张拉索膜结构体系及其施工技术

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张拉索膜结构体系及其施工技术

膜结构是指积极地利用膜状材料，并在结构及建筑设计上充分体现膜结构特点的结构形式。上世纪50-60年代，随着化学工业的飞建发展，加工复合材料工艺的进步，使作为屋顶使用的膜材的综合性能得以改善和提高，为这一新兴建筑形式的流行打下了良好的物质基础。同时，随着社会发展和生活水平提高，人们希望突破传统建筑结构形式和风格的局限，膜结构以其新颖独特的建筑造型顺应了人们的这一愿望。
　　现代膜结构工程是集建筑学、结构力学、化工学、材料学及计算机学为一体的高科技工程”。由于它独特的性能和强烈的视觉冲击效果，很快被人们所接受，并出现了不可阻挡的发展态势。膜结构建筑适用范围很广，可用于体育建筑、展览建筑、娱乐建筑、演出建筑、机场建筑及各类海滨娱乐休闲建筑及设施。

　　1     膜结构分类
　　从结构形式上膜结构建筑可简单地概括为充气式、骨架式和张拉式三大类口。
　　1．1 充气式膜结构(Air Supported Membrane Structure)
　　充气式膜结构是依靠膜曲面内外气压差来维持膜曲面的形状。这种索膜建筑历史较长，但因在使用功能上明显的局限性(如形象单一、空间要求气闭等)，使其应用面较窄；但充气式索膜体系造价较低，施工速度快，在特定的条件下又有明显优势。1970年日本大阪万国博览会的美国馆，采用的就是这种结构，它标志着膜结构的开始。
　　1．2 骨架式膜结构(Framework Membrane Structure)
　　骨架式索膜建筑常在某些特定的建筑中被采用，是由于其结构形式本身的局限性(骨架体系自平衡，膜体仅为辅助物，使膜体强度高的特点发挥不足等)；而骨架形式与张拉形式的结合运用，常可取得更富于变化的建筑效果。骨架式索膜体系建筑表现含蓄，结构性能有一定的局限性，造价低于张拉式体系。1996年亚特兰大奥运会主体育馆(佐治亚穹顶)为这类结构的典型工程。
　　1．3 张拉式索膜结构(Tensioned Cable-Membrane Structure)
　　张拉式索膜建筑可谓索膜建筑的精华和代表。张拉索膜结构中膜曲面通过预应力维持自身形状，膜既是建筑物的圈护体又作为结构来抵抗外部荷载效应。由于其建筑形象的可塑性和结构形式的高度灵活性和适应性，该结构形式的应用极其广泛。张拉式索膜结构又可分为索网式、脊谷式等。这种体系富于表现力，结构性能强，但造价稍高，施工精度要求也高。这类工程最典型的是美国丹佛机场候机大楼。

　　2      张拉索膜结构体系
　　张拉式索膜结构体系由膜体(膜材)、张拉索(边索、谷索、脊索和拉地索)、支承结构、锚固体系及各部分之间的连接节点等组成。
　　2.1 膜材
　　膜材是由高强度的织物基材加上聚合物涂层构成的复合材料。膜材根据基材和表面涂层的不同，一般分为三大类：A种膜材(玻璃纤维基材、PTFE涂层)、B种膜材(玻璃纤维基材、硅酮涂层)、C种膜材(聚酯长丝基材、PVC涂层)。其中A种膜材多用于美洲和日本，C种膜材在欧洲较为常见，而B种膜材由于其自身性能等原因很少采用。
　　2.2索
　　常见膜结构中所用的索有钢丝等。根据索所处的位置和功能的不同可将索分为边索、谷索、脊索和拉地索。
　　2.3支承结构
　　膜结构都是支承在一定的结构体系上。根据支承条件不同可将索膜结构支承体系分为三大类：刚性支承体系、柔性支承体系和混合支承体系。由于膜结构靠结构内的预应力来形成建筑的造型，故对支承结构的安装精度要求较高。在膜结构吊装前，须根据规范和设计要求对支承结构进行复测，并做复测纪录。
　　2.4锚固体系
　　属于自平衡体系的索膜结构，其索和膜的预应力是由边界结构构件来承受的，而非自平衡结构是通过抗拉锚固体系传递抵抗索拉应力效应的。抗拉锚固体系可分为以下几类：重力锚固体系、抗拔桩锚固体系、阻力锚固体系(板式、蘑菇式、挡土墙式)、摩擦锚固体系和岩石锚固体系等。
　　2．5 节点
　　膜结构的连接包括膜节点、膜边界、膜角点、膜脊和膜谷。膜节点是指膜裁剪片之间的连接，膜边界是指膜材与支承结构之间的连接，膜角点是指膜边界交汇的点，膜脊和膜谷是指支承结构最高和最低处膜的连接。节点设计是膜结构设计不可缺少的一部分，设计节点时不仅要考虑节点的功能要求，还应该满足美观的需要，且作为屋面节点还应该有良好的防水性能。
　　
　　3     张拉膜结构施工技术
　　3．1 膜材裁剪、包装及运输
　　索膜结构体形通常都较为复杂，各种角度变化较多，且加工精度要求非常高。在制作过程中要加强质量管理，保证制作精度。在膜结构制作前，需要对工程所用膜材及配件按设计和规范要求进行材质和力学性能检验，如膜材的双向拉伸试验。膜材加工制作要严格按设计图纸在专业车间由专业人员制作。由于索膜结构通常均为空间曲面，裁剪就是用平面膜材表示空间曲面。这种用平面膜材拟合空间曲面的方法必然存在误差，所以裁剪人员在膜材裁剪加工过程中加入一些补救措施是相当必要的。对已裁剪的膜片要分别进行尺寸复测和编号，并详细纪录实测偏差值。裁剪作业过程中应尽量避免膜体折叠和弯曲，以免膜体产生弯曲和折叠损伤而使膜面褶皱，影响建筑美观。膜片下料完成后再根据排水方向和膜片连接节点确定热熔合方案。在正式热合加工前，要进行焊接试验，确保焊接处强度不低于母材强度。
　　经检验合格的成品膜体，在包装前，应根据膜体特性、施工方案等确定完善的包装方案。如聚四氟乙烯为涂层的是玻璃纤维为基层的膜材料可以以卷的方式包装，其中卷芯直径不得小于100mm，对于无法卷成筒的膜体可以在膜体内衬填软质填充物，然后折叠包装。包装完成后，在膜体外包装上标记包装内容、使用部位及膜体折叠与展开方向。在膜材运输过程中要尽量避免重压、弯折和损坏。同时在运输时也要充分考虑安装次序，尽量将膜体一次运送到位，避免膜体在场内的二次运输，减少膜体受损的机会。
　　膜材加工制作工艺漉程为：膜裁剪出图→审图→膜加工技术交底→检验→放样→裁剪→膜材预拼装→膜材热熔合→边缘加工→成型尺寸复核→清洗→包装→出厂。
　　3．2 支承结构安装
　　张拉索膜结构的支承可分为刚性边界和柔性边界。支承结构安装误差的大小，不仅直接影响建筑的外观，还影响结构内预应力的分布，严重者将影响结构的安全性。在安装支承钢结构前，应按规范和设计要求对钢结构基础的顶面标高、轴线尺寸做严格的复测，并作复测纪录。
支承结构安装工艺流程为：钢结构预埋交底→钢结构预埋→钢结构制作→基础预埋复核→构件防腐涂装→构件防火涂装→构件吊装。
　　3．3膜体安装
　　3．3．1 准备工作
　　膜体进场安装前，应组织项目有关人员对施工方案进行评审，确定详细的安装作业与安全技术措施。先复核支承结构的各个尺寸，使每个控制点的安装误差均在设计和规范允许的范围内；对膜体及配件的出厂证明、产品质量保证书、检测报告及品种、规格、数量进行验收；检查膜体外观是否有破损、褶皱，热熔合缝是否有脱落，螺栓、铝合金压条、不锈钢压条有无拉伤或锈蚀，索和锚具涂层是否破坏。
　　在组织验收构件的同时，还应根据场地条件和施工方案搭设膜体展开平台，安装安全网。对大型的张拉膜结构，要收集安装期间的气象信息。安装过程中要密切注意风向和风速，避免膜体发生颤动现象。在强风或大雨天气要及时停止施工，并采取相应的安全防护措施。
　　3.3.2 膜体安装
　　膜体安装包括膜体展开、连接固定、吊装到位和张拉成形四个部分。
　　(1) 展开膜体前，在平台上铺设临时布料，以保护膜材不被损伤及膜材清洁，严格按确定的顺序展开膜体。打开包装前应校对包装上的标记，确认安装部位，并按标记方向展开，尽量避免展开后的膜体在场内移动。在展开的膜面上行走时要穿软底鞋，不得佩带硬物，以防膜体受到刮伤。
　　(2) 在平台上展开膜体后，用夹板将膜材与索连接固定。夹板的规格及夹板间的间距均应该严格按设计要求安装。对一次性吊装到位的膜体，也必须一次将夹板螺栓、螺母拧紧到位。
　　(3) 目前索膜结构吊装较多应用多点整体提升法，是将已经成熟的整体“提升”技术加以改造用于索膜结构这种柔性结构的施工过程中，该工艺要求整个过程必须同步。起吊过程中控制各吊点的上升速度和距离，确保膜面的传力均匀。
　　亦可采用分块吊装的方法，将膜体按平面位置分为若干作业块，每块膜体同样采用多点整体吊装技术，整体吊装到位。若采用整体提升技术，要求投入的设备和人员较多，施工准备期较长。采用分块吊装法将整个膜体分为5个作业块，第1片和第2片、第3片和第4片、第5片和第6片、第7片和第8片、第9片和第10片，每个作业块膜体的7个吊点同时提升。待所有膜体均到达设计高度后，再在空中将各个作业块连接到一起，其优越性相当明显。在整个安装过程中要特别注意防止膜体在风荷载作用下产生过大的晃动。
　　(4) 张拉成型是整个膜结构工程施工的重要环节，施工项目能否取得效果，取决于张拉是否满足设计要求。当支承结构为刚性边界时，预应力的施加要通过特殊的构造来实施。对于柔性边界，可通过调整撑杆的位置来调节预应力的大小。张拉索膜结构中，膜材的张拉预应力是靠索提供的。整个张拉过程实际就是将各种索按照预定的应力张拉到位。张拉时应确定分批张拉的顺序、量值，控制张拉速度，并根据材料的特性确定超张拉量值。张拉过程可以是分批、分级调整索的预应力，逐步张拉达到设计值；也可以对整体实施同步张拉。对有控制要求的张力值应作施工纪录，对无控制要求的也要作张拉行程纪录。
　　(5) 膜安装工艺流程为：安装方案会审→复核支承结构尺寸→膜安装技术交底→检查安装设备工具是否到位→搭设安装平台→铺设保护布料→展开膜材→连接固定→吊装膜材→调
整索及膜收边→张拉成型→防水处理→清洗膜面→最后检查→交工。
　　3.3.3 安装质量要求
        膜面无渗漏，无明显褶皱，不得有积水；膜面颜色均匀，无明显污染串色；连接固定节点牢固，排列整齐；缝线无脱落；无超张拉；膜面无大面积拉毛蹭伤。