張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

【摘要】張拉膜結(jié)構(gòu)建筑為廣大的結(jié)構(gòu)工程師提供了一個施展高科技設(shè)計技

術(shù)的全新空間。

【關(guān)鍵詞】 找形預(yù)張拉應(yīng)力剪裁設(shè)計高科技建筑

1.概況

近十幾年來，張拉膜結(jié)構(gòu)建筑以其造型獨特的外觀，夢幻般的內(nèi)部空間，充

滿了張力的曲線、變幻的膜體、標(biāo)準(zhǔn)化加工的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，高度靈活的支承方式，

為廣大的結(jié)構(gòu)工程師提供了一個施展高科技設(shè)計技術(shù)的全新空間，因此也備受新

一代結(jié)構(gòu)設(shè)計師的關(guān)注。

張拉膜結(jié)構(gòu)設(shè)計時首先應(yīng)考慮張拉膜結(jié)構(gòu)體系的特殊性，即由于張拉膜、索

結(jié)構(gòu)所使用的主要材料本身不具有基本剛度和形狀，只有對膜材施加預(yù)張拉應(yīng)力

才能獲得結(jié)構(gòu)承載所必須的剛度和形狀，因此要通過調(diào)整改變膜材的預(yù)張力分布

來獲得理想的結(jié)構(gòu)造型，又或者通過改變膜或索的預(yù)張拉力比值來實現(xiàn)，從而得

到形態(tài)各異的結(jié)構(gòu)。例如，保持索之中的預(yù)拉應(yīng)力不變，增大膜的預(yù)張力與索的

預(yù)拉力的比值，即增加膜的預(yù)張力，所得結(jié)構(gòu)的曲率增大；反之，減小膜的預(yù)張

力與索的預(yù)拉力的比值，即降低膜的預(yù)張力，所得結(jié)構(gòu)的曲面及邊界較平坦。在

張拉膜建筑設(shè)計過程當(dāng)中，結(jié)構(gòu)師始終起主要作用，只有這樣才能使結(jié)構(gòu)、功能

及審美三方面在設(shè)計之中有機結(jié)合，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)形式所具有的特性。

2.結(jié)構(gòu)選型

張拉膜結(jié)構(gòu)的選型，應(yīng)根據(jù)建筑造型需要和支撐條件等，通過綜合分析確定。

通常可選用下列結(jié)構(gòu)形式：整體張拉式、索系支承式、骨架支承式和空氣支承式，

或以上形式組合成的結(jié)構(gòu)形式。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，以分項系數(shù)設(shè)計

表達式進行計算。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全等級、設(shè)計使用年限確定。

根據(jù)使用過程在結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極

限狀態(tài)分別進行荷載（效應(yīng)）組合，并應(yīng)取各自的最不利效應(yīng)組合進行設(shè)計。膜

結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮恒、活、風(fēng)、雪、頂張力、氣壓力、溫變和支座沉降等作用。膜

面的活載標(biāo)準(zhǔn)值可取0.3kN/㎡。

風(fēng)載體型系數(shù)可按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定采用。對于形狀復(fù)

雜或重要的建筑物，應(yīng)通過風(fēng)洞試驗或?qū)ｉT研究確定風(fēng)載體型系數(shù)。有條件時也

可通過分析研究確定。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在滿足膜面應(yīng)力平衡的條件下，使結(jié)構(gòu)體系保持穩(wěn)定。為

避免在風(fēng)的吸、壓力作用下產(chǎn)生變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體張力體系失效，必須在膜

結(jié)構(gòu)的谷部表面增加穩(wěn)定壓索；又或者為了避免膜結(jié)構(gòu)的脊部應(yīng)力過大，可以在

脊部緊貼底面增加脊索。穩(wěn)定索和脊索必須參與相應(yīng)工況下的整體受力和變形驗

算。此外，還應(yīng)考慮使用階段部分膜片破壞或部分索退出工作，以及不同部位膜

單元進行第二次張拉或更換對整體結(jié)構(gòu)的影響。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可采用下列方法合理施加預(yù)張力：在邊緣直接張緊膜面【圖

a】;l拉緊周圍邊索【圖b】；拉緊穩(wěn)定索【圖c】；頂升中間支柱【圖d】。

4.材料選擇

膜結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求，選用不同類別和代號的膜材。當(dāng)有足夠的依據(jù)時，

膜材的經(jīng)、緯向抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)可采用生產(chǎn)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)。拉索可采用熱擠聚乙

烯高強鋼絲拉索、鋼絞線或鋼絲繩，也可根據(jù)具體情況采用鋼棒等。鋼絲繩宜采

用無油鍍鋅鋼芯鋼絲繩。鋼絞線、鋼絲繩、熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索及其錨具的

質(zhì)量應(yīng)符合我國相關(guān)規(guī)范和現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。錨具與索連接的抗拉強度，澆

鑄式不得小于索抗拉強度的95%；壓接式不得小于索抗拉強度的90%。

5.結(jié)構(gòu)計算

膜結(jié)構(gòu)應(yīng)進行初始形態(tài)分析(找形)、荷載效應(yīng)分析、裁剪分析，必要時換應(yīng)

進行施工過程驗算。初始形態(tài)分析可采用非線性有限元法、動力松弛法和力密度

法等；荷載效應(yīng)分析可采用非線性有限元法和動力松弛法。計算時應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的

幾何非線性，可不考慮材料非線性。結(jié)構(gòu)計算中可考慮膜材的各向異性。計算模

型的邊界支承條件應(yīng)與支承點的實際構(gòu)造項符合，對于可能產(chǎn)生較大位移的支承

點，在計算中應(yīng)考慮支座位移的影響，或與支承結(jié)構(gòu)一起進行整體分析。

對膜結(jié)構(gòu)中的索、膜構(gòu)件，可不考慮地震作用的影響；支承結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，

應(yīng)按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定執(zhí)行。初始形態(tài)分析應(yīng)滿足邊界條件和合理預(yù)張力的

要求，并滿足建筑造型和使用功能的要求。

索、膜構(gòu)件的預(yù)張力值應(yīng)根據(jù)膜材類型、膜面荷載、可能產(chǎn)生的變形以及施

工等因素確定。預(yù)張力值必須保證在第一類荷載效應(yīng)組合下，所有索、膜構(gòu)件均

處于受拉狀態(tài)。

膜結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng)分析，應(yīng)在初始形態(tài)分析確定的幾何形狀和預(yù)張力的基礎(chǔ)

上，考慮各種可能的荷載組合情況對膜結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響。當(dāng)計算結(jié)果不能

滿足要求時，應(yīng)重新確定初始形態(tài)。

計算膜、索的內(nèi)力和位移時，應(yīng)考慮風(fēng)荷載的動力效應(yīng)。對于形狀較為簡單

的膜結(jié)構(gòu)，可采用乘以風(fēng)振系數(shù)的方法考慮結(jié)構(gòu)的風(fēng)動力效應(yīng)。對骨架支承式膜

結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)可取1.2～1.5；對整體張拉式傘形、鞍形膜結(jié)構(gòu)，風(fēng)振系數(shù)可取

1.5～2.0。

對于跨度較大、風(fēng)荷載影響較大的或重要的膜結(jié)構(gòu)，應(yīng)通過動力分析或氣彈

性模型風(fēng)洞試驗確定風(fēng)荷載的動力效應(yīng)。

在各種荷載組合下，膜面各點的最大主應(yīng)力應(yīng)滿足下列要求：

式中 —在各種荷載組合作用下的最大主應(yīng)力值；

—膜材抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；

—強度折減系數(shù)；對處于一般部位的膜材 =1.0；對處于連接點處和邊緣部

位的膜材 =0.75；

—膜材抗力分項系數(shù)，對第一類荷載效應(yīng)組合 =5.0；對第二類組合 =2.5。

6.剪裁設(shè)計

膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析應(yīng)在初始平衡曲面的基礎(chǔ)上，在空間曲面上確定膜片間的

裁剪線，然后獲得與空間膜片最接近的平面展開膜面。確定膜結(jié)構(gòu)的裁剪線，可

采用測地線法和平面相交法等。確定裁剪線時應(yīng)考慮下列因素：裁剪線布置的美

觀性；根據(jù)膜材幅寬，盡量有效利用材料；適應(yīng)膜材正交異性的特點，使膜材的

纖維方向與計算的主受力方向一致。膜結(jié)構(gòu)的裁剪分析中必須考慮初始預(yù)張力和

膜材徐變特點的影響。應(yīng)根據(jù)所用膜材的材性，合理確定各膜片的收縮量，并對

膜片的裁剪尺寸進行調(diào)整。當(dāng)采用搭接方式時，設(shè)計的裁剪片應(yīng)預(yù)留搭接寬度。

7.空氣支承膜結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

空氣支承膜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部壓力，應(yīng)保證在各種荷載作用下滿足結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)

定性要求。設(shè)計時應(yīng)合理確定膜結(jié)構(gòu)的最大、最小工作內(nèi)壓和正常工作內(nèi)壓。最

大工作內(nèi)壓應(yīng)保證在最不利的外界環(huán)境條件下，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)過大的變形。最小

工作內(nèi)壓應(yīng)保證在正常氣候條件和正常使用條件下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并應(yīng)保持室內(nèi)環(huán)

境的舒適度，其值不應(yīng)小于200Pa。

8.連接構(gòu)造

拉索的錨錠系統(tǒng)可根據(jù)具體情況采用重力錨、盤形錨、蘑菇錨、摩擦樁、拉

力樁、阻力墻等類型。拉索錨錠的抗拔承載力應(yīng)根據(jù)錨錠形式、地基條件等，經(jīng)

現(xiàn)場勘查和土質(zhì)定。

9.實例

右圖為廣東金融學(xué)院膜結(jié)構(gòu)工程，膜面采用雙弧形鋼結(jié)構(gòu)骨架的支承形式，

整體為鋼索+L型截面構(gòu)件組成的鋼膜結(jié)構(gòu)。膜面的整體找形由雙弧形鋼梁進行

約束固定，為免風(fēng)吸力作用下失去整體張力而造成結(jié)構(gòu)失效，膜面增加一道由雙

鋼索組成的壓索。由于膜材普遍具有徐變效應(yīng)，以及張拉后產(chǎn)生彈性變形的特點，

因此建模計算時需考慮預(yù)張拉狀態(tài)下膜材的短期和長期徐變的預(yù)伸長率，而這個

預(yù)伸長率的取值又對膜結(jié)構(gòu)的張拉應(yīng)力和剪裁成形產(chǎn)生非常大的影響，因此根據(jù)

具體膜材的特性而合理取值。本工程采用的是不產(chǎn)生張拉變形的雙向預(yù)張拉PVC

膜材，預(yù)張力的取值只與荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形程度以及膜材的抗拉強度有關(guān)。

采用力密度法計算各工況下膜面壓索的張拉力和膜邊節(jié)點在X、Y、Z方向作用

力，并將其導(dǎo)入鋼結(jié)構(gòu)計算設(shè)計軟件進行計算機輔助設(shè)計。本工程以膜材、組合

鋼梁、鋼索為主要受力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)造型和受力形式非常合理，因此在實現(xiàn)大跨

度、大空間和雙弧線等建筑效果的同時，大大節(jié)省了結(jié)構(gòu)的鋼材用量，比其他形

式的結(jié)構(gòu)，無論在建設(shè)周期、造價、環(huán)保等方面均具有全方位的優(yōu)越勝。

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