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杭州停车棚-国外膜结构的应用与研究(二)

4.空气支承式膜结构

韩国忠州世界武术节剧场由14个桁架柱支撑屋顶,三角形管桁架组成椭圆状压缩环。屋面采用透镜型PTFE气囊,面积为30米×53米。气囊内部的高度为5米,体积为5630立方米,内压350Pa。用索在气囊上部和下部作加劲,短向7根Φ24索,长向4根Φ24索,上弦落雪长向不设。上下索之间用Φ12联系索,可减小压缩环受力。这个结构跨度不大,但可取的是尝试了直接用气囊做屋盖结构的一种新形式。

美国新泽西州某校园充气馆(见下图)宽58米,长117米,高24米,有四条跑道。该馆用自动控制系统保持温度。屋顶的膜夏天可轻松撤下,冬天重新安装。全天候用于足球和曲棍球训练(比赛)。该馆采用交叉索网系统,可以保障结构稳定。据悉,该馆可承受强台风和8千克/平方米的雪。

5.伸缩式开合膜结构

格鲁吉亚Batumi夏季音乐厅位于第比利斯,音乐厅呈椭圆状,147米×105米,9000座。固定的舞台屋盖为钢桁架系统,有3°倾斜,覆盖5500平方米,8°外倾的周边柱支承压缩环。7900平方米伸缩式膜屋顶跨度83米,29根径向索跨越压缩环和舞台口的弧形钢桁架,增加了柔软剂的单层PVC膜位于径向索下,膜收起过程沿径向索滑动进入膜库,冬季膜需要存储和密封在膜库里。膜库端15根索降低1.60米,形成折叠式的山脊和山谷线,用于排水并提高刚度。

加拿大温哥华BCPlace体育馆于1986年建成,227米×186米,可容纳6万人,曾是世界上最大的气承式充气圆顶体育馆。因该馆膜材老化,2007年曾被大风吹坏。2010年奥林匹克冬季运动会后,该馆已更换为新的开合屋盖结构。混凝土结构上高达47.5米的36根桅杆支承36榀径向索桁架形成屋盖主结构。采用性能更好的PTFE纤维膜做成36个充气垫,沿下弦径向索滑动构成伸缩式屋顶,跨度70米,覆盖8500平方米。永久荷载作用下的气垫内压是500Pa,如果屋顶受到雪压将增加到2000Pa。收缩过程气垫首先放气,然后折叠缩回。最大担忧之一是收缩之前空气量不能完全放掉,为此上层膜设置70毫米直径管,以便排风机抽气,保证折叠到最小的尺寸。固定内环和伸缩式屋顶的过渡区是钢环桁架支承的玻璃顶,边缘有充气密封系统。

波兰国家体育场(见下图)位于华沙,平面尺寸280米×245米,覆盖近7万平方木,5.5万座,为主办2012年欧洲杯足球赛而建。碗结构周围72根柱支承下压缩环,替代上压缩环的是斜杆。辐射布置索桁架的径向索互相交叉,增加倾斜,提高刚度。固定屋盖5.4万平方米,采用PTFE膜覆盖看台,内边缘10米宽为热增强玻璃屋顶4000平方米;外部上径向索连接到张力环,支承10米宽悬挑玻璃顶和悬挂伸缩式膜。内部下径向索只用4组索(每组3根),在草地上空对角线布置,使遮挡场地上空的结构数目最少。开合屋盖1.1万平方米,用PVC膜沿着60根内部上径向索跨越中央的枢纽和张力环之间,覆盖草坪。

自从加拿大蒙特利尔“斜塔”体育馆伸缩式开合不成功后,这种形式已经很少采用。上面这3个伸缩式开合膜结构都是Schlaich事务所的作品,他们详细研究了合理的伸缩方式,并且都采用了先进的膜材,成功地实现了包括气垫在内的膜结构伸缩式开合。

巴西首都巴西利亚新建的马内加林沙国家球场,70402座,用膜结构覆盖物面和墙面,也采用了伸缩式开合方式。固定屋面采用4万平方米TiO2/PTFE膜,伸缩式开合膜屋面为4.05万平方米PTFE网格膜,墙面是4000平方米PTFE膜。

6.超大空间膜结构

哈萨克斯坦KhanShatyr娱乐中心(见左图)位于阿斯塔纳市,那里有从 40oC到 40oC的极端气候。娱乐中心内游客可以购物、看电影及享受用餐,设有慢跑的路径、微型高尔夫。在最高的独立屋顶,有热带的沙滩和温暖的泳池。

该结构长轴140米、短轴120米,中央三脚架高150米,屋顶表面积1.9万平方米。从高度70米~125米,成对使用192根38毫米直径径向索,辅以环向索抗扭,外表面使用ETFE完全透明膜气枕。索与膜需要相对较高的预应力以控制变形,约需提高10%~20%,控制索最大变形800毫米,铝框设计需适应变形。顶环直径20米,采用150毫米厚钢板,顶部结构设百叶保证通风。低温下ETFE会变硬,设计中须关注。

膜结构在大型工程中应用多体现在体育场馆,展示了膜结构应用于大跨度屋盖结构的优势。KhanShatyr娱乐中心是用膜结构覆盖超大空间、构建人工环境的一个成功案例。国际上已有不少学者在探讨构建500米~1000米超大空间的可行性。我国也应该多专业联合开展探索性研究,以迎接未来的挑战。(待续)

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