索膜结构挑蓬设计及膜结构事故分析.pdf

8 3 9 9 3 1 洳 硕士学位论文 论文题目 塞堪结塑拯蓬遂盐丛送结塑蔓遂佥堑一 所在学院 建王堂睦 提交日期 至壁竖生至旦 浙江大学硕士论文摘要 索膜结构挑蓬设计及膜结构事故分析 摘要 索膜结构体育场挑篷是一种不同于传统结构的挑篷结构形式 由于其独特新 颖 优美丰富的造型而越来越得到广泛的应用 并且它打破了以往 先建筑 后 结构 的设计过程 结构工程师一开始就直接参与到建筑的选型过程中来 索膜结构挑蓬的设计过程大致可以分为四个阶段 第一阶段是找形设计阶 段 即满足索膜初始张力平衡条件 同时接近设计者预想的曲面形状的求解过程 第二阶段是荷载分析阶段 即由初始形态设计的曲面形式 在各种外荷载作用下 求解其变形 索膜内力的过程 第三个阶段是裁剪分析阶段 即生成平面膜材的 裁剪下料图 第四个阶段是将上部索膜结构在外荷载作用下输出反力施加在下部 钢结构上进行校核 本文推导了用力密度法进行索膜结构形状确定的理论公式 并且通过力密度 法对某体育场司令台挑蓬进行形态分析 然后在此基础上运用非线性有限元法进 行荷载分析 总结了膜结构撕裂事故的各种原因 并对膜结构通病及一些工程破损 破坏 事故进行了分析 对一膜结构工程事故进行了研究 比较了实际结构与原设计结 构在相同风荷载下的受力情况 得出了膜面可能导致撕裂的原因 设计了四种破 损部分膜结构的加固方案 并且进行了比较 得出了最为优越的加固结构 对加 固结构抗风索在不同预应力下进行受力比较 发现了一些规律 关键词 索膜结构挑蓬 找形 荷载分析 力密度 工程事故 抗风索 浙江大学硕士论文 A B S T R A C T D e s i g no fC a b l ea n dM e m b r a n e S t r u c t u r e sA w n i n ga n d A n a l y s i so nA c c i d e n to fM e m b r a n eS t r u c t u r eP r o j e c t s A B S 瞰C T T h ec a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r ea w n i n go fs t a d i u mi saa w n i n gs t r u c t u r ef o r m w h i c hi sd i f f e r e n tf o r mt r a d i t i o n a lo n e s I ti sa p p l i e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nt h e p r o j e c t sd u et oi t sp a r t i c u l a ra n dn o v e l t ys h a p e A l s oi tb r e a kt h ea n c i e n t l yd e s i g n p r o c e d u r ew h i c hi sa r c h i t e c t u r ef i r s t s t r u c t u r es e c o n d T h ew h o l ed e s i g np r o c e d u r eo fc a b l ea n dm e m b r a n es t r u c t u r e sa w n i n gi sc o m p o s e do f t h r e ep a r t s T h ef i r s to n ei sf o r m f i n d i n ga n a l y s i s T h ea i mo ft h i sp a r ti ti st of i n da s a t i s f y i n g t e n s i o n e ds u r f a c eu n d e rt h ee q u i l i b r i u mb e t w e e nc a b l ef o r c ea n dm e m b r a n es t r e s s T h es e c o n di s l o a d i n ga n a l y s i s B a s e do nt h ef o u n df o r m i ti se x p e c t e dt og e tt h es t r a i na n ds t r e s so fc a b l ea n d m e m b r a n es t r u c t u r e su n d e rt h el o a d s T h et h i r do n ei sc u a i n gp a t t e ma n a l y s i s w h i c hg e n e r a t e dt h e n u m b e ro fm e m b r a n eb l o c ka n dt h ec u H i n gm e t h o d T h el a s to n ei sc a l c u l a t et h er e s u l to ft h e i n f r a s t r u c t u r eu n d e rt h el o a d sw h i c ha r ep a s s e df o r m s u p e r s t r u c t u r e T h i st h e s i sd e r i v e dt h ee q u a t i o no f f o r c ed e n s i t ym e t h o d A n das t a d i u ma w n i n g h a sb e e nd e s i g n e di nt h i st h e s i s T h ef o r c ed e n s i t ym e t h o dh a sb e e nu s e dt oa n a l y z e t h es h a p e a n dt h en o n l i n e a rf i n i t em e t h o dh a sb e e nu s e dt oa n a l y s i st h el o a d s S u m m a r i z et h er e a s o n so fm e m b r a n es t r u c t u r el a c e r a t e da c c i d e n ta n do t h e r m e m b r a n es t r u c t u r ec o m m o nf a u l t I na d d i t i o n a l t h et h e s i st a k ear e s e a r c ho na m e m b r a n ep r o j e c ta c c i d e n t C o m p a r et h er e s u l t so ft h e p r a c t i c a ls t r u c t u r ea n dt h e d e s i g ns t r u c t u r eu n d e rt h el o a d sa n dg e tt h er e a s o no ft h ea c c i d e n t T h e nf o u r r e i n f o r c ep r o j e c t sw h i c ha r ea d d e dw i t hw i n d r e s i s t a n c ec a b l ea r e s u g g e s t e da n d t h r o u g ht h ec o m p a r et h eb e s to n ei sb es e l e c t e d A tl a s t t h i st h e s i sc o m p a r et h ed a t e o ft h ew i n d r e s i s t a n c ec a b l eu n d e rd i f f e r e n tp r e s t r e s sa n d g e ts o m er e g u l a r i t yr e s u l t s K e y w o r d s C a b l ea n d m e m b r a n e S t r u c t u r ea w n i n g F o r m f i n d i n g L o a d i n g a n a l y s i s F o r c ed e n s i t y P r o j e c t sa c c i d e n t W i n d r e s i s t a n c ec a b l e 浙江大学硬士论文第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 体育建筑是体育运动的服务设施 其发展受到社会经济 政治 科技水平等 诸多因素的影响 体育建筑的兴衰也是各历史时期政治经济是否兴旺发达以及国 力强弱的标志 人类初期体育活动的是为猎取更多的猎物以求生存 随着社会生 产力的发展和科技文化水平的进步 人类从事体育活动的目的开始与社会 宗教 政治军事 文化艺术活动等紧密结合在一起 体育场系指能进行多种特定体育项目比赛的综合性体育运动场所 体育场起 源于古希腊 也被称为竞技场 当时主要是为了举行宗教庆典或者满足观赏格斗 要求而修建的活动场地 最早的体育场可以追溯到公元f i i f 7 7 6 年的古希腊奥林匹亚体育场 它围绕宙 斯神庙逐渐形成 叮容纳4 5 万人 在神庙的西北角还设有健身房 训练场 风 雨跑道等 其规模之大 设施之全在古代是首屈一指的 足见古希腊的强盛 保 留至今相对最为完整的古代体育场是古罗马时期修建的马罗考罗索姆竞技场 该 竞技场建筑平面长轴1 8 8 m 短轴1 5 6 m 场地长轴8 6 m 短轴5 4 m 建筑高度达1 8 5 1 有6 0 排观众坐席 疏散通道8 0 个 可容纳观众5 万人 马罗考罗索姆竞技场 以其高超的建造技术和巨大的工程难度成为古罗马的杰作 我国体育建筑的发展主要在新中国建国以后 国家以 发展体育事业 增强 人民体质 为目标 广泛开展群众性体育活动和组织各专业性运动队 从而推动 了体育设施的完善 一座座体育场馆在各省市拔地而起 据不完全统计 我国当 前有人型体育场 百六十余座 其中容纳人数超过一万人的有近四十座 随着 2 0 0 8 年北京奥运会的申办成功 以及对不久的将来申办世界杯的展望 亚运会 全运会 城运会 大运会 残运会等的举办 都将推动各城市体育建筑的兴建 体育场的建设必将在我国掀起一个新的高潮 例如 为了迎接2 0 0 7 年全国大学生 运动会的召开 在广州大学城要兴建8 个体育馆7 个体育场 早期的体育场都没有挑篷 如洛杉矶奥运会主会场 1 9 4 2 莫斯科奥运会 主会场 1 9 5 6 即便建有挑篷 其形式也相对简单 如1 9 3 6 年在柏林举办奥运 会时的体育场挑篷 其结构为螺栓球平板网架 而逐渐挑篷结构从无到有 从小 浙江大学硕十论文 第一章绪论 悬挑到大悬挑 从单一结构形式发展到组合杂交结构 通过各种结构的杂交组合 构造出新的体系 目前越来越多的体育场设置了挑篷 而其巨大的形状 起伏的 处理和用材的不同 往往成为不同体育场的标志 1 2 体育场挑篷的结构 1 2 1 体育场挑篷的特点 2 体育场挑篷由于使用功能的要求 一般需要较大体量 覆盖面积需几万平方 米 如表1 1 同时由于悬挑的特点 受力状况和布置受到很多限制 同时结构 大多呈空间状态 对体育场挑篷结构大致可归纳出以下几个特点 1 从体育场建筑的本身来看 形式 种类繁多 并与结构关系密切 2 从材料的应用角度来看 由早先的混凝土结构发展为钢结构 由低强度钢发 展到应用高强度拉索 表1 1 国内外体育场的面积指标 名称建造年代观众人数建筑面积 m 2 m 2 座 北京丁人体育场 1 9 5 97 0 0 0 07 2 3 0 01 O O 广州天河体育场 1 9 8 76 0 1 5 l6 5 6 0 01 0 9 山东体育中心体育场 1 9 8 75 0 0 0 05 5 0 0 01 1 0 北京国奥体育场 1 9 9 02 0 0 0 03 0 0 0 01 5 0 北京丰台体育场 1 9 9 03 3 5 6 02 2 8 8 3O 6 8 成都体育场 1 9 9 1 4 1 9 5 7 3 2 6 2 2 O 7 8 深圳体育场 1 9 9 33 5 0 0 04 1 1 6 9 1 1 8 石家庄裕彤体育场 1 9 9 63 7 0 0 07 2 0 0 01 9 5 上海体育场 1 9 9 7 8 0 0 0 01 7 0 0 0 02 1 3 广卅 奥林匹克体育场 2 0 0 18 0 0 0 01 6 0 0 0 02 O O 3 从结构组成来看 由早期的简单构件过度到平面结构 由平板型网架发展到 网壳结构 由单一的空间构架发展成各种单元的组合结构 见表1 2 和表1 3 4 从建筑的重要性来看 体育场挑篷往往是一个城市的标志性建筑 对提升一 个城市乃至一个国家起着一定作用 同时设计该种建筑已成为一个国家建筑水平 的集中体现 因此重要的体育场设计往往有多个国家的公司参与竞争 浙江大学硕士论文 第一章绪论 5 从结构受力角度来看 体育场挑篷大多呈空间受力状态 往往由多种类型的 单元组成 设计分析较为复杂 表1 22 0 0 2 世界杯韩国体育场一览 名称观众人数建筑面积 m 2 挑蓬结构形式竣 I 时间 汉城世界杯体育场6 3 9 8 0 9 4 0 4 5 管状桁架加拉索加膜 2 0 0 1 1 2 济州区归浦体育场 4 2 2 5 62 5 0 0 0 管状桁架加拉索加膜 2 0 0 1 1 2 釜山主体育场 5 5 9 8 29 4 0 4 5 索穹顶加膜 1 9 9 9 1 2 大邱主体育场 6 6 0 4 01 3 9 7 6 4 拱形桁架加膜 1 9 9 7 1 2 蔚山足球比赛场 4 3 0 0 36 5 0 0 9 桁架加拉索加膜 2 0 0 1 1 2 大田足球比赛场 4 2 1 7 61 1 5 7 5 4 管状桁架加不锈钢 2 0 0 1 1 2 水原足球比赛场 4 3 1 7 21 0 2 4 7 9 桁架加聚酯板 2 0 0 0 5 f 川体育场 5 2 1 7 99 6 1 0 0 桁架加拉索加膜 2 0 0 1 9 全州体育场 4 2 4 7 74 4 0 5 0 桁架加索加钢板2 0 0 1 1 2 光州体育场 4 2 8 8 0 3 0 9 1 3 桁架加不锈钢2 0 0 1 1 2 表1 32 0 0 2 世界杯日本体育场一览 观众人 名称建筑面积 m 2 挑蓬结构形式竣工时间 数 横滨国际体育场 7 0 3 3 61 7 1 0 2 4 钢桁架 不锈钢屋面 1 9 9 7 1 0 宫城体育场 4 9 1 3 35 7 5 6 4 钢桁架 不锈钢屋面2 0 0 0 5 大阪长居田径场 4 5 4 0 95 2 3 0 0 钢管组合桁架和膜 1 9 9 6 6 新泻县综合体育场 4 2 7 0 08 7 5 8 8 钢屋架和膜 2 0 0 1 3 静冈小笠山运动公园 5 0 6 0 06 9 0 0 0 钢桁架和膜 2 0 0 1 3 体育场 大分县体育公园主钢屋架穹顶和不锈钢 4 3 0 0 09 2 8 8 22 0 0 1 5 体育场 屋面 绮玉县体育场 6 3 7 0 07 0 7 7 7 钢组合桁架和膜 2 0 0 1 7 神户御崎公园体育场 4 2 0 0 05 4 4 6 2 钢桁架 不锈钢屋面 2 0 0 1 1 0 茨城鹿岛足球场 4 1 8 0 0 钢桁架和膜2 0 0 1 5 浙江大学硕士论文第一章绪论 1 2 2 体育场挑篷结构的彤式 1 l 现代体育场的挑篷从广义上说主要分为环状挑篷 如图1 1 和1 2 和主看台 挑篷两种形式 环状挑篷形式体育场的挑篷俯视大都类似圆环或椭圆环 也有呈 挖空的矩形的 挑篷在一周的平面上是连续的 可基本覆盖体育场一周的所有看 台 图1 1 郑州航海体育场 主看台挑篷形式体育场的挑篷通常设置于两边主看台 如图1 3 也有一 些体育场是仅在单边主看台设置挑篷 如图1 4 个别体育场在垂直于主看台的 副看台上也设置挑篷 相对来说 主看台挑篷的造价和建造难度要低于环状挑篷 但实际上 选择主看台挑篷的形式并不仅仅是考虑经济上的原因 也有很多美学 及与环境协调的要求 最初的主看台挑篷从俯视图上看呈矩形 属于相对简单的 形式 但随着经济的发展和对美学要求的进一步提高 更为美观的弧形挑篷已逐 渐成为设计的主流 近年来兴建的体育场基本上已不再采用矩形主看台挑篷的形 式 图1 2 广州市黄埔体育场 图1 3 扬州体育场 从结构的构件组成角度 体育场挑篷的结构形式可分为六大类 1 混凝土板壳挑篷 混凝土板壳挑篷应用于早期的体育场挑篷结构中 由于其自身重量较大 一 般悬挑尺寸较小 如悬挑1 8 米的哥伦比亚棒球场 委内瑞拉加拉卡斯竞技场大 看台 是2 7 4 m 预应力混凝土悬挑臂壳 壳厚7 6 e m 随着轻质高强材料的应用 目前已较少采用混凝土板壳作体育场 2 钢 砼梁或桁架 梁或桁架有其自身的优势 结构简洁 受力明确 巴黎王子体育场 采用预 制砼装配挑梁结构 蒙特利尔奥林匹克体育场为预制箱梁截面悬臂拱助 广东奥 林匹克体育场为一大型体育场 有看台固定座位8 0 0 1 2 席 花瓣式看台之间的 2 1 对塔柱上 向场内悬挑5 3 5 m 场外悬挑2 3 9 m 由8 4 根钢拉索调节平衡 两条飘带式钢屋盖总长为8 5 4 6 2 m 宽7 7 4 m 最高点7 2 4 5 m 最低点3 3 2 6 m 3 空间构架 空问构架是网架和网壳结构的通称 由于这种结构外部造型适应性强 分析 施工方便 是体育场挑篷中应用最为广泛的结构形式之一 如深圳体育场 取平 面由四段圆弧组成 南北主轴长2 5 8 m 东西主轴长2 0 0 m 看台面积为1 8 6 5 8 m z 共设3 2 5 0 0 个座位 1 9 8 5 年1 2 月出图的原设计为箱形截面悬臂钢梁 型钢檩条 附加支撑 总计用钢量为2 8 5 0 吨 而其后改用空问网壳结构 取得了优异的技 术经济效果 用钢量为6 7 0 吨 檩条用钢量为1 4 0 吨 总计用钢8 1 0 吨 比原设 计减少了2 0 4 0 吨 说明刚壳结构具有较大优势 4 索和膜 索结构应用于屋盖已有很长历史 而膜应用于屋盖则是近三十年的事 索膜 浙江大学硕士论文第一章绪论 结构在体育场挑篷中也得到较好的应用 如慕尼黑奥林匹克体育场 帐篷式正交 形索网 跨度2 5 0 m 沙特阿拉伯体育场索杆支撑帐篷式膜体系 立柱高5 9 m 悬挑达5 6 m 国内近几年已建成多座索膜体育场挑篷结构 这也是本文研究的重 点 将在后面详细介绍 5 杂交结构 拱形结构与其他结构的组合 越南国家中央体育场位于首都河内西部 是 2 0 0 3 年东南亚运动会的主会场 可容纳4 万名观众 钢结构屋盖分别安装在东 西看台上方 整个钢屋盖造型颇具现代气息 看台正前方由1 榀净跨1 5 6 m 的主 桁架挑起钢屋盖 极大地开阔了看台的视野 整个钢屋盖结构立柱为直径 4 1 2 x 1 9 m m 钢管 高6 4 m 但根重约5 0 吨 主要承受大跨度主桁架传来的垂直 荷载 大跨度主桁架外形如纺锤 净跨1 5 6 m 跨中截面高1 2 m 宽6 m 由上下 2 个三角桁架组成 总重约4 0 0 吨 主要承受由单层钢网传来的近一半的荷载 单层钢网壳由径向钢管及纬向钢管组成 总重约6 5 0 吨 径向钢管一端与主桁架 连接 另一端与混凝土柱连接 主要承受屋面荷载及传递主桁架的水平荷载 拉索结构与其他结构的组合 黄龙体育中心主体育场底部半径1 5 0 m 的正圆 形 比赛场地为南北向纵轴长 东西向横轴短的椭圆形 南北两端是两座吊塔 项标高8 5 m 内环梁中心线为处于倾斜平面上的圆弧 半径为1 3 7 0 4 2 m 中间 最高点标高为3 9 m 挑篷由内外环梁支撑 其平面投影为月牙形 中问处最宽为 5 0 m 挑篷结构由吊塔 斜拉索 内环梁 外环梁 网壳和稳定索组成 是一复 杂的空间杂交结构体系 大型环状索桁结构在体育场挑篷结构中也有所应用 德国斯图加特纳卡的体 育场挑篷 马来西亚吉隆坡室外体育场 韩国釜山体育场是成功的例子 但对该 种类型的体育场挑篷结构研究刚起步不久 对体系的改良和发展 性能的分析和 研究尚需深入 6 开合结构 堪称第三代体育场挑篷结构的开闭式结构也已有应用 开闭式屋顶结构设计 主要有如下几个问题 1 开闭式支承结构与移动结构的受力关系 2 移动结构 的驱动 行走方式 3 安全装置及控制系统 4 多工况下 含机械启动 刹车 时的惯性力 的受力分析 国内的研究及应用相对滞后 只有天津大学作了较深 6 浙江大学硕士论文 第一章绪论 入的研究 1 9 8 9 年加拿大多伦多市建成了 个可开关屋顶的大型体育场 天 空穹顶 1 9 9 3 年日本的福冈市又建成了另一个同类的体育场 福冈穹顶 同 时 一些国家也先后展开了对可开合屋顶巨型体育场的研究 1 3 索膜结构体育场挑篷1 4 索膜结构体系采用轻质高强的索和建筑膜材构成的张拉体系 索膜结构体系 作为体育场挑蓬的优选结构体系 其原因是索膜结构具有与生俱来的结构优势 它简洁优雅的结构体系与外观 与原建筑及周边环境易于协调 我国自1 9 9 7 年 通过引进国外膜结构技术建成上海八万人体育场看台挑蓬后 相继完成了上海虹 口体育场和青岛 义乌 武汉 郑州等城市体育场挑蓬的建设 许多不同造型的 索膜结构体育场已成为当地具有特色的标志工程 其中规模较大的有上海八万人 体育场 青岛市颐中体育场 义乌市体育场 烟台市体育中心体育场 芜湖市体 育场 威海市体育中心体育场 嘉峪关市体育场等的看台挑蓬膜结构 图1 4 为 这些大型体育场挑蓬的外观 其结构模型和几何特点见表1 4 表1 4 大型体育场看台撬蓬膜结构工程 工程名称结构模型结构特点 上海八万人体 平面尺寸 2 8 8 4 m 2 7 4 4 m 覆盖由5 7 个伞状膜结构单元覆盖在沿 面积 2 8 9 万m 2 膜材 P T F E 总径向 环向布置的立体桁架上 径 育场 用钢量 3 0 0 0 t 建成时间 1 9 9 7 年向桁架最大悬挑7 2 5 m 平面尺寸 8 6 m 2 9 0 m 1 8 0 m 6 0 个立柱支承的6 0 个膜单元分布 青岛市颐中 覆盖面积 3 0 万m 2 膜材 法拉 体育场 利1 3 0 2 T 用钢量 9 0 k g m 2 建成 在内环索与外环钢桁架间 由柱径 时间 2 0 0 0 年8 月 向内悬挑3 7 m 向外悬挑7 m 挑蓬呈梭形树叶状 两端设6 0 m 的 覆盖面积 1 6 1 万m 2 膜材 法拉钢桅杆 顶端设3 根锚索 中间l O 义乌市体育场 利1 3 0 2 T 用钢量 6 2 k g m 2 建成 脊谷索式膜单元支承丁二1 I 榀悬挑 时间 2 0 0 1 年1 0 月 桁架 两端为三棱锥形膜单元 桁 架最大悬挑4 9 m 平面尺寸 2 3 6 m 2 0 5 m 椭圆形 由3 4 个连成一体 形状渐变的单桅 覆盖面积 1 5 3 万m 2 膜材 P V D F 杆伞形膜单元组成 每一单元则由 威海市体育场 用钢量 2 2 k m 2 建成时间 2 0 0 1 单桅杆谷索 脊索 翼索 边索及 年1 2 月张力膜组成 膜单元悬挑长度 1 7 3 0 m 平面尺寸 2 5 4 m 2 2 5 m 覆盖面积 在由4 6 个v 形支架支撑的二 个柱 芜湖市体育场 2 0 7 万m 2 膜材 米乐F R 1 0 0 0 面网亮F 吊4 0 个火小不等的锥形 用钢量 3 8 k g m 2 建成时间 2 0 0 0膜单元 内环索呈空问曲线 悬挑 年1 2 月 3 0 4 4 4 9 m 7 固1 4 索膜结构体育场 在这些体育场看台挑蓬结构工程中 根据各自造型特点分别选用了在悬挑钢 桁架的基础上加设环向桁架 或设置与建筑方案协调的斜拉索 中间拱架等 或 利用柔性索系与悬挑桁架的组合或利用空间钢构架等作为支承体系 青岛市颐中 体育场罩蓬的膜单元是一种典型的膜单元布置形式 由6 0 个锥形膜单元组成的 脊谷式张拉膜结构组成 每个单元由一个立柱支撑 自口端与主内环索相连 通过 脊索和谷索张拉膜体 再由立柱 上环梁 斜腹杆 下弦杆 下拉杆等组成的钢 桁架体系传给下部钢筋混凝土看台 而上吊索和下拉索则主要用来承受活荷载和 风荷载 用于体育场看台挑蓬的膜结构由于悬挑长度往往较大 屋面自重较轻 结构 支承点较少 如何有效地增强结构整体刚度是这类结构设计时应予关注的问题 同时如何恰当利用索 膜预应力也是很关键的问题 随着学校体育设施的完善 浙江大学硕士论文第一章绪论 一些大中型看台挑蓬膜结构往往是首先考虑的方案 正在兴建的大型膜结构体育场主要有北京奥运会主体育场 鸟巢 图4 5 广东佛山世纪莲体育场 图4 6 以及南通会展中心主体育场 图4 7 等 图4 5 北京奥运会主体育场 鸟巢 北京奥运会主体育场的鸟巢方案经优化调整改动 最终取消了原定的开合屋 盖方案 扩大了开口面积 1 8 5 r e x1 2 6 m 但仍维持了原设计方案的韵昧 观众 座席由1 0 万人降至9 1 万人 结构用钢量由5 3 8 万吨降至4 1 8 万吨 屋面采用 透光率高的单层E T F E 膜材 以1 0 2 4 个膜单元覆盖在上弦网格 最大单元约2 5 m 2 最小单元仅5 m 2 共计约3 8 万m 2 在主桁架下弦及次结构之下采用P T F E 膜材 作为声学吊顶 并由上层的后部向下延伸 屋面开口内环桁架侧面采用P T F E 膜 材封闭 P T F E 膜材总面积约5 3 万m 2 广东佛山世纪莲体育场屋盖 圆环形平 面 外径3 1 0 m 内径1 2 5 m 是我国目前跨度最大的膜结构 它在内外环间沿径 向设有4 0 组上下交互叠置排列的钢缆 并覆以膜材 结构外形呈折板状 寓义 莲花盛开 膜展开面积达7 8 万m 2 南通体育会展中心主体育场是目前国内最大的一座开合式膜结构 主体结构 包括6 个主拱 5 个次拱 2 个斜拱及1 道内圈桁架及其支撑体系 主 次拱架 浙江大学砸I 礁文 第一章绪论 最大跨度分别为2 7 8 m 2 8 0 m 主次拱间距2 0 m 次拱中部隔断支承于斜拱 在 主次拱部分屋盖采用单层网壳 通过铜丝绳牵引实现结构的开台 开1 5 1 范围为 1 0 5 m 1 9 0 m 在活动犀盖的单层网壳上覆咀膜材技术效果当属最佳 较轻的层 盖材料既有利于下部固定支承拱架的受力 又可减轻活动屋盖开宿时机械牵引的 负担 1 4 本文的主要工作 本文主要做了以下几个方面的工作 l 膜结构体育场挑篷是 种不I 刊于传统结构的挑篷结构形式 由于其独特 新颖 优美丰富的造犁而越来越得到广泛的虚用 并且它打破了以往 先 建筑 后结构 的设汁过程 结构工程师一丌始就直接参与到建筑的选 型过程中来 本文根据当今流行的索膜结构设计软件的操作步骤 总结 索膜结构挑篷的一般设计过程 2 本文推导用力密度法进行索膜结构形状确定的理论公式 用力密度找形 的 个关键问题是如何将膜片离散 本文推导用离散方法运用于力密度 找形分析中 3 运用力密度方法对浙汀某大学体育场刊令台挑篷进行形状分析 并用非 线形有限兀法对其进行荷载分析 4 总结膜结构撕裂事故的各种原因 并对膜结构通病包括褶皱 污渍 色 差等常见疵病及一些工程破损 破坏事故进行分析 对一膜结构工程事 故进行了研究 取其破损跨悬挑部分膜结构进行了计算分析 比较实际 结构与原设计结构在相同风荷载下的受力情况 得出膜面可能导致撕裂 的原因 设计四种破损部分膜结构的加固方案 并且进行静力分析 得 出最为优越的加固方案 最厉对加同方案重新进行计算分析 本章参考文蘸 l 朱川海 大型体育场主看台挑篷的风荷载特性与风致响应研究 同济大 学博士论文 2 0 0 3 学博士论文 2 0 0 3 浙江大学硕士论文 第一章绪论 2 高博青 大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的性能研究 浙江大学博士论 文 2 0 0 4 3 蓝天 刘枫 中国空间结构的二十年 第十届空间结构学术会议论文 集 2 0 0 2 4 严慧 翁晓博 我国膜结构的成就 展望与思考 结构与地基新进展 2 0 0 5 5 刘锡良 现代空间结构 天津大学出版社 2 0 0 3 6 聂世华 钱若军等 膜结构技术评述 空间结构 1 9 9 9 7 李中立 张文英等 青岛体育场膜结构挑蓬 第九届空间结构学术会议论 文集 2 0 0 0 8 甘明 柯长华等 烟台体育场挑蓬设计研究 第九届空间结构学术会议 论文集 2 0 0 0 9 9 向阳 郭正兴 威海市体育场看台挑蓬 钢结构与建筑业2 0 0 2 年第4 期 1 0 K a z u o1 M e m b r a n eD e s i g n sa n dS t r u c t u r e si nt h eW o r l d T o k y o S h i n k e n c h i k u s h aC o L t d 1 9 9 9 1 1 严慧 夏循 我国内地膜结构的应用与发展前景 钢结构2 0 0 4 年第2 期 浙江大学硕士论文 第 章索膜结构挑篷的设计概述 第二章索膜结构挑篷的设计概述 膜结构挑篷 由于采用膜材这种新型材料和很大的跨度 有其比较独立的 设计流程 膜结构的设计过程主要有前处理 找形设计 荷载分析 剪裁设计和下部 结构设计与验算五个阶段 对于找形设计和剪裁设计 由于膜材大变形和非线 形等特殊性质 需要有专门的软件来进行分析 目前许多膜结构公司都开发出 自己专用的膜结构分析软件 各高校开展这方面研究的也很多 荷载分析这一 阶段是比较接近于传统结构的 也常常依赖于大型的有限元结构分析软件进行 计算 包括强度分析 稳定分析 动力分析等 2 1 索膜结构挑蓬设计的一般过程 3 1 现代索膜建筑的设计过程是把建筑功能 内外环境的协调 找形和结构传 力体系分析 材料的选择与剪裁集成一体 借助于计算机的图形和多媒体技术 进行统筹规划与方案 发计 再用结构找形 体系内力分析与剪裁的软件 完成 索与膜的下料与零件的加工图纸 最后结合下部结构进行验算 索膜结构的整个设计过程是建筑 结构方案的选择与结构分析计算的交叉 反复 如果没有专用的计算机辅助设计系统的应用 很难想象在短时间内能够 得出最优的方案 计算机辅助设计系统的应用 是膜结构设计方法发展的必然 趋势 膜结构是一种新颖的结构形式 其相应的计算机辅助设计系统必有特殊 性 现就目前膜结构计算机辅助设计系统的开发情况 介绍一下索膜结构设计 的一般过程 图2 1 所示是运用索膜结构设计软件进行索膜建筑设计的一般过 程 2 1 1 前处理 主要定义膜结构的几何模型 材料特性 外荷载 并能从各个角度显示出 结构的外形以验证几何形状的 F 确性 同时生成结构分析系统进行找形分析 荷载分析所需要的数据 目前可视化软件多采用图形输入法输入结构的几何外 形 图形输入法是直接输入结构的图形 而不是图形的几何数据 具有直观 形象的特点 图形输入法是以人机交互方式工作的 可以边输入边显示 有错 1 2 浙江大学硕士论文 第二章索膜结构挑篷的设计概述 即改 有漏就补 十分方便灵活 材料的特性主要包括膜材的经纬两方向的弹 性模量 最大允许应力 脊索 边索的弹性模量 最大允许应力 外荷载主要 包括风荷载 雪荷载 自重等 另外还包括初始预应力值 受压构件的截面面 积等 2 1 2 找形 荷载分析 图2 1 设计流程图 浙江大学硕士论文 第二章索膜结构挑篷的设计概述 膜结构的找形分析和荷载分析可以合称为结构分析 主要完成膜结构的找 形 形状判定和内力分析 输出位移 应力和其他后处理系统所需要的数据文 件 膜结构是纤维织物构成的 虽然膜材在平面内能承受很大的拉力 但它不 能承受平面内的压力和平面外的弯矩 不然膜面会松弛 继而失去刚度出现俗 称的褶皱 判断结构是否会出现褶皱是判断索膜结构预应力大小选取是否合适 判断索膜结构建筑外形是否合理的一个关键因素 找形和荷载分析的最主要目 的也在于此 有褶皱的索膜结构不能体现索膜建筑的力与美 通过找形 得到了结构的曲面几何及其相应的预应力分布 接下来的工作就 是荷载的分析了 荷载态分析的目的 是检查在各种荷载组合下 结构的刚度是否足够 膜面 的应力和变形是否在许可的范围内 亦即是否能保证结构的稳定及防止褶皱的出 现 是否会出现过大的变形导致应力松弛或因应力过大导致膜材破坏 是否在风 雪荷载因变形过大而影响结构的使用功能 是否会因风激振动而导致结构破坏 等等 作用于索膜结构上的荷载主要有 自重 设备重量 风雪荷载以及维护荷 载等等 这些荷载都可以作为面荷载转化为等效节点力 在膜结构受荷分析的过程中 风荷载常常是结构的起控制作用的荷载 韩 国济州岛世界杯足球赛场的膜结构在2 0 0 2 年的台风中也被掀去了 主要原因是 由于局部构造措施不当 导致应力集中所致 对于很简单的几何形式 规范是 可以借鉴 对于重要性的结构 风洞实验是确定设计参数的必要手段 索膜结构受荷分析时 雪荷载也是很重要的荷载 雪荷载对膜结构的影响不 仅是考虑膜结构对雪荷载的承受能力 是否会被罕见的大雪压跨 积雪对膜的影 响不仅仅如此 由积雪造成的膜长期受荷所产生的非常规徐变会减低膜的预张 力 严重的话会造成膜丧失预张力导致失稳 有可能的话 在结构选形时要尽量 避免产生积雪 也就是说 曲率设计切忌平缓 这在北方尤其重要 需要注意的 是 积雪荷载通常是非均匀分布的 要视结构的表面形状作相应的调整 2 1 3 剪裁分析 剪裁分析和下部结构验算构成了后处理 结果显示应该能从各个方向显示膜 浙江大学硕士论文第一二章索膜结构挑篷的设计概述 结构的线框图形和位移 并且能显示其实体模型 此外显示模块还应具有另一重 要功能即应力的可视化 如采用应力彩色图和应力数值标注相结合的方式显示模 结构的应力 这样就非常容易找到应力异常区和褶皱区 剪裁分析的方法有很多种 一般是在初始形态分析的基础上 利用不同的离 散方法进行拟合 常用的方法如动态规划法 把空间任意曲面近似展成平面 即 基于动态规划的基本思想 把空间任意曲面划分成有限个相邻的条块 称之为条 元 依次藕联计算出每一条元的展开形状 便可得到整个曲面的展开 应用单 值变换把空间曲面近似展成平面 有根据测地线的原理 应用广义泛函变分取极 值 得到膜结构盐面上的测地线 然后依据测地线计算裁剪线 生成裁剪图 剪裁分析的功能主要生成考虑由初始预应力引起的经 纬方向伸长和连接影 响的剪裁下料图和D X F 等格式能被普通计算机辅助制造系统接受的数据文件 以 便据此利用人工和计算机辅助制造系统进行膜材的剪裁操作 2 1 3 下部结构验算 7 l 对下部结构进行验算通常有两种方法 一种是将上部索膜结构和下部支撑结 构分开分析 在下部结构模型上盖上轻型屋面板 轻型屋面板作为恒荷载 应用 荷载传递的原理 将荷载作用下产生的支座反力作为荷载施加在下部结构上 再 进行下部结构的分析计算 这种方法适用于支撑结构刚度较大 控制点位移较小 的情况下 分析效率较高 同时复杂程度大大降低 第二种是将找形后的索膜屋面与下部结构组成一体 用非线形有限元方法分 析结构在各种荷载组合下的位移 支座反力及内力等 此方法适用于支撑结构较 柔 在外荷载的作用下会发生较大的变形 在迭代计算过程中 索膜结构与支撑 结构会发生相互作用 并且在相互作用下协同变化 2 2 设计方法简介 2 2 1 物理模型法 3 早期 工程师通过制作物理模型来进行张力结构的设计 为了能对实际结构 的行为有一个直观的认识 物理模型必须模拟实际结构的行为 通过对一个结构 模型的测量以得到张力结构初始曲面设计的参数 可是对于常采用的皂膜模型测 浙江大学硕士论文第二章索膜结构挑篷的设计概述 量极为不便 而铂片或金属丝由于制作费用昂贵 且测量技术要求很高 以及不 可避免的误差等 使得确定的初始几何尺寸不很精确 从而限制了这种方法的应 用 然而 直至如今 设计制作物理模型仍然是设计过程中十分重要的一部分 它能有效地观测到初始设计的张力结构的可行性和局限性 1 肥皂泡和液体塑胶薄膜 许多张力结构被设计成等张力曲面 在等张力条件下 膜面内无剪应力存在 这也是使得膜面在初始条件下面积极小曲面的条件 肥皂泡和液体塑胶薄膜非常 适用于制作物理模型 来观察张力结构设计的可行性和局限性 因为液体薄膜形 成的空间曲面就是等张力曲面 它只能承受张力 但不能承受剪力 在任意边界 条件和荷载作用下 薄膜也都是趋于等应力的最小曲面 肥皂膜在边界作用下会 形成负高斯曲率的张力曲面 曲面内每点上的主应力方向都是互相垂直的 通过 拉伸边界 我们可以找到等应力面的范围 皂膜还可以用来观察膜面在外荷载作用下的反应 对着肥皂泡张成的膜面 吹气 观察膜面的变化 膜面在各点的应力仍然保持一致的前提下 曲面形状 将发生改变 以便来平衡外荷载 主曲率方向将相应地发生改变 当荷载足够 大时 膜面甚至会变成正高斯曲率的曲面 我们用金属丝模拟固定边界 用细线模拟索 制作模型观察实际结构的行 为 但物理模型和实物之问有一定的差别 如实际膜材没有液体那么柔软易变 形 而且实际膜面的变形也取决于膜材的双轴应力应变性能和外荷载 1 6 浙江大学硕士论文第二章索膜结构挑篷的设计概述 2 弹性织物 一些轻柔的弹性织物也可以用来制作大跨度的自应力模型 细金属线及木 杆可以用来制作索和桅杆 通过制作此种模型 可以观察膜材是如何被张拉形 成的 图2 3 所示为用弹性织物张拉形成的物理模型 2 2 2 计算机设计方法1 4 张力结构的分析其实是一个材料非线形和几何非线性复合的问题 但在一 定应力范围内 膜材的应力应变关系仍然遵循线性关系 因此 我们在实际计 算时 做了相应的简化 不考虑膜材的材料非线性性质 只考虑结构在外荷载 作用下变形的几何非线性性质 荷载分析通常是在一种预应力平衡的状态下进行的 为了找到这样一种在 给定预应力条件下平衡的唯一形状 我们也要采用非线性的方法来分析 找形 就是用来找到这一初始平衡态的分析过程 张力结构的计算机分析方法是基于有限元理论的 索 膜 支柱和梁都被 离散化为许多单元 这些单元在节点上是连续的 一些节点的位移约束 另一 浙江大学硕士论文第二章索膜结构挑篷的设计概述 些节点自由 节点的空间位置决定了整体结构的空间形状 至今 已经有许多 计算机方法被提出来解决张力结构的找形问题 不同的方法在解决这一非线性 问题上会有不同 但有一点是相同的 就是它们针对某 特定的建筑外形都必 须能得到唯一的平衡状态 这种唯一的平衡状态是指在 定预应力下 用一种方 法只能得到唯一的找形结构 不同方法之间可能存在一定的差异 目前比较流行的找形方法有 力密度法 动力松弛法和非线性有限元法 1 力密度法 所谓力密度是指索段的内力与索段长度的比值 把索网或等代的膜结构看成 是由索段通过结点相连而成 在找形时 边界点为约束点 中间点为自由点 通 过指定索段的力密度 建立并求解结点的平衡方程 建立每个结点在三个方向的 平衡方程 只是和相邻点的坐标和力密度相关的线性方程 可得各自由结点的坐 标 即索网的外形 不同的力密度值 对应不同的外形 当外形符合要求时 由 相应的力密度即可求得相应的预应力分布值 力密度法的优缺点 力密度法的特点和优点是只需求解线性方程组 计算精 度能满足工程要求 目前在德国较为流行 著名的膜结构设计软件E A S Y 就是用 力密度法找形的 它是通过将膜结构离散成索网形式进行找形 缺点是结构的最 终应力分布难于控制 结果要不断的调整力密度的大小来获得满意的应力分布 失去了线性解的意义 在找形完成以后还要通过矩阵法进行荷载分析 2 动力松弛法 动力松弛法从空间和时间两方面将结构体系离散化 空问上的离散化是将结 构体系离散为单元和结点 井假定其质量集中于结点上 如果在结点上施加激振 力 结点将产生振动 由于阻尼的存在 振动将逐步减弱 最终达到静力平衡 时间上的离散化 正是针对结点的振动过程而言的 具体说 先将初始状态的结 点速度和位移设置为零 在激振力作用下 结点开始振动 跟踪体系的动能 当 体系的动能达到极值时 将结点速度设置为零 运动过程从当前几何位置开始并 将经历更多的极值点 直到结构的动能进一步减少并趋向零 此时到达静力平衡 点 动力松弛法不需要形成结构的总体刚度矩阵 在找形过程中 可修改结构的 拓扑和边界条件 计算可以继续并得到新的平衡状态 浙江大学硕士论文第二章索膜结构挑篷的设计概述 3 有限元方法 有限元法找形现在已成为较普遍的索膜结构找形方法 尽管有不同的叫法 但其基本算法不外乎上述两种 即从初始几何开始迭代和从平面状态开始迭代 基于非线形有限元的薄膜形态确定方法有支座位移法和节点平衡法 显然 从初 始几何开始迭代找形要比从平面状态开始来得有效 且所选用的初始几何越是接 近平衡状态 计算收敛越快 但初始几何的选择井非容易之事 两种算法中均需 要给定初始预应力的分布及数值 在用有限元法找形时 通常采用小杨氏模量或 者干脆略去刚度矩阵中的线性部分 外荷载在此阶段也忽略 目前找形中应用较多的是非线形有限元法 这是因为非线形有限元法具有较 高的计算精度 随着计算机性能的提高 在很大程度上提高了它计算的速度 2 3 本章小结 索膜结构挑蓬的设计不同于传统结构 它分为四个部分 上部索膜结构的 找形 荷载分析 剪裁分析和下部结构设计与验算 其分析计算需要有一定的 数学 力学和工程学基础 随着计算机技术的发展 软件水平的提高 利用计 算机技术来进行膜结构的设计已经成为索膜结构挑蓬设计的根本保证 虽然有 多种分析理论被提出来 并运用于索膜结构的分析 但不论采用那种理论 其 设计步骤都是相同的 本章介绍了索膜结构挑蓬设计的一般过程 同时 也对 早期的计算理论进行了回顾并且对现今的三大计算机设计方法进行了介绍 本章参考文献 1 徐旭东 膜结构分析的全过程 浙江大学硕士论文 2 0 0 3 2 何志军 大型体育场挑蓬的结构分析 设计理论与工程实践 同济大学博士 论文 2 0 0 3 3 吴开成 关富玲等 张拉膜结构的设计与分析 空间结构 2 0 0 4 年第一期 4 索和膜结构 张其林 同济大学出版社 2 0 0 2 5 张拉索一膜结构分析与设计 杨庆山 姜忆南 科学出版社 2 0 0 4 6 膜结构工程设计 陈务军 中国建筑工业出版社 2 0 0 5 7 谢铁华 空问索杆式展开结构的动力学分析及组合式膜结构的整体分析研究 1 9 浙江大学硕士论文 第二章索膜结构挑篷的设计概述 浙江大学硕士论文 2 0 0 4 8 EO t t o e d T