某单柱悬挑张拉膜雨棚结构设计与分析

·节能

建筑

LOWCARBONWORLD2019/5

某单柱悬挑张拉膜雨棚结构设计与分析

广东

广州）（广东省建筑设计研究院，

510010

张艳辉

【要膜结构作为一种造型简洁多变、形态优美、轻盈通透、施工快捷方便的新型建筑结构融合体系

摘越来越得到建筑师及业主的青睐，特别】，

对其全过程设计与分析进行详细介绍与总结，包括膜材选，

是对于停车场雨棚、人行道、小品等部位。本文通过某单柱悬挑的张拉膜雨棚工程

择、找形分析、荷载分析与设计。

【关键词】张拉膜；悬挑雨棚；初始找形分析；钢结构设计；膜材分析

【中图分类号【文献标识码【文章编号（）

】】】

TU391A20192095-206605-0212-03

1

引言

建筑专业在体育场馆尧入口廊道尧小品尧停车场雨棚等领

域为了追求其造型自由尧轻盈尧通透尧采光及绿色节能等的目

的袁膜结构这种可以达到建筑与结构完美结合的体系应运而

生遥膜材作为一种只受拉不受压的高强度柔性薄膜材料与钢

材或其它硬支撑体系相结合袁对膜面施加一定的预张力后可

以形成具有一定刚度的曲面同时可以承受较大的外荷载的

空间体系遥从结构形式上大致可分为骨架式尧张拉式尧充气式

等3种基本形式遥本文通过某单柱悬挑伞状张拉膜停车场雨

棚进行简单的设计与分析过程介绍袁本工程平面尺寸为30m伊

7m悬挑6m袁高6.5m袁采用骨架式膜结构与张拉式渊悬挑边采

用索进行张拉封边冤相结合的体系袁结构三维示意图如图1

所示遥

通过数学分析可知袁稳定的膜曲面为负高斯曲率面袁最基

本的单元为马鞍形双曲抛物面和锥形双曲面遥因此膜初始态

找形就是为了找到这样一个稳定曲面袁当然还需满足建筑造

型及使用的需求遥对膜面施加预张力后袁通过多次方程迭代求

解后袁尽量使得膜面的平衡曲面接近最小曲面袁最终找到一个

形状合理尧应力分布均匀的曲面形态遥本工程膜面预张力为

3MPa袁封边索预张力30kN袁通过多次最小应力曲面和平衡应

力曲面找形后得到的结果如图2~图4所示院结果表明袁膜面

基本成马鞍形态袁可以满足双向受力袁符合受力要求曰膜面形

状没有出现过多平坦区域袁初步判断膜面不会出现积水现象袁

当然这还需通过荷载态分析确定曰膜面应力水平从3.07~

7.60MPa袁除伞状顶部边界处应力较大外袁裁剪下料及施工时

需对其适当加强构造处理袁其它部位应力较为均匀袁满足受力

需求遥

2

初始态找形分析

图1雨棚膜结构三维示意图

图2找形后侧立面图

根据叶膜结构技术规程曳渊CECS-158-2015冤的要求袁根据

建筑使用需求袁所处环境袁使用年限等条件袁膜材应当选用以

下三种膜材院G类渊玻璃纤维基材尧PTFE涂层袁俗称PTFE膜冤尧

E类膜材渊玻璃纤维基材尧硅酮涂层冤袁俗称ETFE薄膜冤尧P类

渊聚酯长丝基材尧PVC涂层俗称PVC膜冤遥PTFE膜具有耐久年

限长渊可达25年及以上冤尧自洁能力防污性高尧透光率高等优

点袁但与PVC膜比较袁材料费与加工费高袁且柔软性低袁综合

考虑使用需求及经济成本等因素后袁本工程采用PTFE膜材袁

基本参数详表1遥

表1膜材技术规格表

项目数据

颜色白色

厚度0.8依0.1mm

经向抗拉强度5000N/5cm

纬向抗拉强度5000N/5cm

抗撕裂强度300N

涂层聚四氯乙烯PTFE

基材玻璃纤维

透光率16%

厚度74%

图3找形后正立面图

3

荷载态分析

（

MPa）图4找形后膜面应力图

212

3.1

荷载与组合

荷载效应分析袁在初始形态分析确定的几何形态和预张

力的基础上袁考虑各种可能的荷载组合情况对膜结构内力和

变形进行计算与分析设计遥分析应当采用几何大变形的非线

性计算袁先进行荷载组合再施加荷载袁最后才计算分析遥

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1mm厚膜材计算冤曰膜面活荷取0.3kN/m

钢结构等自重按程序自动计算袁附加恒载院0.015kN/m计算结果如图7尧图8所示袁杆件最大应力比为0.913袁小

0.35kN/m26mm渊向下冤尧组合10工况下悬挑最大竖向位移为39mm渊向

数1.4渊风压时袁体系系取0.2冤袁风振系数1.5袁高度系

2

2

渊按

2

曰风荷载院基本风压

风压时取0.105kN/m冤遥渊

22

数1.0袁最终取值为0.735kN/m上冤袁变形均小于规范限值48mm渊6000/125冤遥因此本结构可以

2018冤进行设置遥基本组合如下院

荷载组合按叶建筑结构可靠性设计统一标准曳渊GB50068-满足规范的极限承载力及正常使用的要求遥

组合1院1.3恒+1.5伊1.0活

组合2院1.0恒+1.5伊1.0风吸

组合3院1.3恒+1.5伊1.0风吸

组合4院1.3恒+1.5伊1.0风压

组合5院1.3恒+1.5伊1.0活+1.5伊0.6风吸

组合6院1.3恒+1.5伊1.0活+1.5伊0.6风压

组合7院1.3恒+1.5伊0.7活+1.5风吸

组合8院1.3恒+1.5伊0.7活+1.5风压

标准组合如下院

组合9院1.0恒+1.0活

组合10院1.0恒+1.0风吸

3.2

组合11院1.0恒+1.0风压

钢结构体系为钢框架结构体系袁单柱悬挑袁长向共分有5

钢结构计算与设计

个标准单元袁30m长袁每榀正面悬挑6m袁背面悬挑1m袁采用了

拉杆与拉索进行平衡设计袁按有侧移框架计算遥钢柱采用

P299伊12钢管截面袁顶部为P168伊10曰悬臂梁采用H渊300~200冤

伊200伊10伊12的工字型梁袁帽子支撑钢结构采用P102伊5袁拉杆

采用P63伊5袁材质均为Q235B袁拉索采用准30的不锈钢绞线遥

典型钢结构布置及立面图详图5尧图6所示遥

图5标准单元结构布置图

图6标准单元结构剖面图

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于1.0袁满足规范要求曰组合9工况下悬挑最大竖向位移为

图7钢构件应力比图

图8组合9工况下的竖向变形图

3.3

3.3.1变形验算

膜材验算

6000/15=400mm袁满足各膜单元内膜面相对法向位移不大于

在组合10工况下变形最大值渊详图9冤为106mm

单元名义尺寸的1/15的要求遥

图9组合10工况下的膜材变形图

3.3.2应力验算

60MPa满足设计要求袁膜面最小主应力<0的单元渊即褶皱单

在组合2工况下膜面最大应力为17.5MPa渊详图10冤小于

元冤的占比为1.53%袁小于规范限值要求的10%袁满足要求遥单

元名义尺寸的1/15的要求遥

图10组合10工况下的膜材变形图

3.3.2膜面排水分析

在0.3kN/m作用下渊即雨水工况冤以及雨水+风载耦合工

2

况下的变形后膜面等高线无内部圆形闭合区域出现渊详图

11冤袁说明内部没有出现低点或出现局部过于平坦袁表明膜面

不会因为降水而产生积水现象遥

213

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建筑

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非线性建筑设计分析

刘伟哲

（广西农垦设计院有限公司，广西南宁）

530000

【要非线性建筑主要是指呈现出连续流动状态的形体，其形体效果主要通过建筑性能和建筑附近环境等因素的整合而来，

摘设计的关键就】

以期为设计人员开展设计工作提供理，

在于这些因素。基于此，本文将非线性建筑设计的总体思路入手，阐述了非线性建筑设计中的关键要点

论参考

。

计算机技术】；

【关键词非线性建筑；参数

【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）

TU201A20192095-206605-0214-02

前言

非线性建筑的概念最早出现于20世纪60年代袁当时并

未受到关注遥随着计算机技术的发展袁非线性建筑的设计更为

便捷袁促进了非线性建筑的迅猛发展袁使其受到社会的广泛关

注袁并逐渐成为建筑领域的重要组成部分遥在非线性建筑中袁

设计方案会对建筑的外观效果及功能发挥产生直接的影响袁

需要受到相关单位的重视遥

传统建筑设计理念强调建筑的功能性袁要求其为用户提

供居住和工作的场所遥在经济和技术发展迅猛的当下袁人们对

生活的追求从原本的物质转变为精神袁对建筑的需求不再集

中于建筑的功能袁更为注重建筑的精神素养及自然内在性能遥

因此袁在新时期建筑设计理念中袁设计人员需要注重建筑和自

然环境及社会环境的融合袁呈现出不同的建筑形体

[1]

遥非线性

建筑设计理念与新时期建筑设计理念相符袁该理念将建筑作

为媒介与桥梁袁利用建筑实现人类和周边环境的融合袁实现

人尧建筑和环境的协调发展遥非线性建筑设计理念是将模糊理

论尧非标准数学分析以及哲学思想作为基础袁利用计算机的各

项功能袁完成参数分析尧建筑形体生成以及建筑施工指导等各

项工作袁呈现出唯一独特的建筑空间形态袁使非线性建筑具备

独有的空间和外观形态袁与人们的需求相符遥

在实际的非线性建筑设计中袁设计人员需要中生活实际

入手袁对建筑建设区域的周围环境进行深入明晰袁提炼出多种

环境现象因素袁并将其转变为建筑形体袁完成与人尧环境融合

的建筑设计方案遥在此基础上袁非线性建筑设计方案并不注重

建筑风格和建筑形式袁而是从建筑周围环境出发袁设计出多样

化和不规格的建筑外观及空间造型袁具体的非线性建筑设计

思路可以参照图1遥

1

非线性建筑设计的总体思路

2

非线性建筑设计的关键要点

2.1

建筑外观的合理设计

图1非线性建筑设计总体思路示意图

在非线性建筑中袁建筑外观轮廓主要通过建筑空间的感

知来实现袁而建筑空间的感知是由非线性建筑和周围空间的

对比产生的袁如果非线性建筑和周围空间的边界相对模糊袁将

会在一定程度上弱化非线性建筑的形态袁导致不同空间中呈

现出暧昧的状态袁呈现出模糊的非线性建筑外观轮廓遥因此袁

在进行非线性建筑设计的过程中袁设计人员需要注重非线性

后袁进行荷载施加袁并按最新的可靠度标准进行工况组合袁进

行承载力及正常使用状态下非线性分析计算袁对计算结果进

行分析遥计算结果表明钢结构应力比尧变形可以满足规范要

求曰膜材的变形尧应力以及膜面排水也可以满足要求遥本文对

类似工程的设计有一定的借鉴参考意义遥

[1]叶膜结构技术规程曳渊CECS-158-2015冤.

[2]叶钢结构设计标准曳渊GB50017-2017冤.

[3]叶建筑结构可靠性设计统一标准曳渊GB50068-2018冤.

参考文献

4

结论

214

图11雨水工况下的膜材变形等高线图

本文通过对某单柱悬挑的张拉膜雨棚工程进行了详细分

析袁包括膜材基本技术规格参数的确定袁膜材的选取袁膜面的

初始张力施加以及初始态的找形分析袁找到合适合理的形态

收稿日期：

2019-4-11

作者简介：

张艳辉渊1987-冤袁男袁工程师袁硕士研究生袁从事大跨

钢结构尧膜结构等建筑结构设计工作遥