索膜結(jié)構(gòu)及其施工技術(shù)

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索膜結(jié)構(gòu)及其施工技術(shù)
作者：王世江
 
 索膜結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展很快的一種新型空間結(jié)構(gòu)，是一種效率極高的張力集成體系，可以充分發(fā)揮鋼索的強(qiáng)度與張拉整體結(jié)構(gòu)的空間作用。張拉膜結(jié)構(gòu)是索膜結(jié)構(gòu)中最常見的一種形式，是索膜建筑的代表和精華，它通過鋼索與膜材共同受力形式穩(wěn)定曲面來覆蓋建筑空間，具有高度的形體可塑性和結(jié)構(gòu)靈活性，即通過對(duì)膜材內(nèi)部施加一定的預(yù)張力，使其具備了抵抗外荷載能力，從而充當(dāng)結(jié)構(gòu)材料的一種結(jié)構(gòu)體系。這種形式能夠充分利用膜材的受力性能，形成輕巧、美觀、具有現(xiàn)代感的空間大跨曲面結(jié)構(gòu)，并且施工簡單、快捷，成本低，在國內(nèi)外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于商業(yè)建筑、體育建筑、工業(yè)建筑、戶外設(shè)施、文化娛樂建筑等各種領(lǐng)域。
 1  索膜結(jié)構(gòu)的組成及材料特性
 1.1 索膜結(jié)構(gòu)的組成
 一個(gè)完整的索膜結(jié)構(gòu)一般由三部分組成：
 1）形成曲面結(jié)構(gòu)的張拉膜材；
 2）用于加強(qiáng)膜面的脊索和谷索，以及將膜內(nèi)力傳向支承結(jié)構(gòu)的邊索；
 3）求索膜體系的支架結(jié)構(gòu)。
 張拉膜材即作為結(jié)構(gòu)材料，要能夠抵抗一定的荷載而不致引起過大變形。同時(shí)為完成作為覆蓋材料所規(guī)定的建筑功能，例如美觀、遮光、防火、耐久等等，還需滿足各種性能要求。所以，選用合適的膜材對(duì)于索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造非常重要。
 加強(qiáng)索除其對(duì)于膜面受力方面的加強(qiáng)作用外，更重要的是起到了改變建筑造型的作用。尤其是谷索和脊索的靈活設(shè)置會(huì)給整個(gè)建筑帶來奇妙的視覺效果。
 支架結(jié)構(gòu)最常采用的是鋼結(jié)構(gòu)，也可采用混凝土結(jié)構(gòu)，甚至在某些情況下可以采用木結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)。支架結(jié)構(gòu)除滿足將索膜體系的內(nèi)力傳遞到基礎(chǔ)這一結(jié)構(gòu)要求以外，其形式可以采取變化多樣的形式，以實(shí)現(xiàn)不同的建筑造型效果。例如采用獨(dú)立柱或柱與拉索的組合可以提供一個(gè)獨(dú)立支點(diǎn)，這里的柱可以是鋼管柱、桁架柱或混凝土柱，而直梁、桁架拱或環(huán)梁可以提供一系列連續(xù)支點(diǎn)。
 通過索膜結(jié)構(gòu)三部分的不同組合、變化，可以形成形式多樣、不拘一格、令人耳目一新的索膜結(jié)構(gòu)。對(duì)索膜結(jié)構(gòu)來說，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)自重輕，荷載低、用材經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)上的要求一般是容易滿足的，而形式上的不斷創(chuàng)新是索膜結(jié)構(gòu)這一結(jié)構(gòu)體系的靈魂，這也正是它越來越為更多的人所重視的原因所在。
 1.2 索膜結(jié)構(gòu)的材料和性能
 索是受拉單元的統(tǒng)稱。索的核心分為有機(jī)纖維和金屬兩類。一般工程用索為全鋼索，典型的有：高強(qiáng)鋼棒、索心索、股鋼核心索等
    工程結(jié)構(gòu)用索的柔性要求不高，所以鋼索一般采用較粗的線材制造。鋼索的彈性模量一般在147KN/mm2——170 KN/mm2，線膨脹系數(shù)一般在3.9×10-6mm/mm*℃。結(jié)構(gòu)用索的另一個(gè)重要參數(shù)是索的密實(shí)系數(shù)。密實(shí)系數(shù)是指索中線股總面積和索直徑所對(duì)應(yīng)圓面積的比值。密實(shí)系數(shù)越大，索的抗拉極限荷載越大。實(shí)驗(yàn)表明，張緊索在工作應(yīng)力σ〈0.55σe（σe為比例極限）的范圍內(nèi)可認(rèn)為具有恒定的彈性模量，即索是線彈性體。
 另外，動(dòng)力荷載引起的振動(dòng)效應(yīng)相對(duì)于靜荷載而言對(duì)索的工作性能更不利，因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)使索產(chǎn)生反復(fù)加卸載從而引起松弛。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)盡量使工程結(jié)構(gòu)中的索具有較高的工作應(yīng)力。設(shè)計(jì)中綜合考慮索的疲勞、松弛等效應(yīng)，一般取安全系數(shù)為5。在這個(gè)范圍內(nèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，索被認(rèn)為是線彈性體，并且具有不低于200萬次的疲勞壽命。
 膜結(jié)構(gòu)采用的薄膜材料，大多采用涂層織物薄膜，分為兩部分，內(nèi)部為基材織物，主要決定膜材的力學(xué)性質(zhì)，提供材料的抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度等。外層為涂層，主要解決膜材的物理性質(zhì)，提供材料的耐火性及防水、自治性等，常用的膜材一般為聚酯織物涂敷聚氯乙烯涂層膜材、玻璃纖維織物涂敷聚四氟乙烯涂層或有機(jī)硅樹脂涂層膜材等。膜材的抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度與抗撕裂強(qiáng)度之間有很大的相關(guān)性?；季幙椌o密的膜材有很高的抗拉強(qiáng)度，但抗撕裂強(qiáng)度相應(yīng)較低，這是由于其很高的彈性模量及基布與涂層間的粘結(jié)強(qiáng)度較大的緣故。高的彈性模量限制了基布的拉伸、延展，而粘結(jié)作用又阻止了基布和涂層間的滑移，進(jìn)一步限制了膜材的拉伸延展，這種特性使高抗拉強(qiáng)度膜材實(shí)際可用的抗拉強(qiáng)度大大降低，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，膜材的破壞主要是抗撕裂強(qiáng)度不足引起的撕裂破壞。膜材的疲勞強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度小得多，接縫的強(qiáng)度通常比材料強(qiáng)度小，且由于紫外線的照射會(huì)老化、變質(zhì)，因此需對(duì)膜材在外部氣候條件下進(jìn)行性能試驗(yàn)，進(jìn)行長期觀測(cè)。從經(jīng)濟(jì)的角度看，膜材的耐久性還是令人滿意的。微小的損傷可以修補(bǔ)，除稍加清洗改善透光度外，不需其他的養(yǎng)護(hù)和維修。
 2  索膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工技術(shù)
 2.1 索膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
 索膜材料均不具有抗彎能力，其上所有的點(diǎn)在分析模型中只具有三個(gè)自由度。這一特點(diǎn)實(shí)際可將索膜體系簡化為長度任意改變的空間鏈桿體系，或?qū)⒛ず喕癁榭勺杂衫旌娃D(zhuǎn)動(dòng)的三節(jié)點(diǎn)或更多節(jié)點(diǎn)有限元組成的空間網(wǎng)格。要使索、膜材料具有抵抗外荷載的能力，必須預(yù)先對(duì)其施加張拉力，以增強(qiáng)剛度、減小變形。由于索膜結(jié)構(gòu)內(nèi)的張拉力呈較為復(fù)雜的空間分布，因此所施加張拉力的大小一般需要通過計(jì)算機(jī)找形來確定。施加預(yù)張力后的索膜體系在承受外荷載之前的初始形狀需要通過找形這一步驟確定。
 在對(duì)索膜體系進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)，首先要給定結(jié)構(gòu)的邊界條件。而結(jié)構(gòu)頂張拉后在空間上的確定幾何形狀還無法預(yù)知。如何確定在給定邊界條件下索膜結(jié)構(gòu)的空間幾何形狀及與之相應(yīng)的預(yù)張力分布就是找形所要解決的問題。索膜材料只可受拉，不能受壓，受壓或拉力為零實(shí)際上將導(dǎo)致膜材出現(xiàn)故相，而索將屈曲變形，同時(shí)失去承載能力；風(fēng)荷對(duì)作用于索膜結(jié)構(gòu)所引起的水平力和上拔力對(duì)支架結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)有很大影響。為抵抗水平力和上拔力，斜拉穩(wěn)定索成為支架結(jié)構(gòu)中的常用構(gòu)件。
 基礎(chǔ)采用抗拔錨錠。如果采用獨(dú)立柱的形式，則將成為受彎構(gòu)件，其基礎(chǔ)若仍采用獨(dú)立基礎(chǔ)，則可能存在很大的偏心距，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行特殊處理，在大型結(jié)構(gòu)中常常采用閉合水平構(gòu)件如環(huán)梁或環(huán)索的形式來承擔(dān)水平力。
 2.2 索膜結(jié)構(gòu)的剪裁和連接技術(shù)
 膜材像服裝一樣需裁剪，再縫合、膠接或焊接。在歐洲市場(chǎng)上制成的商業(yè)半成品薄膜或涂層薄膜材料的門幅寬度通常是150cm，也有120cm，140cm，160cm或200cm的膜材。
 目前對(duì)標(biāo)準(zhǔn)形體的膜結(jié)構(gòu)的裁剪式樣，可以用程序控制標(biāo)繪器來完成，用計(jì)算機(jī)操縱自動(dòng)樣片切割機(jī)進(jìn)行裁剪，節(jié)省了制圖步驟。但是，對(duì)于多種多樣的膜結(jié)構(gòu)，要根據(jù)具體的幾何形狀確定與之相適應(yīng)的裁剪式樣，盡可能地簡單、經(jīng)濟(jì)。有時(shí)幾何形狀不同的單片膜材接合在一起，出現(xiàn)多向薄膜拉力，很容易出現(xiàn)皺折，這時(shí)需制作尺寸精確的模型來估計(jì)薄膜拉力并確定裁剪方案。根據(jù)所采用的連接方式，膜材兩邊需重疊2cm——4cm。
 裁剪方式的選擇應(yīng)遵循以下規(guī)則：
 1）單片形狀規(guī)則、面積大的裁剪式樣比小而不規(guī)則的裁剪式樣好，接縫清晰、美觀；
 2）接縫長度要盡量短，以減少浪費(fèi)；
 3）對(duì)于無法避免的重疊接縫，應(yīng)盡量使最少的接續(xù)集中于一個(gè)地方；
 4）由于接縫處的強(qiáng)度比膜材強(qiáng)度低，所以沿主應(yīng)力方向的接縫比同其垂直方向的接縫要經(jīng)濟(jì)；
 5）沿薄膜表面最陡方向的接縫使雨、雪易于滑落，保持表面的干燥，防止出現(xiàn)由于大的雪載引起陷落。
 膜結(jié)構(gòu)的連接包括膜節(jié)點(diǎn)、膜邊界、膜角點(diǎn)、膜脊和膜谷。膜節(jié)點(diǎn)指膜裁剪片之間的連接，膜邊界是指膜材與支承結(jié)構(gòu)之間的連接、膜角點(diǎn)是指膜邊界交匯的點(diǎn)，膜脊、膜谷是指支承結(jié)構(gòu)最高和最低處膜的連接。
 3  結(jié)語
 索膜結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，其材料性能、強(qiáng)度性能不同于一般的傳統(tǒng)建筑材料，由這種材料組成的構(gòu)造體系要具有抵抗外荷載的結(jié)構(gòu)剛度，必須施加恰當(dāng)?shù)牟眉艉瓦B接技術(shù)。但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到利用索膜結(jié)構(gòu)來建造普通建筑物具有其他類型結(jié)構(gòu)無法表現(xiàn)的、獨(dú)特的性能，這種性能優(yōu)良的輕質(zhì)建筑空間結(jié)構(gòu)體系必將在我國得到進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展。