Case

Study

of

Membrane

Structures6.5

膜結(jié)構(gòu)案例分析威海體育場Weihai

Stadium,

China,200211.工程簡介2威海體育場占地面積約40000m2，可容納觀眾3萬人。看臺為鋼混框架結(jié)構(gòu)，看臺挑蓬為張拉式膜結(jié)構(gòu)。體育場看臺挑篷由34個(gè)連在一起的形狀漸變的單桅桿傘形膜結(jié)構(gòu)單元組成。挑篷水平投影呈橢圓形，外圍輪廓尺寸237×209m，內(nèi)環(huán)尺寸205×143m，覆蓋面積約25000m2。3挑篷整體呈馬鞍形分布，東西（橢圓短軸方向）兩端高，南北（橢圓長軸方向）兩端低。最高處桅桿頂標(biāo)高40m，最低處桅桿頂標(biāo)高23m。4最大膜單元位于東西兩端，懸挑長度約30m；最小膜單元位于南北兩端，懸挑長度約17m。5膜單元由桅桿、脊索、谷索、邊索和薄膜等構(gòu)件組成。6中央內(nèi)環(huán)是由橢圓柱面和鞍形曲面相交形成的空間曲線，從受力上看屬浮動拉環(huán)，它是連接各膜單元協(xié)同工作的重要構(gòu)件，直接關(guān)系到整個(gè)全張拉體系的成形。7★兩項(xiàng)主要技術(shù)措施：8將中央內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)為圓鋼管勁性拉環(huán)按照國外一些已建成結(jié)構(gòu)的做法，中央內(nèi)環(huán)多采用柔性拉索體系。但是考慮到國內(nèi)在索結(jié)構(gòu)方面的施工經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)不如鋼結(jié)構(gòu)那樣豐富，且采用鋼結(jié)構(gòu)將為燈光、音響、馬道等附屬設(shè)備在內(nèi)環(huán)上的安裝帶來方便。所以本設(shè)計(jì)采用大直徑圓鋼管作為中央內(nèi)環(huán)。盡管圓鋼管的剛度要比索大得多，但對于如此大的尺度而言（總長550m），內(nèi)環(huán)仍然是相當(dāng)柔性的，因此稱之為“勁性拉環(huán)”?！飪身?xiàng)主要技術(shù)措施：增加了一套完全獨(dú)立于膜單元的拉索體系在每個(gè)桅桿的頂端還設(shè)有三根拉索，其中兩根與看臺相連，一根與中央內(nèi)環(huán)相連；另外設(shè)環(huán)向拉索將34根桅桿的頂點(diǎn)連成一體。92.風(fēng)洞試驗(yàn)鑒于該挑篷結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，且威海又是沿海強(qiáng)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，故在設(shè)計(jì)前對其可能遭受的風(fēng)荷載進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn)，是十分必要的。試驗(yàn)在某大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。模型幾何縮尺為1:200。10考慮到看臺挑篷為開敞式結(jié)構(gòu)，其上下表面均受到風(fēng)荷載的作用，所以在模型上下表面均布置了測壓點(diǎn)。選取15m/s、20m/s、25m/s三種實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，模擬B類地貌，近地湍流度>10%。試驗(yàn)中，模型固定在試驗(yàn)段底板的轉(zhuǎn)盤上，每隔

15°測一次，根據(jù)模型對稱性，可得到0~90°范圍內(nèi)7個(gè)風(fēng)向下的模型上下表面風(fēng)壓值。各測點(diǎn)的無量綱風(fēng)壓分布系數(shù)為：21121Cp

(Pi

P

)

/

vi12-0.8-0.8-0.8-0.7-0.7-0.7-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.5-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.0-0.00.10.10.3P0.60.50.30.1-0.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.8-0.8-0.7-0.7-0.5-0.5-0-.07.5-0.5-0.5-0.5-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.0-0.0-0.00.300..15P

0.60.50.30.1-0.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.8--00..78-0.7-0.5-0.5-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.0-0.0--00..020.10.1-00.3.00.3P

0.60.50.30.1-0.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.8-0.5-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.3-0.2-0.2-0.2-0.2-0.0-0.200.10.10.10-.03.00.30.50.50.5P

0.60.50.30.1-0.0-0.2-0.3-0.5-0.7-0.80°風(fēng)向30°風(fēng)向60°風(fēng)向90°風(fēng)向小結(jié)13迎風(fēng)一側(cè)的傘單元所受的風(fēng)荷載較大，且單元內(nèi)的風(fēng)壓變化梯度較大；而背風(fēng)一側(cè)由于受到迎風(fēng)側(cè)膜單元的阻礙，來流的流速有所降低，所以風(fēng)壓值較小，且單元內(nèi)的風(fēng)壓變化梯度相對平緩。正壓區(qū)主要出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)單元的迎風(fēng)面上，最大正風(fēng)壓分布系數(shù)約為1.2左右，30°風(fēng)向下的正壓區(qū)面積最大，90°風(fēng)向角下的正壓區(qū)面積最小。模型的絕大部分表面承受風(fēng)吸力的作用，平均負(fù)壓值約為-0.4左右，主要位于靠近中央內(nèi)環(huán)的膜表面上。3.結(jié)構(gòu)計(jì)算14應(yīng)用非線性有限元程序?qū)υ撎襞衲そY(jié)構(gòu)的初始形態(tài)和不同荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)在不同工況下的位移、內(nèi)力和支座反力。計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制荷載；絕大多數(shù)構(gòu)件在0°風(fēng)向（橢圓短軸方向）下的內(nèi)力最大。中央內(nèi)環(huán)的最大位移10cm，膜最大位移60cm。以上結(jié)果是在對多種不同的索膜分布形式和初始預(yù)張力設(shè)定值進(jìn)行反復(fù)試算后的優(yōu)化方案結(jié)果。通過內(nèi)力組合找出最不利內(nèi)力情況，確定主要構(gòu)件尺寸為：桅桿規(guī)格為Φ560×12mm，內(nèi)環(huán)鋼管規(guī)格為Φ950×20mm，上下拉索規(guī)格為Φ44mm。膜材選用聚酯織物表面涂覆PVC外加PVDF面層。154.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)柱腳節(jié)點(diǎn)16內(nèi)環(huán)連接節(jié)點(diǎn)17膜頂部節(jié)點(diǎn)混凝土梁端部連接節(jié)點(diǎn)194.施工安裝20本工程施工的主要難點(diǎn)在于：①

中央內(nèi)環(huán)的現(xiàn)場成形和吊裝就位；②

由于拉索的預(yù)張力與中央內(nèi)環(huán)的形狀是相互影響的，因此在施工中必須對內(nèi)環(huán)與前后拉索的初始預(yù)張力進(jìn)行監(jiān)控，以保證整個(gè)結(jié)構(gòu)體系按要求成形。針對上述問題，制定具體施工方案如下：21（1）中央內(nèi)環(huán)的地面組對拼裝內(nèi)環(huán)在工廠預(yù)制后，分段運(yùn)至施工現(xiàn)場，在設(shè)計(jì)的提升點(diǎn)依設(shè)計(jì)線形搭設(shè)拼裝胎架，對內(nèi)環(huán)鋼管組對拼裝焊接成形。（2）桅桿安裝在地面進(jìn)行桅桿鋼管的組對拼裝和桅桿頂端的索頭連接，然后對桅桿進(jìn)行單點(diǎn)提升，將桅桿底端與支座銷接；將后拉索牽拉至看臺混凝土斜梁的錨固點(diǎn)上，與固定耳板進(jìn)行銷接固定；前索用纜風(fēng)繩固定，并將桅桿間的環(huán)向拉索銷接，以保證桅桿的穩(wěn)定性。（3）內(nèi)環(huán)的垂直整體提升、就位首先在場地內(nèi)沿內(nèi)環(huán)用扣件鋼管搭設(shè)了18個(gè)近

30m高的獨(dú)立塔架提升平臺，然后將18臺牽引力為600kN的YC60型連續(xù)提升千斤頂分別安放在提升平臺架頂部，利用垂直吊索對內(nèi)環(huán)進(jìn)行同步垂直牽引提升。在提升至設(shè)計(jì)安裝高度以上約200mm時(shí)，逐一安裝前拉索和下拉索，全部完成后，千斤頂同步回落，使鋼管環(huán)梁自然繃緊；為了保證內(nèi)環(huán)梁的形狀準(zhǔn)確，必要時(shí)可對長軸端部的下拉索微調(diào)。22(1)(2)23為保證內(nèi)環(huán)整體提升的同步性，避免內(nèi)環(huán)鋼管的變形過大，施工中將相鄰提升點(diǎn)的不同步性控制在50mm以內(nèi)。按照這一標(biāo)準(zhǔn)對內(nèi)環(huán)的整體提升過程進(jìn)行有限元模擬。分析結(jié)果表明，當(dāng)某一提升點(diǎn)發(fā)生較大位移時(shí)，垂直吊索的拉力由理想狀態(tài)的146kN增加到不同步位移的171kN，內(nèi)環(huán)鋼管中由于彎矩所增加的應(yīng)力僅為0.04Mpa?？梢?，由于鋼管內(nèi)環(huán)的相對柔性，不同步位移對結(jié)構(gòu)整體的影響較小。24此外為防止提升過程中因塔架基礎(chǔ)不均勻下沉、突遇橫向風(fēng)引起晃動等因素導(dǎo)致塔架的不穩(wěn)定，另設(shè)置防支架倒塌的安全鋼絞線索。索的上端與桅桿頂連接，下端與內(nèi)環(huán)鋼管連接，在提升過程中鋼絞線在吊重的牽引下保持收緊狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算表明，每一斜拉點(diǎn)最大的斜向拉力為200kN左右，兩根鋼絞線的合計(jì)承載力約500kN，有一定的安全儲備。25（4）膜單元脊索、谷索和邊索的安裝在拉索安裝后，整體挑篷結(jié)