氣承式膜結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)分析?
日期:2017-09-01
荷載效應(yīng)分析
北京地區(qū),基本雪壓為0.4kN/m2,基本風(fēng)壓為0.45kN/m2,風(fēng)振系數(shù)取1.2,體型系數(shù)采用封閉式落地拱形屋面,考慮了沿建筑縱向及橫向兩種風(fēng)向。
由于雪荷載作用方向向下,抵消了一部分充氣壓力,膜面張力減小,從而降低了膜結(jié)構(gòu)的剛度。因此,一般情況下空氣支承式膜結(jié)構(gòu)在暴雪來臨之前,需要提高充氣壓力至最大工作內(nèi)壓,本項目取650pa。而風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域產(chǎn)生負壓,作用方向向上,荷載效應(yīng)與充氣壓力效應(yīng)一致,膜面張力疊加。因此,一般情況下空氣支承式膜結(jié)構(gòu)在強風(fēng)來臨之前雖然也需要提高充氣壓力,增加膜結(jié)構(gòu)剛度,避免結(jié)構(gòu)過大變形,但是不需要提高至最大工作內(nèi)壓,本項目取500pa。
荷載組合如下:(1) 1.20 恒載+1.0初始預(yù)張力+1.0最小工作內(nèi)壓200pa(2) 1.20 恒載+1.0初始預(yù)張力+1.0最大工作內(nèi)壓650pa(3) 1.00 恒載+1.0初始預(yù)張力+1.0強風(fēng)工作內(nèi)壓500pa(4) 1.20 恒載+1.0初始預(yù)張力+1.0最大工作內(nèi)壓650pa + 1.40活載工況(雪荷載)(5) 1.00 恒載+1.0初始預(yù)張力+1.0強風(fēng)工作內(nèi)壓500pa + 1.40風(fēng)載工況(縱向風(fēng))(6) 1.00 恒載+1.0初始預(yù)張力+1.0強風(fēng)工作內(nèi)壓500pa + 1.40風(fēng)載工況(橫向風(fēng))
雪荷載作用下膜張力分布,縱風(fēng)向作用下膜張力分布,橫風(fēng)向作用下膜張力分布??梢钥闯觯矫嫘螤顬榫匦蔚臍獬惺侥そY(jié)構(gòu)在荷載作用下角部應(yīng)力較小、中央部分應(yīng)力較大。但這個項目有點特殊,因為在膜結(jié)構(gòu)一端與服務(wù)裙房相聯(lián)接,所以在聯(lián)接的角部應(yīng)力較大。這也是在節(jié)點設(shè)計時應(yīng)該注意的地方。本項目采用P類膜材,型號為8028,其抗拉強度為458 daN/5cm,厚度0.8mm。經(jīng)過單位換算,其對應(yīng)的膜材抗拉強度設(shè)計值為22.9MPa。最大膜應(yīng)力為19.3MPa,滿足設(shè)計強度。
為雪荷載作用下膜結(jié)構(gòu)的變形圖,橫風(fēng)向作用下膜結(jié)構(gòu)的變形圖,縱風(fēng)向作用下膜結(jié)構(gòu)的變形圖。取的是結(jié)構(gòu)對稱軸上的一組節(jié)點繪制成的變形圖,實線為變形后的曲線,點劃線為變形前的曲線??梢钥闯?,變形規(guī)律與拱類似。
在雪荷載作用下,頂部變形量最大,達535mm,為跨度的1/60。在橫向風(fēng)作用下,迎風(fēng)面變形最大為1355mm。目前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的規(guī)范對此作出規(guī)定,故本項目以考查在雪荷載作用下不出現(xiàn)積雪凹坑為設(shè)計準則。
氣承式膜結(jié)構(gòu),無論是在初始狀態(tài)、還是在受荷狀態(tài),膜面始終為張力狀態(tài)。因此膜結(jié)構(gòu)對支座的反力始終斜向上,不會產(chǎn)生壓力。
本項目經(jīng)過計算統(tǒng)計,膜結(jié)構(gòu)反力的包絡(luò)結(jié)果是:結(jié)構(gòu)縱向長邊,均布線荷載 Py=8.0KN/m、Pz=15.0KN/m;結(jié)構(gòu)橫向短邊,均布線荷載 Py=4.0KN/m、Pz=10.0KN/m;結(jié)構(gòu)橫向短邊與裙房連接處,均布線荷載 Py=4.0KN/m、Pz=10.0KN/m。
可以看出,氣承式膜結(jié)構(gòu)的支座反力較小,這也正是這種類型的膜結(jié)構(gòu)在某些情況下(例如場地條件苛刻、樓頂加層、短時應(yīng)用等等)被采用,所具有的一個巨大優(yōu)勢。