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中国小商品城福田市场一期工程膜结构工程设计


摘　要：本文简要介绍了中国小商品城福田市场一期工程膜结构工程，包括主入口梭形覆盖膜与次入口张拉膜的设计、结构分析、节点构造与制作，斜拉空间桁架的设计、结构分析与相贯加工制作。
关键词：覆盖膜，张拉膜，斜拉空间桁架（网架）

1.工程概述

　　中国小商品城福田市场一期工程位于浙江省义乌市福田市场圆区F区块，总建筑面积31.8万平方，由A、B、C、D、E五个市场交易区组成，建筑层数为五层，层高4.2-5.1米，结构类型为全框架，全现浇钢筋混凝土结构。在B区、A与B区、B与C区入口为标志性装饰膜结构。


2. 膜结构设计

2.1 B区主入口膜结构
　　B区主入口膜构为梭形，双层覆盖膜，膜材采用乳白色法拉利 PVDF1202T，膜面积2500m2。梭形建筑尺寸为：平面长轴为70米，主跨43米，短轴27.2米，结构厚3.0米，建筑厚3.5米，标高23.0米。梭形结构支撑体系为斜拉空间桁架，节点采用相贯体系。支撑柱采用相贯格构体系，柱顶标高为38.5米。图1为B区主入口膜结构三视图。


图1 B区主入口膜结构平面、侧立面、正立面与透视图

2.2 次入口膜结构设计
　　次入口膜结构有两个，分别在A与B区、B与C区入口，为相似帆形张拉膜构，膜材采用法拉利PVDF1202T，上端张拉在门式钢排架上，标高28.5米，下端两个支承点（约5.0米与7.0米）由钢索与钢筋混凝土墩锚接（1.8米高），膜跨越度26，支承点水平距离39米，膜面积约308M2。拉索采用国产高强镀锌钢丝绳和钢丝索，具有双层PE保护套及相应热铸锚具和调节器。两个膜结构略有差异，由于在A与B区一个落地锚点避开汽车道而向内侧移动5m，但总体建筑造型一致。图2为次入口膜。


图2 次入口膜构平面、侧立面、正立面与透视图

3 膜结构分析

　　膜的设计与分析主要考虑：抗拉强度、撕裂与接缝强度，变形限制。本工程采用法拉利PVDF 1202T，其经纬向强度112kN/m、撕裂强度0.8kN。对主入口膜而言，由于桁架间距4.9m左右，在雪、风压以及自重和预张力作用下，受力和变形都很小。在风升作用下，上层膜会与钢构分离（节点构造仅保证膜边缘节点与桁架连接），下层膜与钢构接触，因此，膜受拉力较大，下层膜受力很小。考虑膜加工制作和对称性，仍将膜上下对称分割为图3形式，减小膜片受力面积。


图3 膜安装单元划分

　　次入口为张拉膜，膜自由跨度大，最长约27m，且两端锚固点仍为约10m长的索，因此，锚墩间距近40m。虽然膜具有一定的马鞍形，但曲率较小，膜的空间作用并不显著。因此，膜在外载荷作用下受力与变形较大，必须在膜与索内施加较大的预应力以保持膜的性态，维持形状和变形能力。
　　根据规范，风载荷计算：wk=βz x µs x µz x w0，βz：振系数1.8，µz：高度系数1.25，w0：基本风压0.35（kN/m2），µs：体形系数（风工况1：风升0.6，风工况2：风压0.8。则风压设计值：0.63kN/m2，风升设计值0.4725kN/m2。膜经纬向预力6kN/m，边缘索预力经调整优化确定。在风升+自重+预力作用下，膜经纬向13.0、9.1kN/m，安全度大于6；挠度2.5m，挠度跨度比小于1/15。在风压+自重+预力作用下，膜经纬向23.0、12.8kN/m，安全度4.9；挠度1.72m，挠度跨度比小于1/15。根据ASCE1852和日本规范（在长期载荷下，安全度大于4，短期载荷下安全度大于6），膜强度与变形均处于安全范围，但在风压下膜内力偏高，而且在施工中还必须保证膜、索预力。

4 主入口斜拉空间桁架分析

　　主入口膜构设计受到充气膜的启发，但由于受到技术的限制，采用了形似的骨架膜结构体系。桁架布置的总体满足膜外形要求，桁架间距不宜过大，体系力求简洁，经过各种方案比较，最后采用平面桁架系组成的空间桁架体系。由于杆件间角度小，采用焊接球或螺栓球都会出现特大球节，因此采用直接焊接的相贯体系。
　　图4为主入口斜拉空间桁架的布置与三视图。上下对称、前后非对称梭形空间桁架被斜拉索吊在两个1.2x1.2m的方形格构柱上。上侧拉索对称布置，一个柱八根。同时，在桁架下侧设有稳定拉索，前后边缘各四根，后侧拉索四根形成正放四角锥，更好地稳定桁架。桁架上下弦各一个节点与由柱附加的腹杆理想铰接，保证弯矩的完全释放。



图4 斜拉空间桁架平面、立面与透视图

　　上下弦杆视为刚接梁单元，腹杆为杆单元，索为仅承受拉力的杆单元。柱的四根主管与联杆皆设为梁单元，桁架与柱铰接，拉索内施加一定的预力。经优化分析确定的杆件截面见表1，主跨中间纵向两榀上下主管219.1?8，腹杆Ф88.5x5，梭形边缘杆Ф219.1x6，横向弦杆Ф140x5，材质全为Q235B高频焊管，与柱连接的一榀横向杆为Ф180x8，材质为20#无缝管。索全部取Ф28钢丝索（5x19，钢丝强度1670MPa）。柱四根主管中有三根为Q235B 高频焊管Ф273x10和一根Q345B无缝管 Ф273x14，这一根位于靠跨内侧悬臂大的角点，建筑考虑四根管外径一致较美观，联杆Q235B Ф165x6。
　　设计载荷：膜预力经纬向2kN/m，风升0.56kN/m2，考虑非对称3/4，即入口柱外侧取0.56，内侧0.42kN/m2。雪均部0.4kN/m2。恒+预力+活载荷作用下柱顶最大水平位移：106.73mm，柱高38m，高度位移比值1/358，满足刚度要求。跨中挠度：117.65mm，跨度43m，挠度跨度比1/365，满足刚度要求；恒+预力+风升作用下柱顶最大水平位移：35.7mm，柱高38m，高度位移比值1/1064，满足刚度要求。跨中挠度：39.29mm，跨度43m，挠度跨度比1/1094，满足刚度要求；恒+预力+雪下柱顶最大水平位移：73.79mm，柱高38m，高度位移比值1/515，满足刚度要求。跨中挠度：203.41mm，跨度43m，挠度跨度比1/211。杆件强度与稳定性按照强度优化并考虑稳定系数确定，同时考虑相贯焊接构造要求，主管直径、壁厚不小于支管等，以及节点强度与变形分析要求。

表1 空间桁架杆件截面



5 节点细部设计

　　节点设计是工程设计的灵魂，关系工程安全和结构分析模型合理性。主入口膜与中间桁架和边缘桁架连接节点。膜经过张拉器预张拉，然后在节点用螺栓琐住。由于膜片不大，经过两次预张拉后琐定，不考虑调节，其节点如图5（a）（b）。但对次入口膜边缘节点必须考虑索可调节，保证在施工完之后，进行再次张拉以消除膜松弛，其节点如图（c）。Ф32以下钢丝绳用压接锚具，以上用热住铸锚具。钢丝索则用冷铸锚具。






图5 膜结构节点设计 （a）上下双层膜与边缘钢管连接节点；（b）上层膜与桁架连接和跨越桁架节点；（c）次入口膜边缘节点与压板节点

6 制作加工

　　制作加工主要包括：钢管桁架、钢丝绳（索）、膜以及其它附件，各部分依据各自特点决定工艺和控制标准。
　　钢管桁架节点采用相贯直接焊接，因此，相贯焊缝切割加工是一道重要工序，采用具有五轴定位的进口数控机床可直接切割焊缝与相应坡口。如采用人工切割，则必须保证准确放样。图6为纵向和横向最大一榀桁架，纵向杆件作为主管，横向杆件作为支管，因此，纵杆连续，对接节点要求一级焊接，曲线由煨弯而成（曲率较小比较容易制作），煨弯要保证曲率连续光滑，横向由杆件段组成折线鱼骨形。支管与腹杆焊接达到二级焊缝。



图6 纵横向主桁架布置

　　节点连接问题值得注意，由于桁架由平面系组成，在一个节点交汇杆件多且角度小，因此，要求上下弦杆连接对心，垂直腹杆对心，斜腹杆可偏心，如图7（a），但偏心幅度必须满足规范要求，否则宜对节点复核。偏心可尽量减少多道焊缝重叠交叉。在梭形边缘即使偏心仍然难以使杆件很好连接，于是可在偏心的同时加节点板，如图5（a）。梭形边缘Ф219.1x6管在长轴顶点连接（如图4），须增加椭圆形节点板，保证焊接强度与减小连接构造复杂程度，如图7（b）。



图7（a）桁架腹杆与弦杆连接节点（斜腹杆偏心） 图7（b）梭形边缘杆长轴顶点

　　钢丝索或钢丝绳是膜工程的重要构件，占总造价比例较高。钢丝索采用半平行钢丝绞成，锚具可压接或冷铸，钢丝索较硬，弹性模量较高，变形小，适宜膜外张拉索。钢丝绳由钢丝组成的钢丝束编织而成，柔韧性好，弹性模量低，适宜膜内索或边缘索，钢丝绳直径较小时可用压接，通常在Ф32~36以下，大于Ф40时一般采用热铸锚。钢索结构、锚具、无应力长度计算是索设计的关键。
　　膜的制造是一个复杂过程，在考虑实际节点构造基础之上，形成精确的膜面，再考虑膜的受力（平均应力水平）、膜材特性（副宽、弹性模量），采用专业膜裁切软件分析下料并排版放样。

参考文献

[1] ASCE 1852（美国土木工程协会膜结构设计规程）。
[2] Kazuo Ishii, Membrane Structure in Japan, 1995.
[3] Kazuo Ishii, Membrane Designs and Structures in the World, 1995.
[4] J. A. Packer （著），曹俊杰（译），《空心管结构设计指南》，北京：科学出版社。

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