气承式膜结构的荷载效应分析

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荷载效应分析

北京地区，基本雪压为0.4kN/m2，基本风压为0.45kN/m2，风振系数取1.2，体型系数采用封闭式落地拱形屋面，考虑了沿建筑纵向及横向两种风向。

由于雪荷载作用方向向下，抵消了一部分充气压力，膜面张力减小，从而降低了膜结构的刚度。因此，一般情况下空气支承式膜结构在暴雪来临之前，需要提高充气压力至最大工作内压，本项目取650pa。而风荷载在结构大部分区域产生负压，作用方向向上，荷载效应与充气压力效应一致，膜面张力叠加。因此，一般情况下空气支承式膜结构在强风来临之前虽然也需要提高充气压力，增加膜结构刚度，避免结构过大变形，但是不需要提高至最大工作内压，本项目取500pa。

荷载组合如下：(1) 1.20 恒载+1.0初始预张力+1.0最小工作内压200pa(2) 1.20 恒载+1.0初始预张力+1.0最大工作内压650pa(3) 1.00 恒载+1.0初始预张力+1.0强风工作内压500pa(4) 1.20 恒载+1.0初始预张力+1.0最大工作内压650pa + 1.40活载工况（雪荷载）(5) 1.00 恒载+1.0初始预张力+1.0强风工作内压500pa + 1.40风载工况（纵向风）(6) 1.00 恒载+1.0初始预张力+1.0强风工作内压500pa + 1.40风载工况（横向风）

雪荷载作用下膜张力分布，纵风向作用下膜张力分布，横风向作用下膜张力分布。可以看出，平面形状为矩形的气承式膜结构在荷载作用下角部应力较小、中央部分应力较大。但这个项目有点特殊，因为在膜结构一端与服务裙房相联接，所以在联接的角部应力较大。这也是在节点设计时应该注意的地方。本项目采用P类膜材，型号为8028，其抗拉强度为458 daN/5cm，厚度0.8mm。经过单位换算，其对应的膜材抗拉强度设计值为22.9MPa。最大膜应力为19.3MPa，满足设计强度。

为雪荷载作用下膜结构的变形图，横风向作用下膜结构的变形图，纵风向作用下膜结构的变形图。取的是结构对称轴上的一组节点绘制成的变形图，实线为变形后的曲线，点划线为变形前的曲线。可以看出，变形规律与拱类似。

在雪荷载作用下，顶部变形量最大，达535mm，为跨度的1/60。在横向风作用下，迎风面变形最大为1355mm。目前国内还没有相应的规范对此作出规定，故本项目以考查在雪荷载作用下不出现积雪凹坑为设计准则。



气承式膜结构，无论是在初始状态、还是在受荷状态，膜面始终为张力状态。因此膜结构对支座的反力始终斜向上，不会产生压力。

本项目经过计算统计，膜结构反力的包络结果是：结构纵向长边，均布线荷载 Py=8.0KN/m、Pz=15.0KN/m；结构横向短边，均布线荷载 Py=4.0KN/m、Pz=10.0KN/m；结构横向短边与裙房连接处，均布线荷载 Py=4.0KN/m、Pz=10.0KN/m。

可以看出，气承式膜结构的支座反力较小，这也正是这种类型的膜结构在某些情况下（例如场地条件苛刻、楼顶加层、短时应用等等）被采用，所具有的一个巨大优势。