鐵路站臺(tái)罩棚采用膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理
發(fā)布時(shí)間:2023-11-20 17:37:54作者:景秀瀏覽量:946
鐵路站臺(tái)罩棚是鐵路旅客車站的重要組成部分,它不僅為乘客提供了遮風(fēng)擋雨的功能,還能夠體現(xiàn)車站的建筑風(fēng)格和城市形象。膜結(jié)構(gòu)是一種新型的輕型建筑結(jié)構(gòu),它以柔性薄膜材料為主要承重體,通過(guò)預(yù)應(yīng)力和雙曲面形態(tài)來(lái)承受各種荷載。膜結(jié)構(gòu)具有形態(tài)多樣、自重輕、透光性好、施工快捷等優(yōu)點(diǎn),適合用于大跨度的空間結(jié)構(gòu),因此在鐵路站臺(tái)罩棚的設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。
膜結(jié)構(gòu)的基本原理是利用薄膜材料的張力和雙曲面形態(tài)來(lái)平衡外部荷載,形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。薄膜材料一般采用高強(qiáng)度、高耐候性、高透光性的合成纖維或金屬材料,如聚酯纖維、玻璃纖維、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)等。薄膜材料的特點(diǎn)是只能承受張力,不能承受壓力或彎曲,因此需要通過(guò)預(yù)應(yīng)力的施加來(lái)保證其在工作狀態(tài)下的平衡和穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力的施加方式有兩種:一種是通過(guò)固定邊界或錨固點(diǎn)來(lái)施加邊界預(yù)應(yīng)力,另一種是通過(guò)纜索或桿件等附加結(jié)構(gòu)來(lái)施加內(nèi)部預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力的大小和方向會(huì)影響薄膜的形態(tài)和受力,因此需要通過(guò)數(shù)值模擬或?qū)嵨锬P蛠?lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)一般采用雙曲面形態(tài),即薄膜表面的曲率在兩個(gè)相互垂直的方向上有相反的符號(hào),這樣可以使薄膜在任意一點(diǎn)都有一定的張力,避免出現(xiàn)松弛或褶皺。雙曲面形態(tài)有多種類型,如錐形、鞍形、拱形、穹頂形等,可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能、尺寸、形式和美感來(lái)選擇合適的類型。
根據(jù)薄膜材料和附加結(jié)構(gòu)的不同,膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以分為以下幾種主要類型:
懸掛膜結(jié)構(gòu):這種類型的膜結(jié)構(gòu)只有邊界預(yù)應(yīng)力,沒(méi)有內(nèi)部預(yù)應(yīng)力,薄膜材料直接懸掛在固定邊界或錨固點(diǎn)上,形成一種自由形態(tài)的結(jié)構(gòu)。這種類型的膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造型靈活,但是對(duì)邊界條件的要求較高,需要有足夠的高度和跨度,以及較大的邊界預(yù)應(yīng)力,否則容易出現(xiàn)過(guò)大的變形或不穩(wěn)定的現(xiàn)象。懸掛膜結(jié)構(gòu)一般適用于小跨度的遮陽(yáng)或裝飾性的結(jié)構(gòu),如雨傘、帳篷、幕墻等。
拉索膜結(jié)構(gòu):這種類型的膜結(jié)構(gòu)在邊界預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)上,增加了內(nèi)部預(yù)應(yīng)力,通過(guò)纜索或桿件等附加結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)薄膜材料施加內(nèi)部預(yù)應(yīng)力,形成一種受控形態(tài)的結(jié)構(gòu)。這種類型的膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型規(guī)整,可以有效地控制薄膜的形態(tài)和受力,提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度,適用于中大跨度的空間結(jié)構(gòu),如體育館、展覽館、車站等。拉索膜結(jié)構(gòu)可以根據(jù)附加結(jié)構(gòu)的位置和方向,分為平面拉索膜結(jié)構(gòu)和空間拉索膜結(jié)構(gòu)。平面拉索膜結(jié)構(gòu)是指附加結(jié)構(gòu)位于薄膜平面內(nèi)或與薄膜平行的結(jié)構(gòu),如網(wǎng)格拉索膜結(jié)構(gòu)、徑向拉索膜結(jié)構(gòu)等??臻g拉索膜結(jié)構(gòu)是指附加結(jié)構(gòu)位于薄膜平面外或與薄膜垂直的結(jié)構(gòu),如錐形拉索膜結(jié)構(gòu)、穹頂拉索膜結(jié)構(gòu)等。
桁架膜結(jié)構(gòu):這種類型的膜結(jié)構(gòu)是將薄膜材料與剛性的桁架結(jié)構(gòu)相結(jié)合,形成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種類型的膜結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度大,可以承受較大的荷載,適用于大跨度的空間結(jié)構(gòu),如機(jī)場(chǎng)、火車站等。桁架膜結(jié)構(gòu)可以根據(jù)薄膜材料與桁架結(jié)構(gòu)的連接方式,分為覆蓋式桁架膜結(jié)構(gòu)和穿插式桁架膜結(jié)構(gòu)。覆蓋式桁架膜結(jié)構(gòu)是指薄膜材料覆蓋在桁架結(jié)構(gòu)的外表面,與桁架結(jié)構(gòu)之間只有點(diǎn)或線的連接,如拱形桁架膜結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架桁架膜結(jié)構(gòu)等。穿插式桁架膜結(jié)構(gòu)是指薄膜材料穿插在桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部,與桁架結(jié)構(gòu)之間有面的連接,如鞍形桁架膜結(jié)構(gòu)、雙層桁架膜結(jié)構(gòu)等。
膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面:
荷載分析:膜結(jié)構(gòu)的荷載主要包括自重荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載、地震荷載等。其中,自重荷載和溫度荷載是恒定荷載,風(fēng)荷載、雪荷載和地震荷載是變荷載。膜結(jié)構(gòu)的荷載分析需要考慮薄膜材料的非線性特性、預(yù)應(yīng)力的影響、荷載的不均勻分布、荷載的動(dòng)態(tài)效應(yīng)等因素,一般采用有限元法或動(dòng)力弛豫法進(jìn)行數(shù)值模擬。
形態(tài)設(shè)計(jì):膜結(jié)構(gòu)的形態(tài)設(shè)計(jì)是根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能、尺寸、形式和美感來(lái)選擇合適的雙曲面形態(tài)類型,如錐形、鞍形、拱形、穹頂形等,并通過(guò)數(shù)值模擬或?qū)嵨锬P蛠?lái)優(yōu)化形態(tài),使其滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、剛度、透光性、美觀性等要求。形態(tài)設(shè)計(jì)的原則是盡量減少薄膜的變形和應(yīng)力,提高薄膜的利用率和壽命。
材料選擇:膜結(jié)構(gòu)的材料選擇是根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素來(lái)選擇合適的薄膜材料和附加結(jié)構(gòu)材料,如聚酯纖維、玻璃纖維、PTFE、ETFE等薄膜材料,以及鋼、鋁、木等纜索或桿件材料。材料選擇的原則是盡量滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐候性、透光性、防火性、防污性、可回收性等要求,同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的重量、造價(jià)、維護(hù)等因素。
結(jié)構(gòu)連接:膜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)連接是指薄膜材料與附加結(jié)構(gòu)、邊界或錨固點(diǎn)之間的連接方式,如縫合、粘接、夾緊、穿孔、扣件等。結(jié)構(gòu)連接的原則是盡量保證連接的可靠性、安全性、耐久性、美觀性等要求,同時(shí)考慮連接的工藝、成本、維護(hù)等因素。
施工與安裝:膜結(jié)構(gòu)的施工與安裝是指薄膜材料和附加結(jié)構(gòu)的制作、運(yùn)輸、組裝、張拉等過(guò)程。施工與安裝的原則是盡量保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、效率、安全、環(huán)保等要求,同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的尺寸、形態(tài)、位置、預(yù)應(yīng)力等因素。
膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在鐵路站臺(tái)罩棚的應(yīng)用有許多典型的實(shí)例,如下:
[北京南站]:北京南站是中國(guó)最大的高鐵樞紐站,其站臺(tái)罩棚采用了穿插式桁架膜結(jié)構(gòu),薄膜材料為ETFE,桁架材料為鋼。站臺(tái)罩棚的形態(tài)為雙層鞍形,總面積為6.8萬(wàn)平方米,最大跨度為120米。站臺(tái)罩棚的設(shè)計(jì)既考慮了結(jié)構(gòu)的功能和穩(wěn)定性,又體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕盈和透明,與車站的現(xiàn)代化和高效化相協(xié)調(diào)。
[上海虹橋站]:上海虹橋站是中國(guó)最繁忙的高鐵樞紐站,其站臺(tái)罩棚采用了覆蓋式桁架膜結(jié)構(gòu),薄膜材料為PTFE,桁架材料為鋼。站臺(tái)罩棚的形態(tài)為單層拱形,總面積為17萬(wàn)平方米,最大跨度為80米。站臺(tái)罩棚的設(shè)計(jì)既滿足了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,又保證了結(jié)構(gòu)的透光性和美觀性,與車站的開(kāi)放和綠色相呼應(yīng)。
[廣州南站]:廣州南站是中國(guó)最大的綜合交通樞紐站,其站臺(tái)罩棚采用了空間拉索膜結(jié)構(gòu),薄膜材料為PTFE,拉索材料為鋼。站臺(tái)罩棚的形態(tài)為單層錐形,總面積為13萬(wàn)平方米,最大跨度為100米。站臺(tái)罩棚的設(shè)計(jì)既利用了拉索的張力和薄膜的柔性,又展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的動(dòng)感和流暢,與車站的速度和激情相符合。