膜结构设计与施工

范鹏涛，等：膜结构设计与施工　膜结构设计与施工＊　范鹏涛　杨庆山　谭锋　（北京交通大学土建学院北京　１０００４４）　摘要　对两个索膜工程的设计与施工过程进行了论述，并对两工程在施工过程度预应力的施加方法上的差别进　行了横向比较：对于帐篷膜结构而言，设计对结构最终成功与否所起的作用更大，在谊结构的设计中膜与柱相连节　：　点的顸圈与环销相分离的做法是创新之处；对于活动链支座形式的膜结构，施工所起的作用更大，施工方法是否正　确、预应力施加与调整，对结构的最终成型有至关重要的影响。　荚键词　索膜结构　固定支座　帐篷膜镀支座　双曲抛物面　ＤＥＳＩＧＮ　ＡＮＤ　ＣｏＮＳＴＲＵＣＴＩｏＮ　ｏＦ　ＭＥＭＢＲＡＮＥ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ　Ｆａｎ　Ｐｅｎｇｔａｏ　Ｙａｎｇ　Ｑｉｎｇｓｈａｎ　Ｔａｎ　Ｆｅｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ。Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４）　ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｃａｂｌｅ－ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｍ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｉｃａｌ　ｔｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｓ　ｍｏｒｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ｓｕｃｃｅｓｓ　０ｆ　ｔｈｉｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｅｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ｈｏｗｅｖｅｒ，ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓａｄｄｌｅ　ｃａｂｌｅ．ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ｃａｂｌｅ—ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｉｘｅｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｏｎｉｃａｌ　ｔｅｎｔ　ｈｉｎｇｅｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ　ｐａｒａｂｏｌｏｉｄ　自１９９５年以来，薄膜结构的应用在我国可谓方　成刚性骨架，上覆膜材。　兴未艾。大量的薄膜结构，诸如建筑小品，小型建筑　１．１　结构设计　和体育场等在各地涌现；自１９９７年以来，国内膜结　根据《建筑结构荷载规范》（ＧＢ　５０００９—２００１）　构建筑更是平均每年以２０％的速度增长　ｊ，伴随着　查得此地基本雪压Ｓ０＝０．４０　ｋＮ／ｍ　；积雪分布系　“绿色建筑”、“生态建筑”口号的提出以及膜材性能　数　＝１．０（对于易产生雪兜现象的结构形式还要　的不断提高、新的索膜结构形式和相关技术的不断　考虑乘１．５的增大系数）；基本风压　＝０．５５　发展，索膜结构这种建筑形式有了越来越多的展示　ｋＮ／ｍ０；风振系数卢　＝１．６；风荷载体型系数　取　空间和舞台。　±１．３和±０．７（由于膜布对风有过敏反应，风荷载　膜结构在我国由于使用时间较短，设计和施工　体型系数取了正负号）；风压高度变化系数　：　经验不足。本文介绍作者参与设计、施工的两个比　１．０。计算得到雪荷载标准值Ｓｋ＝０．４０　ｋＮ／ｍ２，风荷　较具有代表性的索膜结构。这两处索膜结构分别是　载标准值ＷＫ＝±１．１４　ｋＮ／ｍ　（±０．６２　ｋＮ／ｍ　）。　某公园的索膜结构和某地的一处建筑小品。前者采　在考虑恒荷载、风荷载和雪荷载的最不利效应　用的是固定支座节点形式的帐篷膜结构　２　；后者则　组合的基础上分别对钢结构、索、地脚螺栓等连接构　是属于铰支座节点（活动柱）的双曲抛物面形式膜结　件以及基础尺寸进行了验算，并对各构件进行合理　构。这两种支座形式的不同也很大程度上决定了两　优化。最终钢构件立柱选用巾２１９×６钢管，横梁选　者的施工过程及预应力的施加方法上的差别。　用巾１２１　Ｘ　６钢管，撑杆均选用＋７６×６钢管。膜材选　用米乐９００型，膜材焊接采用加背贴条对接焊，焊接　１　固定支座形式的帐篷膜结构　宽度为６０ｍｍ。膜材边索取巾６　Ｘ　１　９抗拉强度为　该结构由四个完全相同的独立类锥型悬链面单　＊国家自然科学基金资助重点项目（编号：５０３３８０１０）：　元（帐篷膜单元【。　）组成，如图１所示，总投影面积　第一作者：范鹏涛男　１９７６年１１出生硕士研究生　收稿日期：２００５—１０—１４　１００ｍＺ。每个单元均由立柱、横梁、横撑以及斜撑组　ｔｅｅ１　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００６（１），Ｖｏ１．２１，Ｎｏ．８４　维普资讯 http://www.cqvip.com

工程设计　：　。——一　～～　————　—　——～＿—　：＝　’　．　一一’一　ｒ一一・　…　。　’＿　＿十　十ｌ　　。．　■　≤豢Ｉ　０　－　主　誊．’．　一．｛一　一　，…．一　———一　—　—　—．一０　．　一Ｌ——　．＝　－．　…ｒＪ一　、一　～　～　ｒ　、－Ｊ．Ｔ－一蓬　童　一　盘　：　誊篓　ａ一平面；ｂ一立面　幽１帐篷膜结构　１　５７０　ＭＰａ、钢芯直径为＋１０的钢丝绳。从经济角度　因此要注意施工人员安全。　考虑，边索采用钢丝绳夹直接固定在横梁耳板上。　在铺设了蝇料薄膜或其他防护物（防止尖锐物　另外值得一提的是本结构在设计时充分考虑了　刮、扎坏膜布）的地面上进行膜材与顶圈的组装・ｓ：　膜材预应力施加以及膜材与柱子连接问题，采取了　组装膜材的过程如下：将打包的膜布拆封（要确认在　将膜材与柱子相连接的连接件（顶圈与将顶圈支撑　运输的过程中膜材没有被划破或受损）；把膜布套在　固定在柱子上的部件即环销）相分离的作法，如图２　顶囤外环上，膜布顶端埋绳位置要与设计位置相符；　所示。这样就可以保证膜材在顶升到位，环销固定　然后用顶圈环箍将膜布压紧（环箍和顶圈外环的螺　后，连接了膜材的顶圈仍能自由转动，从而可以释放　栓孔要对中）；用手枪钻将螺栓孔中的膜布钻透；安　掉膜材在顶升过程中所受的不平衡力，并在膜材顶　装、拧紧螺栓。　升过程中可以比较容易地调整、固定环销。设计时　组装顶圈的过程为：先把环销套在立柱上，随后　在立柱上的环销销栓孔设计高度位置和其上５　ｃｍ　再将组装好的膜材套放在立柱上。用钢丝绳夹固定　的高度位置钻了两个孔（孔径为，／，３５）用来插入固定　好膜材边索。两耳板孔之间的边索长度一定要与设　环销的销栓（直径为，／，３２），两预留孔方向是空问垂　计长度相符，这样才能保证膜材顶升到设计位置时　直的。高处的孔为备用，以防顶升到低处的预留孔　膜面内的预应力值能达到设计值。　处膜内预应力达不到设计值。　横梁上铺设厚木板放置液压千斤顶，顶升支点　上端顶在膜材顶圈上。顶升膜材时注意两个液压千　斤顶要同时、对称、均匀顶升。在顶圈顶升到稍微高　出设计位置并且膜面内预应力达到设计值时，即停　止顶升。把环销提升至设计位置，对正环销上的销　栓孔与柱上预留孔后将环销销栓穿上，拧紧销栓两　环　端的螺帽：随后放松液压千斤顶，此时顶圈就被支　撑在环销之上了。如前文所述，顶圈和环销是相分　幽２环销和琐ｌ登ｌ　离的，所以环销可以很方便地固定，而膜布内由于顶　１．２施工过程　升过程中或其他原因造成的扭转力可以很自如地通　基础顶面的地脚螺栓校正调直后，将法兰用螺　过顶圈的转动来释放掉，这样就可以避免在膜布的　栓固定；立柱架立到位并焊接在柱底法兰上。通过　顶端出现扭转褶皱。　调整柱底法兰将立柱调整竖直后依次焊接横梁、斜　防水顶帽安装完毕之后，再将钢结构柱体因运输　撑和横撑。横梁要用水平尺调整水平后再施焊。横　或施工造成的划痕处用原子灰抹平、打磨并刷两道防　撑、斜撵施焊点要与设计位置相符，以避免钢构件与　锈底漆。在焊接处同样也要作上述处理。然后，钢构　膜材位置冲突。由于钢结构焊接大多是高空作业，　件通体作刷两道白色醇酸面漆处理（钢构件在加工厂　１２　钢结构　２００６年第１期第２ｌ卷总第８４期　维普资讯 http://www.cqvip.com

范鹏涛。等：膜结构设计与施工　内已经预先刷两道防锈底漆，一道面漆）－３］。应当指　２．１　工程概况　出面漆应选用优质室外漆，且两种不同化学属性的漆　该工程的膜材由６片等腰形双曲抛物面（马鞍　种禁止混用。在喷（刷）漆的过程中一定要对膜材做　面）单元组成，如图３所示，投影面积为２８０　ｍ２。其　好防护，防止油漆喷溅到膜材上。　钢结构由分别沿两个同心圆布置的１２个柱子构成。　由该施工过程可以看出，该种形式的膜结构通　内圈为６根固定柱，外圈为６根活动柱。内外圈的　过这种中部顶升的方法可以很方便地实现预应力的　柱子在沿圆周方向是高低交错布置。沿同一半径上　施加，而且膜材内的预应力也比较均匀，膜材也不易　的两根柱子也均是高低交错　ｌ内圈的３根矮柱上部　出现褶皱。　通过３根横撑焊接在一起，３根高柱也以同样方式　焊接在一起。每根外圈柱都有两根地拉索拉在顶　２铰支座形式的双曲抛物面膜结构　端，以平衡膜面应力和边索力。　≥誉：　ｔ。　一　ａ一平面；ｂ～轴侧　图３双曲抛物面膜结构　２．２施工过程　膜片沿径向整体外移，这样就能增大膜片圆周方向的　测量复核基础结构尺寸及预埋件布置，并严格　应力，消除此方向的褶皱。其他方向的褶皱可以综合　按设计图纸进行钢结构施工。　运用上述两方法来消除。　‘　用汽车吊配合人工将组装好的膜布挂在钢结构　上。用倒链拉挂好膜布的外侧柱子来施加预应力。　３　总　结　在预应力达到设计值之后旋紧地拉索，该工程的主　帐篷膜结构施工方法比较简单，也容易做到各　体施工就基本完成了。　个方向施加的预应力比较均匀，但该种结构也会存　２．３预应力施加及褶皱调整　在由于制造误差等原因造成在膜材顶升到设计位置　对该工程而言，在任一外侧立柱没有固定之前，　后膜内预应力仍然达不到设计值的现象。此时，环　结构都只是一个机构，而且同一膜片内很容易出现　销的作用就形同虚设，只能将膜材顶圈焊接在立柱　预应力不均匀现象，因此这种形式的膜结构其预应　上。这就要求该种类型的膜结构在钢结构加工、膜　力的施加和褶皱调整有一定的难度。　、　材加工以及施工时膜边索下料、固定等方面均要严　采取的措施为在地拉索基础上焊一临时挂环。用两　格按设计进行，尽可能减小各种误差。　４－５　ｔ倒链一端挂在柱顶，一端挂在临时挂点上。拉紧倒　而对于活动柱构造形式的结构，其施工阶段的　链使柱子达到设计位置来控制和施加膜材预应力。　预应力施加与膜材褶皱调整是一个繁琐而重要的过　索膜施工成功与否的一个很直观的标准就是有　程。由于各种因素的制约，膜材内施加的预应力很　没有褶皱。而对于该类工程　褶皱出现的形式以及　难做到均匀。因此膜材出现褶皱就在所难免。但只　导致褶皱发生的因素又很多，因此褶皱调整在该类　要抓住褶皱出现的关键因素，有针对性地进行调整，　工程中是决定施工成败的关键因素之一。　可取得令人满意的效果。　具体到本工程，当膜材出现沿圆周方向的褶皱　时，则膜材在径向的预应力值过小，此时可以放松径　◆考文献　１杨庆山。姜忆南．张拉索一膜结构分析与设计．北京；科学出版　向膜边索来增大膜材中的该方向应力，从而消除膜材　社．２００４：１２—１４。ｌ３４—１５０　。　褶皱。在膜材有沿径向的褶皱时，就要增大沿圆周方　２那向谦．索膜结ｌ＝暂基本体系与建筑设计　建筑学报。２００１（２）：４３　—４７　向的应力，具体的方法是放松膜材内圈膜夹板上的ｕ　　●３蔡兴东。向阳．袁英战．广州大都甫商场索膜结构工程制作及施　型螺栓，同时收紧外圈膜夹板上的ｕ型螺栓，从而使　工．建筑技术开发。２０００（４）：３３一一ｌ３４　ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００６（１），Ｖｏ１．２１，Ｎｏ．８４　１３