膜结构(5)-案例剖析

3 0.. 0 0.2 -0
-0.0
-0. 3
-0. 2
0 .3 --0 0..0 3
2 -0. -0.3
0.5
P 0.6 0.5 0.3 0.1 -0.0 -0.2 -0.3 -0.5 -0.7 -0.8
-0 .5
-0.3
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-0
-0.7
P 0.6 0.5 0.3 0.1 -0.0 -0.2 -0.3 -0.5 -0.7 -0.8

将中央内环设计为圆钢管劲性拉环 按照国外一些已建成结构的做法，中央内环 多采用柔性拉索体系。但是考虑到国内在索结构 方面的施工经验远不如钢结构那样丰富，且采用 钢结构将为灯光、音响、马道等附属设备在内环 上的安装带来方便。所以本设计采用大直径圆钢 管作为中央内环。尽管圆钢管的刚度要比索大得 多，但对于如此大的尺度而言（总长550m），内 环仍然是相当柔性的，因此称之为“劲性拉环”。
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最大膜单元位于东西两端，悬挑长度约30m；最小膜 单元位于南北两端，悬挑长度约17m。
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膜单元由桅杆、脊索、谷索、边索和薄膜等构件组 成。
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中央内环是由椭圆柱面和鞍形曲面相交形成的空间曲 线，从受力上看属浮动拉环，它是连接各膜单元协同工 作的重要构件，直接关系到整个全张拉体系的成形。
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★ 两项主要技术措施：
-0.8
-0.3
-0.3
.2 -0
-0. 5
-0
-0 .3
-0.5
P 0.6 0.5 0.3 0.1 -0.0 -0.2 -0.3 -0.5 -0.7 -0.8
.8
-0.5
-0.5
-0.3
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-0
.7 0.5 -0-
.0
0.1
-0 .7
-0.3
-0
.2 -00 .5
.3
0 -0..3 .2 -0 0
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3. 结构计算

应用非线性有限元程序对该挑篷膜结构的初始形 态和不同荷载作用下的结构响应进行分析，得到 结构在不同工况下的位移、内力和支座反力。 计算结果表明，风荷载是结构设计的主要控制荷 载；绝大多数构件在0°风向（椭圆短轴方向）下 的内力最大。 中央内环的最大位移10cm，膜最大位移60cm。 以上结果是在对多种不同的索膜分布形式和初始 预张力设定值进行反复试算后的优化方案结果。
-0.7 -0.3 -0 .2 .0 -0
0°风向
-0
30°风向
0.5
0.1
.3
-0 . 3
-0. 3
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3 -0.
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.3
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3 -0.
-0.3
60°风向
90°风向
-0.3
P 0.6 0.5 0.3 0.1 -0.0 -0.2 -0.3 -0.5 -0.7 -0.8
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（3）内环的垂直整体提升、就位 首先在场地内沿内环用扣件钢管搭设了18个近 30m高的独立塔架提升平台，然后将18台牵引力为 600kN的YC60型连续提升千斤顶分别安放在提升平 台架顶部，利用垂直吊索对内环进行同步垂直牵 引提升。 在提升至设计安装高度以上约200mm时，逐一 安装前拉索和下拉索，全部完成后，千斤顶同步 回落，使钢管环梁自然绷紧；为了保证内环梁的 形状准确，必要时可对长轴端部的下拉索微调。
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4. 施工安装

本工程施工的主要难点在于： ① 中央内环的现场成形和吊装就位； ② 由于拉索的预张力与中央内环的形状是相互 影响的，因此在施工中必须对内环与前后拉索的 初始预张力进行监控，以保证整个结构体系按要 求成形。
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针对上述问题，制定具体施工方案如下：
（1）中央内环的地面组对拼装 内环在工厂预制后，分段运至施工现场，在设 计的提升点依设计线形搭设拼装胎架，对内环钢 管组对拼装焊接成形。 （2）桅杆安装 在地面进行桅杆钢管的组对拼装和桅杆顶端的 索头连接，然后对桅杆进行单点提升，将桅杆底 端与支座销接；将后拉索牵拉至看台混凝土斜梁 的锚固点上，与固定耳板进行销接固定；前索用 缆风绳固定，并将桅杆间的环向拉索销接，以保 证桅杆的稳定性。
0.1
-0.8 -0.3 0.1 -0.7
-0 0 -0 .
-0.5
.2
-0
.2
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小结

迎风一侧的伞单元所受的风荷载较大，且单元内 的风压变化梯度较大；而背风一侧由于受到迎风 侧膜单元的阻碍，来流的流速有所降低，所以风 压值较小，且单元内的风压变化梯度相对平缓。 正压区主要出现在迎风侧单元的迎风面上，最大 正风压分布系数约为1.2左右，30°风向下的正压 区面积最大，90°风向角下的正压区面积最小。 模型的绝大部分表面承受风吸力的作用，平均负 压值约为-0.4左右，主要位于靠近中央内环的膜 表面上。


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此外为防止提升过程中因塔架基础不均匀下沉、 突遇横向风引起晃动等因素导致塔架的不稳定， 另设置防支架倒塌的安全钢绞线索。 索的上端与桅杆顶连接，下端与内环钢管连接， 在提升过程中钢绞线在吊重的牵引下保持收紧状 态。 经计算表明，每一斜拉点最大的斜向拉力为200kN 左右，两根钢绞线的合计承载力约500kN，有一定 的安全储备。
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★ 两项主要技术措施：

增加了一套完全独立于膜单元的拉索体系 在每个桅杆的顶端还设有三根拉索，其中两根 与看台相连，一根与中央内环相连；另外设环向 拉索将34根桅杆的顶点连成一体。
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2. 风洞试验


鉴于该挑篷结构外形复杂，且威海又是沿海强风 多发地区，故在设计前对其可能遭受的风荷载进 行系统的风洞模拟实验，是十分必要的。 试验在某大气边界层风洞中进行。模型几何缩尺 为1:200。
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(1)
(2)
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为保证内环整体提升的同步性，避免内环钢管的 变形过大，施工中将相邻提升点的不同步性控制 在50mm以内。 按照这一标准对内环的整体提升过程进行有限元 模拟。分析结果表明，当某一提升点发生较大位 移时，垂直吊索的拉力由理想状态的146kN增加到 不同步位移的171kN，内环钢管中由于弯矩所增加 的应力仅为0.04Mpa。 可见，由于钢管内环的相对柔性，不同步位移对 结构整体的影响较小。
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通过内力组合找出最不利内力情况，确定主要构 件尺寸为：桅杆规格为Φ560×12mm，内环钢管规 格为Φ950×20mm，上下拉索规格为Φ44mm。 膜材选用聚酯织物表面涂覆PVC外加PVDF面层。

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4. 节点设计
柱脚节点
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内环连接节点
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膜顶部节点
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混凝土梁端部连接节点


1 2 C pi = ( Pi − P∞ ) / ρv 2
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-0.3
3
.5
-0. 3
.3 -0
-0.
-0
-0.5
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-0.2 -0 0.1 .0 -0.5
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.8 -0. 5 -0.2 .0 0 0.1 -
-0.7
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.1 0 0.5
-0. 0
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体育场看台挑篷由34个连在一起的形状渐变的单桅杆 伞形膜结构单元组成。 挑篷水平投影呈椭圆形，外围轮廓尺寸237×209m， 内环尺寸205×143m，覆盖面积约25000m2。
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挑篷整体呈马鞍形分布，东西（椭圆短轴方向）两端 高，南北（椭圆长轴方向）两端低。最高处桅杆顶标 高40m，最低处桅杆顶标高23m。
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考虑到看台挑篷为开敞式结构，其上下表面均受 到风荷载的作用，所以在模型上下表面均布置了 测压点。 选取15m/s、20m/s、25m/s三种实验风速，模拟B 类地貌，近地湍流度>10%。 试验中，模型固定在试验段底板的转盘上，每隔 15°测一次，根据模型对称性，可得到0~90°范 围内7个风向下的模型上下表面风压值。 各测点的无量纲风压分布系数为：


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（4）膜单元脊索、谷索和边索的安装 在拉索安装后，整体挑篷结构的支承体系已形 成。围绕膜顶环搭设安装支架；安装脊索并将裁 剪热合后的膜块与各脊索连接；将脊索和边索固 定；初步固定各膜单元间的谷索； 按对称循环分布提升膜顶套环的原则对膜施加 预张力。在分布提升过程中，不断地调整相邻桅 杆间的谷索张力，直至各单元膜面张紧，光滑无 褶皱。
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(3)
(4)
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挑篷结构的折合用钢量仅为22kg/m2， 达到了很好的技术经济指标。
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6.5 膜结构案例分析
Case Study of Membrane Structures
主讲人：武 岳
哈尔滨工业大学
威海体育场
Weihai Stadium, China, 2002
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1. 工程简介
Fra Baidu bibliotek
威海体育场占地面积约40000m2，可容纳观众3万人。 看台为钢混框架结构，看台挑蓬为张拉式膜结构。