G类膜材和P类膜材，骨架支撑膜结构风振系数取L21.5,本文取1.2oG类膜材的经向膜面应力应小于1.6X105MPa,纬向膜面应力应该小于1.4X105MPaoP类膜材的经向膜面应力应小于1.06×105MPa,纬向膜面应力应该小于1.0X105MPa0对于E类膜材结构，膜面应力应小于13.6MPao受荷载情况下索力应小于67kN(应力718MPa)。根据GB500092018建筑结构荷载规范，随州高铁站的荷载取值为永久荷载01kN11f,可变荷载0.1kNm2O永久荷载是对结构的有利荷载，将其与风荷载的组合为1.OX恒载+LOX活载+1.4X0.6X风荷载，计算主要受力结构的风荷载。其中，风荷载体型系数取14,风压高度变化系数为1.39；当地50年一遇的基本风压取0.4kNm2。2 G类膜材设计方案对G类膜材进行跨度验算，分析G类膜材的最大适用跨度。根据相关规程，骨架式膜结构的膜面位移应小于膜面单元尺寸的1/15。先建立一个矩形膜结构，选取15m,16m,17m跨度的G类膜材结构进行对比验算。如图2图4所示，15m跨度时膜面位移为0.954G515=Lom,此时安全储备较高，所以进一步进行验算；16m跨度时膜面位移为1.04m<1615=1.06m,此时位移已接近规范限值要求。17m跨度时膜面位移达L34m>1715m=l.13m,不满足规范要求。(a)(b)图2G类膜材15m跨度验算(计算机截图)(a)膜面应力;(b)膜面位移(b)图3G类膜材16m跨度验算(计算机截图)(a)膜面应力；(b)膜面位移图4G类膜材17In跨度验算（计算机截图）（a）膜面应力；（b）膜面位移通过上述分析，得到G类膜材的最大适用跨度约为16m0由于随州高铁站主结构膜结构大体尺寸为27m×12m,中间有两道刚性支撑边界，所以一块刚性区域的尺寸为9m×12m,满足G类膜材的最大适用跨度。先对该站膜结构铺设G类膜材，再施加荷载进行计算分析，得到膜面位移和膜面应力如图5所示，该站膜结构的膜面应力为10.5mPa,未超出规范要求，膜面位移为0.361m,小于设计值12X1/15m=0.8m,均满足设计要求。由于G类膜材未布置索网，故在经历荷载时，局部膜面会出现应力和位移较大的现象。图5G类膜材膜结构内力（计算机截图）（a）膜面应力；（b）膜面位移3 P类膜材设计方案P类膜材跨度方案计算过程与G类膜材相似，先对跨度进行验算，对比验算11m,12m,13m跨度的P类膜材。如图6图8所示，11m跨度时膜面位移为0.706m<ll15=0.733m,此时安全储备还较高，所以进一步进行验算。12Bi跨度时，膜面位移为O.798m<1215=0.8m,此时膜面位移接近规范要求;18m跨度时膜面位移达0.893m>1315m=0.8666m,不满足规范要求。(b(a)图6P类膜材IIln跨度验算（计算机截图）（a）膜面应力；（b）膜面位移(a)图7P类膜材12m跨度验算（计算机截图）（a）膜面应力；（b）膜面位移(a)(b)图8P类膜材13m跨度验算(计算机截图)(a)膜面应力；(b)膜面位移综上所述，G类膜材的最大适用跨度约为12m0随州高铁站主结构刚性区域尺寸为9m×12m,P类膜材的适用跨度适用于主结构。对该站单层PTEF膜结构进行分析,结果如图9所示。膜材为P类膜材时，随州高铁站膜结构的膜面应力为IL3MPa,未超出规范要求，膜面位移为0.305m,小于设计值12×115m=0.8m,满足要求。P类的膜面位移和应力会出现和G类膜材类似的情况。(a)(b)图9P类膜材膜结构内力(计算机截图)(a)膜面应力；(b)膜面位移4E类膜材设计方案E类膜材的弹性模量为650MPa,膜面厚0.3mm,为研究最大的膜面适用跨度，先建立ETFE膜材模型进行验算。选取3.5m,3.6m,3.7m三种跨度进行分析。验算结果如图10图12所示，跨度为3.5m时，膜面位移为0.21m<3.5/15=0.23m,膜面应力为13.1MPa<13.6MPa,均满足规范要求,有较大的安全储备；跨度为3.6In时，膜面位移为0.22m<3.6/15=0.24%膜面应力为13.4MPa<13.6MPa,均满足规范要求；跨度为3.7m时，膜面位移为0.194m<3.3/15=0.22m,膜面应力为13.6MPa=13.6MPa,膜面应力超过规范取值。(a)(b)图IoE类膜材3.5m跨度验算(计算机截图)(a)膜面应力;(b)膜面位移(b)图HE类膜材3.6In跨度验算(计算机截图)(a)膜面应力；(b)膜面位移(a)(b)图12E类膜材3.7m跨度验算(计算机截图)(a)膜面应力；(b)膜面位移综上所述，E类膜材的最大适用跨度为3.6m0但由于随州高铁站主结构一块刚性区域的尺寸为9m×12mo不能满足E类膜材的最大适用跨度的要求，为使E类膜材有足够的安全储备，膜面应力更均匀，随州高铁站ETFE膜结构布置采用五道横索，间距为2m,竖向布置间隔1.5m纵索，索网布置方案如图13所示。钢拉索的直径为12mm,弹性模量取1.6X1011Pa0钢拉索规格见表2。对随州高铁站E类膜结构进行整体分析，得到膜面应力和膜面位移如图14所示。拉索直径为12mm时ETFE膜材膜面应力为8.65MPa,小于规范要求的13.6MPa；膜面位移为0.132m,小于规范要求的12/50=0.24m,最大索力为61.06kN,小于要求的67kN,均满足规范要求。表2钢拉索规格钢拉索公称直径mn钢拉索结构钢拉索有效截面积mm2钢拉索最小破断力/kN121×1993.3134图13E类膜材膜结构布索形式(b)（c）图14布置索网后膜结构内力（计算机截图）（a）膜面应力；（b）膜面位移；（C）索力5结论通过对三类膜材的跨度计算分析，得到其大体适用跨度范围，由于G类和P类膜材的弹性模量较高、膜面较厚，其适用跨度大于E类膜材。G类膜材的最大适用跨度约为16m,P类膜材的最大适用跨度约为12m,满足该站主结构的跨度要求。该高铁站主结构使用G类和P类膜材时不需布置索网，可直接在主结构的上覆盖膜材。E类膜材弹性模量考虑为各向同性，且厚度仅为0.3mm,膜面适用跨度较小，约为3.6m,故使用E类膜材时应布置索网。本文提出布置索网的方窠，在横向布置5道横索时膜面应力均匀，膜面位移较小，可很好地满足设计要求。通过对比三类膜材的膜面位移和膜面应力，E类膜材布置索网后其膜面位移比G类膜材和PTFE膜材更小，其膜面位移仅为0.132m,而G类膜材和PTFE膜材分别为0.36In和0.45m0在荷载作用下，G类膜材和P类膜材膜面应力不均匀，而E类膜材的膜面应力较均匀。通过分析不同直径钢拉索，钢拉索直径增大可减小膜面位移，对膜面应力和拉索索力影响较小，所以随州高铁站膜结构横向布置5道索单层ETFE膜材，可满足设计要求。
