探析多跨連續預應張拉索膜的施工安裝技術

建筑結構

探析多跨連續預應張拉索膜的施工安裝技術

摘要：張拉膜結構這種新型的建筑結構形式具有節能環保、形態新穎而倍受建筑師們的青睞。在２００８年奧運會場館“鳥巢”及

２０１０￣７上海世博會中膜結構得到了廣泛的應用，從而對我國的膜結構行業產生了深遠的影響，使得膜結構的前景非常廣闊。從上世

紀９Ｏ年代開始國內只少量的骨架式膜結構，直到今天，隨著技術的進步，膜結構建筑變得越來越復雜，尤其是多跨連續預應力張拉膜

結構被應用到實際Ｘ－程中，這就對多跨連續預應力張拉膜結構的安裝提出了較高的要求。本文以臺州學院風雨操場屋頂索膜結構

工程（以下簡稱“風雨操場”）為例，探討預應力索膜結構的施工安裝技術，希望本文能夠給同行提供一點借鑒。

關鍵詞：索膜結構；預應力；索網結構

１．工程概況

索、膜邊索、膜內索組成索網，并安裝到主、次桅桿頂端相應連接板上。安裝過

程中輔以臨時支撐結構確保結構穩定。

風雨操場位于浙江省臺州市臺州學院椒江校區，為張拉膜結構，脊谷形。

第二步：調整主、次桅桿后的張拉拉索內力（通過計算機有限元軟件模擬

采用張拉索網和桅桿作為主要承載受力體系，整體長１７２ｍ，寬５６ｍ，膜體面積 分析得出主、次桅桿后的拉索內力），使得索網內的應力逐漸增加至膜面應力

９７６１平方米，具體見下圖１。

趨近于零的狀態。此時可拆除臨時支撐結構，因整個索網已施加了部分應力，

已有自身剛度，能夠保持整體穩定。

第三步：對稱安裝膜體，由中間向二邊對稱安裝的順序進行，膜體采用專

用張拉工具張拉，安裝到索網上。

第四步：調整主、次桅桿后的拉索張力，逐步增加索網應力，最終達到設

計應力。此步驟需多次重復。因整個索網單元是以柔性連接，張力是連續傳遞

圖１：結構三維軸測圖及立面圖

的，故相鄰單元之間的影響較大，而同時進行張拉所投人設備無法滿足，故只

本工程按材料不同，整個結構可分為鋼結構桅桿、張拉索、張拉膜三部分：

能循序漸進，多次重復調整。在本工程中預應力施加分三次重復：３０％、６０％、

鋼結構：主桅桿ｌ８根，采用０５５０ｘ２５ｍｍ（端部３０ｍｍ），次桅桿２４根，采用０

１０５％ ＣＯｎ，自中間向兩邊，對主桅桿循環張拉。

２７３ｘ１０ｍｍ。張拉索：材質為鋅一５％一混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線，鋼絲強度

為１５７０ＭＰａ級，防腐為Ｂ級。主要有脊索ｓ１、谷索ＭＳ１、后拉索￥２／￥３／￥４，邊界索

５．材料Ｊｊ￣－ｒ對預應力控制的影響

ＭＳ２／ＭＳ４／ＭＳ５等，拉索按其是否可調及作用分為主受力拉索及輔助受力索。

５．１．張拉索加工制作控制及索網空間形態控制對預應力的影響

其中主受力索為脊索、谷索及后拉索，均不可調節。其它均為輔助受力索，可 （１）鋼索加工制作的精度對前期預應力的控制起到至關重要的作用，前

調節。膜體：整個項目為分ｌ８個單元膜體，中間ｌ６個單元規格為９＂５６ｍ，邊跨 期索網內的應力分布主要靠控制索長，所以鋼索制作前需對鋼絲繩進行預張

單元為１４＂５６ｍ，材質為進口乳白色ＰＶＣ膜材。

拉，下料長度根據應力作用下的鋼索伸長量確定，制作完成后對整個索體進

２．施工難點分析

行超張拉，確保應力狀態下索長與設計相符。拉索長度為銷軸中心到銷軸中

心的距離，但需考慮如下因素并對拉索長度進行調整：拉索調整長度＝制作偏

風雨操場的結構受力體系不同于傳統的鋼結構。傳統鋼結構形式以鋼

差＋零應力調整值＋溫度調整值＋設計孔徑調整，正值調增，負值調減。

柱、鋼梁形成多次超靜定的空間穩定框架，施工過程中所有構件以零應力狀

制作偏差：根據設計圖紙及相關規范要求，拉索長度不同，允許偏差也不

態組裝成靜定或超靜定結構，自成穩定體系。而風雨操場是以張拉索網及鋼

相同，為此需復核制作與設計偏差。

結構桅桿作為主要承載受力體系，張拉索網在無應力狀態時則無剛度。鋼結

制作偏差：拉索設計長度—拉索實測長度。

構桅桿的根部采用純鉸接連接，其本身也是可變體系。只有當張拉索網內施

零應力調整值：根據虎克定律公式口＝Ｅ￡及￡＝△Ｌ／Ｌ＝（Ｌ１一ＬＤ），Ｌ得Ｌ０＝

加一定的預應力后，與鋼結構桅桿協同受力才能具有剛度，從而形成穩定體

ＩＪ１一 口／Ｅ，計算出零應力狀態下拉索長度。

系。施加預應力是整個施工過程中的難點，下面從預應力施加方案比選、預應

溫度調整值：結構安裝溫度不一定是標準的２０℃，根據線膨脹系數公式

力的施加步驟、材料加工對預應力施加的影響及計算機數值模擬在工程的應

ｄ：ＡＬ／（Ｌ＊Ａ ，鋼材線膨脹系數１２＂１０—６ｆＣ，得出在溫度變化１０℃時，溫度

用四個面進行闡述。

調整值△Ｌ＝ｄ?Ｌ。

３．預應力施加方案比選

孔徑調整：桅桿連接耳板與索具銷軸直徑之差為３．５～４．５ｍａ，因此安裝

時，必須考慮，設計長度需扣減３．５～４．５ｍｍ。

結構預應力施加包括索網預應力施加和膜面預應力施加兩個過程。兩個

（２）由于整個索網施工階段其空間形態變化很大，而索網形態直接影響

預應施加過程可同步施加，即索、膜一次性安裝，共同張拉施加預應力；也可

索網內力分布，所以控制索網的空間形態顯得尤為重要，目測往往偏差太大。

分步施加，即先將索網張拉至膜面應力趨近于零的狀態，再將膜體安裝到索

經過分析決定設置一個完整的測量控制網，測量整個索網在空間上形態。但

網上，再次張拉索網，調整預應力的大小至設計值。經過深入的研究分析，發

由于整個索網在風力作用下抖動較大，測量非常困難。經過數學模型分析，只

現索膜應力同步施加存以下風險：

要索網長度值一定，索網的空間形態是由支撐點的空間坐標決定的，最終決

第一：膜單元面積較大，如果利用膜和索網來共同傳遞張力，在整個長度

定選擇桅桿頂作為控制觀測點，采用全站儀全程跟蹤測點空間位置，與設計

方向上張力是連續傳遞的，傳遞路徑太長，很容易造成膜面應力不均，在脊索

值進行比較，以確保所有控制均在相應的設計位置，才能保證整個索網體系

與副脊索交接處等膜體角部會產生超張拉，從而使膜體損壞。

內力達到預設要求。待索網張拉、膜體安裝初步成形后，再通過儀器測量索網

第二：在整體張拉前膜體須全部安裝在索網上，此刻索網及鋼結構桅桿

的內力，與設計內力進行比較，以精確控制索網實際內力。

均處于零應力狀態，整個結構采用臨時支撐確保結構處于穩定狀態，如果此

５．２．膜體裁剪及張拉控制對預應力的影響

時恰逢大風、暴雨天氣，對整個膜體來說將是毀滅性的災難。

（１）膜片裁剪補償：由于膜體邊界均為固定邊界，且與整個索網成一整

經過仔細分析利弊，最終確定采用分步施加預應力的方案。

體，膜體預應力的施加主要依靠膜片裁剪補償，即縮小膜片，通過索網的張力

４．預應力施加步驟

來使膜體張緊至設計位置。需考慮膜片裁剪補償及焊接收縮變形，焊接后膜

體邊界尺寸小于其設計長度，精確測定膜材的彈性模量、選取合理的裁剪補

第一步：首先將所有鋼索長度調整到零應力態下的設計索長，將脊索、谷

償值是保證膜體預應力的關鍵。