PTFE张拉膜雨棚结构设计石煦阳（广东省建筑设计研究院，广东广州510010）摘要：本文阐述了张拉膜结构的材料特性、力学性能和分析方法，对一个PTFE张拉膜雨棚工程实例进行设计，介绍该结构的设计过程，包括膜材选择、膜材边界设计、降温法输入预张力、初始态找形分析、施加荷载、非线性计算分析等。关键词：张拉膜结构;PTFE膜材；非线性分析中图分类号：TU38文献标识码:A文章编号:1673-0038（2020）18-0105-020引言建筑膜材在一定的预拉力作用下具备一定的刚度，从而获得了承担外荷载的能力，这就是张拉膜结构的基本作用原理L现代膜结构建筑中，常用的膜材有聚酯纤维、玻璃纤维等。膜材料自重非常轻，同时具有不俗的抗拉强度和变形能力。张拉膜结构使用膜材屋面替换传统的混凝土屋面板和金属屋面板，可以十分有效地降低结构的整体自重，使得结构更加轻盈、美观；同时，张拉膜结构通常由充满整体性与韵律感的空间曲面组成，可以大大丰富建筑师对于建筑造型的想象力。因此，在交通建筑、体育建筑、会展建筑等大跨度空间结构以及雨棚这一类结构外露、造型多变的室外建筑中，张拉膜结构已经获得了较为广泛应用。1张拉膜结构概述1.1膜材张拉膜结构中常用的膜材均为复合材料，由纤维基材和涂层构成。根据复合材料组分的差异，一般可以分为三大类:①玻璃纤维基材和聚四氟乙烯涂层，又称为PTFE膜材;②玻璃纤维基材和硅酮涂层;③聚酯纤维基材和聚氯乙烯涂层，又称为PVC膜材。相比PVC膜材,PTFE膜材的抗拉强度和弹性模量较高，也具有较好的透光率、自洁性以及抗紫外线性能，经受太阳光的长期照射后，也不会像PVC膜材那样发生较大的徐变，因此,PTFE膜材常用于设计使用年限较长的建筑中，PVC膜材则多用于临时建筑。1.2张拉膜结构的基本力学性能与分析方法膜材料本身在自然状态下只能承受拉力，并不具备刚度。张拉膜结构张拉后形成一个相对稳定的曲而形态，在理论上，这一形态只与结构的膜边界条件以及预张力有关，在结构上称之为膜的初始形态。因此，外荷载使膜发生变形后，膜内张力始终是趋向于使膜形态回到张拉完成后的初始形态。进行找形分析目的，是通过调整结构膜而边界和初始预张力,来获得一个可以满足建筑师的造型功能要求、也能满足结构稳定可靠工作的膜面形状，使结构获得较大的刚度,并使膜面的应力分布更加均匀⑵。为了使张拉膜结构处于一个稳定的工作状态,必须使膜面为负高斯曲率曲面,包括马鞍形双曲抛物面和类锥形双曲面叫如图1所示。这类曲面的共同特点是，在膜面内存在相互正交的两个法平面，法平面内的膜面切线是弯曲方向相反的两条曲线纤维单元。膜而在不同方向的荷载作用时，各个方向荷载会有相互独立的传力路径。例如向下作用的恒荷载和向上作用的风荷载，分别由下垂的纤维单元和上拱的纤维单元来承载。这一特性保证了膜而能够承受不同方向的荷载，也不会因为外荷载反向而松弛。值得注意的是，相比混凝土与钢材等常规建筑材料，膜材的弹性模量较小而具有较强的变形能力，膜承受外荷载进一步变形后，膜内力增大、膜内力角度变化，从而达到受力平衡状态，膜的变形与张拉膜结构的刚度有一定的相关关系。因此，进行膜结构计算分析时，必须采用大变形非线性的分析方法。2工程实例分析2.1工程概况与结构计算模型本工程位于华南地区，结构设计使用年限为50年,采用了1.0mm厚的PTFE膜材，单体雨棚区域总面积约为1800m2,由12跨相似的连续单元体组成，典型柱跨约为13.9m,其中最大一跨约为18,6m。选取其中六跨连续单元体，采用3d3s结构设计软件建立结构计算模型，如图2所不。图2结构计算模型为了使膜面找形后形成合适的马鞍形双曲抛物面，在建模阶段，应使膜面两个方向的边界具有不同的凹凸方向。如图3所示，箭头所指的四根杆件组成中间膜面硬边界的支承杆件，在两个不同的方向上,1、2杆和3、4杆分别上凸和下凹，1、2杆使膜面形成上拱纤维,3、4杆使膜面形成下垂纤维。为了校核计算结果，选取K3跨导入到SAP2000中进行分析。需要遵循以下步骤将找形后的膜单元导入SAP2000：导出线模型，在AutoCAD中使用EXPLODE命令分解膜面MPOLYGON单元为多段线单元,再用REGION命令将其转化成面域，然后用天正...