大跨度體育館屋蓋膜結構抗風設計與力學性能研究

摘要：極端風荷載作用下鋼結構屋蓋極易發(fā)生破壞，基于此，依托實際工程案例，提出一種鋼結構屋面膜自動脫落裝置，并通過有限元數(shù)值軟件對該結構承載力和屋面桿件受力情況進行了計算。結果表明：夾芯荷載-位移曲線呈拋物線狀，存在屈服平臺。豎向夾角越大，夾芯承載力越高，夾芯豎向夾角與承載力呈現(xiàn)出正相關關系。豎向夾角小于6°時，不同夾芯高度工況下峰值承載力基本一致。隨著豎向夾角的增加，各工況承載力差異逐漸增大。相比之下，夾芯高度為30mm工況下峰值承載力最高，其余工況隨著夾芯高度增加峰值承載力下降，呈現(xiàn)負相關關系。隨著膜材脫落率增加，屋面桿件應力逐漸下降，高應力比桿件數(shù)量逐漸減少，屋面桿件位移和撓度也逐步下降，提高了屋面桿件安全的冗余度。

關鍵詞：鋼結構屋蓋；膜結構；抗風設計；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展和城市化進程的不斷推進，大跨度鋼結構應用越來越廣泛。大型鋼結構建筑工程中，鋼結構屋蓋是其中的設計重點，針對于此，國內(nèi)許多研究人員對其展開了一系列研究。

王佳琦[1]依托廣州白云站站房鋼結構項目，就復雜鋼結構屋蓋進行了模擬分析和數(shù)值模擬，對三維曲面鋼結構屋蓋安裝方案和施工工藝進行了研究。程衛(wèi)紅等[2]將文物保護與現(xiàn)代鋼結構施工技術結合，論述了文物保護類工程大跨度鋼桁架屋蓋施工實例。郭得旺等[3]針對采用累積滑移施工方法的大跨度空間鋼結構屋蓋，研發(fā)了一種滑移階段自動卸載技術，保證了屋蓋結構成形狀態(tài)的位形。王金榮等[4]開展了現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，研究了高溫環(huán)境對復雜大跨空間結構吊裝施工過程的影響，提出不考慮溫度與考慮溫度兩種情況下數(shù)值模擬荷載效應增大系數(shù)的取值。武金料[5]基于層次分析法，建立三層次大跨度鋼結構監(jiān)測綜合評估指標體系，并對杭州西站屋蓋鋼結構施工過程進行了評估，驗證所提出方法的正確性和有效性。朱忠義等[6]依托北京大興國際機場航站樓中心區(qū)屋蓋鋼結構項目，對屋蓋結構豎向承載能力、水平抗側能力、防連續(xù)倒塌、抗震性能研究及豎向地震作用進行了分析。

為保證強風荷載作用下屋蓋結構的安全可靠，本文依托科特迪瓦圣佩德羅體育場項目，提出一種鋼結構屋面膜自動脫落裝置。針對于此，采用有限元軟件建立鋼結構屋面數(shù)值仿真模型，分析該自動脫落裝置的承載力主要影響因素，并研究了不同脫落率條件下屋面桿件的受力情況，所得研究成果可為相似工程提供一定的借鑒、指導。

1" "工程概況

本文依托科特迪瓦圣佩德羅體育場項目，該體育館作為2023年非洲杯小組賽賽場之一，位于圣佩德羅市的西南部，建筑用地16.8ha，包含一個20000人座體育場和配套室外停車場及道路工程，總建筑面積24030.72m2，其中看臺分為東西兩側兩個獨立看臺，投影面積12453.4m2，展開面積約18800m2。

2" "屋蓋膜結構概念設計

為加強體育館屋蓋結構標層膜材抗風能力，本文設計了一種膜材自動脫落裝置。該裝置由夾板、夾芯、固定件、連接環(huán)、連接螺栓構成。自動脫落裝置的構造如圖1所示。

自動脫落裝置基于建筑“保險絲”理論。在風荷載作用下，鋼屋蓋主要桿件受到夾具傳力，容易發(fā)生破壞。自動脫落裝置將膜材與鋼結構屋蓋連接位置設置為自動脫落，即當屋面膜材受到的荷載超過限值時，自動脫落裝置連接部件被脫離，從而保證了屋蓋結構的安全。

3" "仿真模型建立

通過有限元數(shù)值軟件建立該膜材自動脫落裝置數(shù)值仿真模型，對不同夾芯高度和夾板擠壓邊與豎向的夾角工況下的自動脫落裝置進行力學計算。

自動脫落裝置材料選用高強鋼材Q460制作，板、夾芯和固定件厚度均為4mm，夾板尺寸設為100mm×100mm（長×寬），夾芯底邊寬度根據(jù)高度和夾角確定，頂部寬度選為20mm。

數(shù)值仿真計算過程中，采用一系列假定，即固定件不參與承擔荷載，在計算過程中不進行考慮，僅作為防止夾芯發(fā)生平面外位移使用。

夾板和夾芯間的接觸關系通過設置面-面接觸單元進行模擬，法向接觸為硬接觸，切向采用罰摩擦效應模擬，摩擦系數(shù)均取0.15。鋼結構屋蓋結構數(shù)值模型如圖2所示。該裝置計算主要為抗拔承載力計算，而抗拔承載力主要受夾芯內(nèi)嵌深度即夾芯的高度和豎向夾角影響。因此在本篇文章中，選用20mm、40mm、60mm等3種夾芯高度和1/4、1/5、1/10、1/20等4種豎向夾角正切值分別進行仿真計算。

4" "仿真結果分析與討論

4.1" "自動脫落裝置承載力

4.1.1" "不同豎向夾角工況下裝置承載力

不同豎向夾角工況下膜材自動脫落裝置荷載-位移曲線如圖3所示。圖3a為夾芯高度20mm工況，圖3b為夾芯高度40mm工況，圖3c為夾芯高度60mm工況。

從圖3a中可以看出，夾芯荷載-位移曲線呈拋物線狀，在施加荷載初期，曲線接近直線，夾芯變形表現(xiàn)為彈性，隨著荷載的施加，斜率逐漸增加，夾芯表現(xiàn)出了一定的塑性變形，之后為屈服變形階段，曲線存在屈服平臺。屈服階段后，荷載進一步增加，夾芯反力達到峰值，之后頂點位移繼續(xù)增加反力下降，進入破壞階段。各夾角工況相比，表現(xiàn)出正切值即豎向夾角越大，夾芯承載力越高的規(guī)律，夾芯豎向夾角與承載力呈現(xiàn)出正相關關系。夾角正切值為1/4工況下，夾芯承載力達到了58.4kN；夾角正切值為1/5工況下，夾芯承載力達到了41.6kN；夾角正切值為1/10和1/20工況下，夾芯承載力分別為16.4kN和8.2kN。

從圖3b中可以看出，夾芯位移-荷載曲線亦呈現(xiàn)出上述趨勢，相比之下，夾芯承載力略微降低，但變形能力提高，反力峰值對應的頂點位移和破環(huán)階段末對應的頂點位移均大于20mm高度工況。

從圖3c中可以看出，夾芯高度為60mm工況下其承載力明顯降低，豎向夾角正切值為1/4工況下其承載力約為42.6kN，但破壞階段末對應的夾芯頂點位移更大，夾芯塑性變形能力增加。

4.1.2" "不同夾芯高度工況下峰值承載力

為進一步研究夾芯高度、豎向夾角與承載力相對關系，增設高度為10mm、30mm和50mm工況，繪制不同夾芯高度工況下峰值承載力隨豎向夾角變化曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著豎向夾角的增大，膜材自動脫落裝置峰值承載力持續(xù)增加，曲線接近線性。這可能是由于夾角越大，自動脫落裝置承載力對抗拔深度利用越充分，因此承載力越高。

各夾芯高度工況相比，當豎向夾角小于6°時，各工況峰值承載力基本一致。隨著豎向夾角的增加，各工況承載力差異逐漸增大。相比之下，夾芯高度為30mm工況下峰值承載力最高，其余工況隨著夾芯高度增加峰值承載力下降，呈現(xiàn)負相關關系。因此，在實際工程中，鋼結構屋蓋膜材自動脫落裝置夾芯高度建議取20～40mm。

4.2" "局部脫落屋蓋桿件應力比

當高于臨界值風荷載作用下，膜結構自動脫落裝置啟動，導致屋面膜脫落。而脫落率的不同，將導致屋面桿件卸載程度的差異。因此，對0%、25%和75%脫落率工況，分別進行模擬計算。

脫落率0%時屋蓋桿件應力比如圖5所示。脫落率25%時屋蓋桿件應力比如圖6所示。脫落率75%時屋蓋桿件應力比如圖7所示。從圖5至圖7中可以看出，隨著膜材脫落率增加，屋面桿件應力逐漸下降，高應力比桿件數(shù)量逐漸減少。

脫落率為0%工況下，應力比0～0.15區(qū)間內(nèi)桿件占比為46.99%，應力比0.6～0.75區(qū)間內(nèi)桿件占比0.79；脫落率為25%工況下，應力比0～0.15區(qū)間內(nèi)桿件占比為50.52%，應力比0.6～0.75區(qū)間內(nèi)桿件占比0.73；脫落率為75%工況下，應力比0～0.15區(qū)間內(nèi)桿件占比為60.20%，應力比0.6～0.75區(qū)間內(nèi)桿件占比0.13。

膜材脫落后，屋面桿件位移和撓度也逐步下降，提高了屋面桿件安全的冗余度。由此可見，在極端天氣強力風荷載作用下，膜材脫落能有效保證屋蓋結構安全可靠。

5" "結束語

本文依托科特迪瓦圣佩德羅體育場項目，提出一種鋼結構屋面膜自動脫落裝置。采用有限元軟件建立鋼結構屋面數(shù)值仿真模型，分析該自動脫落裝置的承載力主要影響因素，并研究了不同脫落率條件下屋面桿件的受力情況。得出主要結論如下：

夾芯荷載-位移曲線呈拋物線狀，表現(xiàn)為彈性階段、彈塑性階段、屈服階段和強化破壞階段，曲線存在屈服平臺。夾芯反力達到峰值后頂點位移繼續(xù)增加反力下降，進入破壞階段。正切值即豎向夾角越大，夾芯承載力越高，夾芯豎向夾角與承載力呈現(xiàn)出正相關關系。

夾芯高度為60mm工況下其承載力明顯降低，豎向夾角正切值為1/4工況下其承載力約為42.6kN，但破壞階段末對應的夾芯頂點位移更大，夾芯塑性變形能力增加。

豎向夾角小于6°時，不同夾芯高度工況下峰值承載力基本一致，隨著豎向夾角的增加，各工況承載力差異逐漸增大，相比之下，夾芯高度為30mm工況下峰值承載力最高，其余工況隨著夾芯高度增加峰值承載力下降，呈現(xiàn)負相關關系。在實際工程中，鋼結構屋蓋膜材自動脫落裝置夾芯高度建議取20～40mm。

隨著膜材脫落率增加，屋面桿件應力逐漸下降，高應力比桿件數(shù)量逐漸減少，屋面桿件位移和撓度也逐步下降，提高了屋面桿件安全的冗余度。因此，在極端天氣強力風荷載作用下，膜材脫落能有效保證屋蓋結構安全可靠。

參考文獻

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