膜结构技术规程 CECS158：2015

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5．3??荷载效应分析5．3．1??当膜结构在荷载作用下产生较大应力或变形时，应返回初始形态确定阶段对膜结构进行调整。通常可调整初始预张力大小和分布、调整结构外形或增加加强索数量等。5．3．2??膜结构自重较小，属风敏感结构，在风荷载作用下易产生较大的变形和振动。对于该问题国内外已开展了一定的研究工作，但是由于膜结构形态各异，很难用统一的风载体型系数和风振系数来描述。对于形状复杂、跨度较大或重要的建筑物，必须进行风洞试验和风振分析，以确定风荷载动力影响。对于较常用的骨架支承膜结构和整体张拉式膜结构，本规程在总结国内现有研究成果的基础上给出了风载体型系数和风振系数的参考值，便于工程设计应用。5．3．3??国外膜结构设计大多采用单一安全系数设计方法。设计表达式为：????式中：K——安全系数；??????????SGk——永久荷载效应标准值；??????????SQk——可变荷载效应标准值；??????????Rk——结构抗力标准值。????各国对安全系数K的取值不尽相同：大多数国家都按照短期荷载和长期荷载取值，其值分别在3～4和6～8的范围内。如美国的安全系数取3～8；日本临时(短期)荷载下取4，持久(长期)荷载下取8。我国近年来在工程设计中也分别采用4与8。计算结构抗力时所采用的材料强度值则与膜材强度平均值较为接近。本规程根据现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB?50068的要求给出的膜材强度标准值比过去采用的强度平均值降低约15％。因此，如果把式(6)中的Rk理解为结构抗力的标准值，则式中的安全系数K也应做相应调整：短期荷载下取3．5，长期荷载下取7。这基本上相当于本规程第3．3．5条所规定的第二类和第一类荷载效应组合。????根据现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB?50068，本规程采用概率极限状态设计方法，设计表达式为：????式中：R——结构构件抗力设计值；??????????SG——永久荷载效应设计值；??????????SQ——可变荷载效应设计值。????式中：γG——永久荷载分项系数，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB?50009取1．2；??????????γQ——可变荷载分项系数，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB?50009取1．4；??????????γR——抗力分项系数，需根据现行的安全系数换算求得。?????由式(4)～式(8)可得：????据此，根据不同的K值和ρ值，可求得相应的γR值。????例：根据《建筑荷载规范》GB?50009规定，取γG＝1．2、γQ＝1．4；膜结构自重20N／m2????1??第一类组合(长期荷载)情况下K＝7，如雪荷载标准值为450N／m2(哈尔滨)：????2??第二类组合(短期荷载)情况下K＝3．5，取风荷载标准值为550N／m2(上海)：????对于连接节点处及边缘部位的膜材，由于有一定程度的局部削弱和应力集中，所以安全系数取值应适当提高，取强度折减系数ζ＝0．75。????E类膜材在双向应力作用下材料的屈服准则一般认为满足Mises屈服准则，鉴于目前对E类膜材的双轴拉伸研究还不多，同时膜面最大应力一般仅限于局部区域，本规程没有计算折算应力，仍采用最大主应力进行强度校核。????目前为止，国内外均没有正式发布的ETFE膜结构设计标准，相关企业根据自身的经验参考织物类膜材的办法，对破断强度进行折减后用于设计。E类膜材第二屈服点的应变约为15％～16％，超过第二屈服点以后膜材应变迅速增大，破断时应变通常超过300％。因此，利用破断强度作为抗拉强度并不合理，折减系数也难以确定。第一屈服强度和第二屈服强度是E类膜材两个比较稳定的强度参数，且具有较为明确的物理意义，适用于ETFE膜结构设计。????与织物类膜结构相同，非空气支承式ETFE膜结构通过张拉施工导入预张力，由于E类膜材裁剪缩小率较小(一般小于1％)，材料的徐变、塑性变形等容易导致膜面预张力的下降并发生膜面松弛。对于空气支承式ETFE膜结构，膜面通过空气内压张紧，材料的徐变及塑性变形等除了可能使膜面形状发生一些变化外，不会导致膜面松弛。因此，本规程分别将第一、第二屈服强度标准值规定为非空气支承式、空气支承式ETFE膜结构的膜材抗拉强度标准值。????E类膜材屈服后变形性能相当好，破断强度明显大于屈服强度，且热合连接处的破断强度大于第二屈服强度，因此对于ETFE膜结构，连接节点处及边缘部位膜材可不进行强度折减。????根据现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB?50068的要求计算得到E类膜材材料抗力分项系数及强度设计值见表2。考虑到E类膜材破断强度标准值为36．8MPa，破断强度标准值与本条规定的各强度设计值之比在2．0～4．0之间。表2???E类膜材强度设计值????需要指出的是，雪荷载组合时非空气支承式结构E类膜材材料抗力分项系数1．8是在按现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB?50068计算结果的基础上再乘以1．3系数后确定的。现有实验表明，常温下当应力超过约9MPa时E类膜材会发生明显的徐变现象，考虑到长时间积雪时膜材容易出现徐变，对非空气支承式结构将抗力分项系数调整为1．8，此时强度设计值为9．1MPa。积雪时膜面温度较低，E类膜材低温下的徐变可能有所减缓，鉴于目前还没有足够的低温徐变数据，本规程暂按E类膜材的常温徐变特性对抗力分项系数进行调整。当有足够的低温徐变实验数据时，可对1．3系数进行调整。5．3．4??对于体育场看台挑篷一类的张拉式膜结构，其整体位移可定义为内环的最大位移；对于索系支承式膜结构，其整体位移可定义为跨中最大位移。膜结构在荷载效应分析时的膜单元，是指由柔性索边界或刚性边界围起的一片膜。膜单元名义尺度，对于三角形膜单元可定义为最小边长的2／3；对于四边形膜单元可定义为通过最大位移点的边界间最小跨度。????空气支承式膜结构的刚度与工作气压相关，目前国内外尚无关于其变形限值的规定。参考相关工程经验，建议空气支承式膜结构在使用载荷和正常工作气压下的变形应满足如下条件：①结构最大变形不大于未变形状态膜、索与内外物体间净距的0．5倍；②不会因大变形导致膜面积水或积雪；③不会因较大的变形和振动导致内部人员的不舒适感。????本规程在修订时对膜结构变形的规定均由“应”改为“宜”，对结构变形的要求有所放松，允许设计者根据具体情况稍有选择。5．3．5??膜结构出现松弛将降低其刚度，在风荷载作用下易发生剧烈振动，甚至导致膜材撕裂。此外松弛还将影响结构的美观和排水性能。因此，应尽量避免膜材在正常使用状态(第一类荷载效应组合)下出现松弛。5．3．6??索是膜结构中的重要受力构件，一旦处于受压状态，就有可能导致结构变为机动体，因此规定，索在第一类荷载效应组合作用下均应处于受拉状态。5．3．7??理论上，密闭空间的内部压力与体积成反比关系，即ρ·V＝常数。空气支承式膜结构的工作气压与两方面因素有关，一方面是充气系统的送风，另一方面是换气系统、门以及一些连接部位的出风。正常使用情况下这是一个动态的平衡状态，工作气压基本保持恒定。????在第一类荷载效应组合下，由于空气支承式膜结构的变形是缓慢的，体积也是缓慢变化的，可以认为工作气压是不变的，所以可按内压不变进行非线性分析。但是在第二类荷载效应组合下，由于风荷载的参与，膜结构的变形是瞬时的，体积变化也是瞬时的，充气系统来不及调整送风量以达到工作气压的动态平衡，因此气枕式和气肋式膜结构应按内压变化进行非线性分析。而气承式膜结构由于密闭空间体积较大，且内压高低对结构安全可能有利也可能不利，所以应按内压不变和内压变化两种工况进行非线性分析。