弹簧支撑枕式结构计算探讨

本文作者：毛元庆 吴明儿 单位：同济大学建筑工程系

ETFE薄膜可以单层张拉的方式应用于建筑结构中，形成张拉式或骨架式膜结构，除此之外，ETFE薄膜还可以气枕的形式应用于建筑的屋盖和墙体结构中。ETFE薄膜气枕式结构是一种充气式膜结构，其上下膜面通常采用一层或多层ETFE薄膜，膜边缘夹紧固定后充气即形成气枕，充气内压使薄膜产生张力并提供气枕刚度。气枕式膜结构具有透光性能强、结构重量轻、抗老化、自洁性及保温性能好等优点，可制成各种形状，通过钢结构、铝合金结构或索网等将多个气枕连接组成大跨度空间结构。自从20世纪80年代以来，欧洲不少体育场馆、展览厅以及温室暖房等建筑中，ETFE薄膜气枕式膜结构都得到了应用，如英国康沃尔郡面积3万平方米的温室植物园“伊甸园”和德国慕尼黑安联球场等[1]。中国国家游泳中心“水立方”，其屋盖和墙体采用了ETFE薄膜气枕式结构，这也是该结构首次在国内大型建筑结构中的应用实例[2]。ETFE薄膜结构的研究可分为利用有限元进行的数值分析研究以及模型试验研究。数值分析研究包括气枕结构初始形态的分析[3]，荷载作用下的静力分析[4―5]，以及温度、矢跨比、膜材厚度等参数对结构特性的影响分析等[6]。模型试验研究包括气枕形状测试、加压以及铺砂加压试验[7]、试验房设计、施工及后期测试试验研究[8]。气枕式膜结构靠内部气压使薄膜产生张力并提供气枕刚度，但由于无法做到绝对的气密性，因此气枕式膜结构在使用过程中不可避免的存在漏气的问题，为了维持气枕式结构的正常工作，需要充气系统和气压监控系统；除此之外，结构还存在着额外消耗能源、送风管网占用建筑空间、为保证气密性而施工难度增加等问题。为了克服气枕的这些问题，作者等提出来利用压缩弹簧代替充气的弹簧支撑ETFE枕式膜结构(图1)[9]。压缩弹簧在张紧膜面的同时，能有效地吸收膜材徐变而产生的结构变形，保证膜面处于张紧状态。临时建筑中的试验性应用[8]以及数值分析和模型实验[10]表明，新型的ETFE枕式膜结构施工安装方便，膜面平整，维护简单。本文在以上研究工作的基础上，分析多个弹簧支撑ETFE枕式膜结构组合后的结构特性。

1弹簧支撑ETFE枕式膜结构

本文研究图2和图3所示两种模型的弹簧支撑ETFE枕式膜结构特性。与图1结构形式相比，图2结构(模型1)增加了中间套管和拉杆。中间套管通过拉杆与边框连接固定，套管中间设有隔板，隔板两侧各自连接有弹簧，当上顶杆、下顶杆伸入中间套管挤压上弹簧、下弹簧时，弹簧的弹性回复力便作用于上顶杆、下顶杆，使膜面沿相反方向得到顶升并被张紧。这种结构形式将中间套管与边框连接固定，使得膜面中间位置有了稳定的支撑，同时上下膜面可以由不同的弹簧顶升，可方便地进行独立设计，缺点是结构复杂化了。图3(模型2)对单个枕式结构进行组合，形成由2个(或以上)单元结构组成的膜面，由此可得到更大的膜面覆盖结构体系。

2数值分析

2.1模型1取边框2m×2m的正方形弹簧支撑ETFE枕式膜结构为分析模型，矢高为0.25m，矢跨比为1/8。ETFE薄膜厚度为0.25mm，膜材切线弹性模量为880MPa，剪切模量为258MPa，泊松比为0.42，抗拉强度为50MPa，弹性极限为16.9MPa[11]；拉杆弹性模量为206GPa；上下两弹簧刚度均选用3000N/m。ANSYS分析中膜面采用shell41膜单元，压板、弹簧和拉杆分别采用shell63单元、link8单元和link10单元。以膜面初始应力5MPa、膜面矢高0.25m为目标进行膜面找形计算，得到图4所示找形结果，此时弹簧初始压力为609N。图5为找形后膜面的应力分布，可以看到膜面应力分布均匀，基本达到目标应力值。不考虑体型系数等影响，对其进行雪荷载(上层膜面：200N/m2)和风荷载(上层膜面：风吸550N/m2)作用下的应力分析，并与未加拉杆的结构进行比较，结果如表1。从数值计算结果可以得出以下结论：1)增加拉杆可以减少膜面和顶板的位移。2)增加拉杆以后作用于上层膜面的荷载通过拉杆传递到支撑框架，因此下层膜面变形很小，应力与初始状态相差很小。3)增加拉杆对于上层膜面在荷载作用下的膜面应力影响不大。

2.2模型2取2个2m×2m的正方形弹簧支撑双层ETFE枕式膜结构，组合形成边框为4m×2m的分析模型。弹簧应力为583.3N，膜面应力为5MPa的膜面找形结果如图6所示，膜面矢高为0.25m。图7为找形后膜面的应力分布，可以看到膜面应力分布均匀，基本达到目标应力值。计算中ETFE薄膜参数、弹簧参数、单元选取等同分析模型1。同样进行雪荷载和风荷载作用下的应力分析，并与单元结构(未加拉杆，见图1)进行比较，结果如表2。从结果我们可以得出，模型2相对于单元结构：膜面中央部分位移增大，顶板及底板的位移略有增大；上膜面最大应力和最小应力在荷载作用下分别略有增大和变小，但下膜面应力变化不大；弹簧力在荷载作用下的改变量变化不大。

3结论

本文介绍了两种弹簧支撑ETFE枕式结构模型，并利用ANSYS软件对这两种结构模型进行了找形分析以及雪载和风载作用下的应力分析，分析结果与无拉杆单元结构进行了对比，得出以下结论：(1)单元结构增加拉杆(模型1)，可将上膜面所受荷载传递到支撑框架，能较有效地减少膜面位移。(2)单元结构增加拉杆(模型1)使得上膜面和下膜面相对独立，设计师可以根据设计要求针对上膜面、下膜面选择不同的材料；同时我们也可以选择不同刚度的弹簧来支撑上下膜面，得到不同的膜面形状，以达到相应的建筑效果。(3)将单个枕式结构拼接组合，可以形成覆盖空间更大的ETFE弹簧支撑枕式结构。与单元结构相比，组合形成的结构膜面应力变化不大，而膜面最大位移(两单元之间的中央部分膜面)有所增大。本文对两种模型进行了数值分析验证可行性，今后还将开展模型试验，进一步考察其结构性能。