安徽紀(jì)念園膜結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計與施工

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[[摘 要]    索膜結(jié)構(gòu)是一種柔性體系結(jié)構(gòu)，它利用張拉鋼索及少量的壓桿作為主要承重構(gòu)件，依靠膜張力來抵御外荷載，具有自重輕，造型美觀，受力合理的特點(diǎn)，近年來受到廣泛關(guān)注。安徽紀(jì)念園看臺膜結(jié)構(gòu)工程就是通過膜和鋼索的張拉保持結(jié)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定的典型的索膜結(jié)構(gòu)。本文通過該工程的介紹，簡述了張拉膜結(jié)構(gòu)的自我平衡，它的施工安裝要素及節(jié)點(diǎn)的處理。

[關(guān)鍵詞]    索膜結(jié)構(gòu)  設(shè)計  施工
THE DESIGN AND CONSTRUCTION FOR THE PROJECT OF MEMBRANE STRUCTURE FOR
 THE COMMEMORATING  GARDEN OF ANHUI PROVINCE
                              XIANG Yang              XIANG Ru-feng
(Beijing Granlit Space Membrane Technology Engineering Co.Ltd,Beijing
101300,China)
[Abstract]   As a kind of flexible structure, cable-membrane
structure use the spreading and drawing cable and a few pressing bar
as the weight based component. It depends on the tension membrane to
 resist the outside weight, and with the characteristic of light
weight and beautiful outlook and reasonable force. It is widely used
in recent years. Typical project is done in the commemorating garden
of Anhui province.Based on the introduction of project, this article
briefly introduces the self balance of this spreading and drawing
membrane structure, and it's construction and equipment factor and
node processing.
[Keywords]  cable-membrane structure;design;construction
                              一、概 述
 

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    安徽紀(jì)念園看臺膜結(jié)構(gòu)工程位于安徽省合肥市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，用于紀(jì)念園
內(nèi)廣場兩側(cè)看臺的覆蓋，包括兩個單體。每個單體投影面積500m2，展開面積750m2。膜單元以五根柱為中心，向四周呈放射狀張拉，而整體結(jié)構(gòu)通過薄膜、
膜邊索、谷索、拉地索、上拉索、斜拉索及少量的桿件來穩(wěn)定。整個結(jié)構(gòu)造型輕
盈、飄逸，充分體現(xiàn)了張拉膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（見圖1、2）。
       圖1、  外觀效果                                圖2、內(nèi)視效果

    膜結(jié)構(gòu)的形式有多種，包括骨架式、充氣式、張拉式等等[1]，其中以張拉膜結(jié)構(gòu)最有代表性，也最為復(fù)雜。安徽紀(jì)念園看臺膜結(jié)構(gòu)工程更具有其特殊性，主要表現(xiàn)在以下三個方面：
    １、整體結(jié)構(gòu)是由索-膜協(xié)同受力，所有的索、膜、桿件各元素缺一不可，只有在它們都就位后才能成為一個結(jié)構(gòu)承受荷載，這給安裝帶來一定的難度；
    ２、5個柱帽5片膜為一個整體，共700多m2，近1t（包括膜輔件）；這要求較高的安裝精度，并要有措施來消除安裝誤差；
    ３、鋼索、節(jié)點(diǎn)數(shù)量繁多，形式多樣；共有5種31個節(jié)點(diǎn)，3種52根鋼索。
 
                        二、方案的確立及計算
1．方案的確定:

    膜結(jié)構(gòu)設(shè)計打破了傳統(tǒng)的“先建筑，后結(jié)構(gòu)”做法，要求建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合。在設(shè)計過程中，建筑師和結(jié)構(gòu)師要坐在一起確定建筑物的形狀，并進(jìn)行必要的計算分析，這時，所設(shè)計建筑物的平面形狀．立面要求．支點(diǎn)設(shè)置．材料類型和預(yù)應(yīng)力大小都將成為互相制約的因素[2]。本工程中，北京光翌公司同深圳環(huán)境設(shè)計研究院緊密合作，對該工程的方案從建筑和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行論證，保證最后的方案既滿足建筑的要求，又必須是一種能夠?qū)崿F(xiàn)的方案。
    原方案采用三柱五頂，三個膜帽固定在柱上，另兩個膜帽用鋼索掛于兩柱之間（圖3）。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是可以通過中間的膜帽調(diào)整橫向誤差，缺點(diǎn)是對風(fēng)過于敏感。最后方案采用五柱五頂，五個膜帽頂均固定于柱子（圖4）,膜邊角拉在前、后弧索上,柱間增加斜拉索和頂索保證桿件平面外的穩(wěn)定。上拉索、拉地索、前后弧索、斜拉索、頂索與柱和梁共同受力形成結(jié)構(gòu)主體。
    根據(jù)已經(jīng)確定的建筑形式，橫向采取兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。第一種如圖3所示，主柱為一連續(xù)桿，柱底固接，柱中伸出兩根橫梁，形成半鉸。但這種方法使主柱形成懸臂桿件，柱底彎矩過大而柱頂彎矩為零，如果采用通長鋼管，導(dǎo)致材料的極大浪費(fèi)。第二種方案見圖4，把主柱斷開，構(gòu)造為鉸接，這樣上柱僅為軸壓桿，大大節(jié)約了鋼材。本工程采用第二方案，其平面圖見圖5，
    計算模型如圖6所示（為使圖面清晰，未畫膜單元，實(shí)際計算中，索、膜、桿單元協(xié)同計算）。

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               圖5平面圖                        圖6計算模型
2．找形分析及應(yīng)力分析：
    索膜結(jié)構(gòu)其自重極輕，振動頻率低，在風(fēng)荷載作用下易于產(chǎn)生較大的變形和振動，對風(fēng)荷載的作用非常敏感[3]，所以應(yīng)根據(jù)膜材特性及膜造型，合理設(shè)定鋼索及膜的預(yù)張力，保證在風(fēng)荷載作用下膜的正常使用功能。
    本工程采用法拉利公司生產(chǎn)的PVC膜材1002T，鋼索選用無油鍍鋅6x19+FC（1670N/mm2）鋼絲繩，找形分析、靜力計算及裁剪下料設(shè)計采用TECHNET公司生產(chǎn)的EASY軟件。表１為膜材特性表及輸入數(shù)據(jù)，表2為兩種工況下的對基礎(chǔ)作用力表。從輸出結(jié)果可以看出，該體系對風(fēng)的作用比對雪荷載的作用敏感。根據(jù)鋼索應(yīng)力，鋼索選用?32、?20、?12、?6四種規(guī)格。最后結(jié)果見圖7。
                                   表１、膜材參數(shù)
基材            自重         抗拉強(qiáng)度（經(jīng)線／緯線）         表面處理        膜初始預(yù)張力
 
高強(qiáng)聚酯纖維 1050 克g/平方米m2    4.2/4.0KN/5cm             100%PVDF          1.5 KN/m
表2、看臺對基礎(chǔ)的作用力（兩種工況）3
                         工況一  (向上荷載)工況一(向上荷載)                
基礎(chǔ)號    Fx（KkN)）    Fy(KkN)         Fz(KN)         Mx(KkN.Mm)         My(KkN.Mm)
21          41.28       -144.02         74.54            0.00               0.00
22          15.72       -11.22          33.33            0.00               0.00
23           0.00         0.00          0.00             0.00               0.00
 
24          26.32       -48.67          55.63            0.00               0.00
 
25          42.85        42.03          54.72            0.00               0.00
 
26         -52.63         9.28          63.10            0.00               0.00
 
27         -11.69        -2.05          21.30            0.00               0.00
 
28         -3.21          6.26          12.78            0.00               0.00
 
29        -185.24        18.32          85.82            0.00               0.00
 
30         -60.55       -63.81          77.51            0.00               0.00
 
15           0.01         0.08         -14.94            0.00               0.00
16          -0.12         0.23          -9.62            0.00               0.00
 
0          156.22       -47.16         -66.36          -84.89             281.20
 
1           -0.03        -0.02          -3.67           -0.03              -0.05
 
2           97.25       103.51           0.63          186.31             175.06
 
3            0.00         0.02          -2.39            0.03              -0.01
                         工況二  (向下荷載)工況二(向下荷載)
基礎(chǔ)號     Fx（KkN)）    Fy(kKN)        Fz(kKN)       Mx(kKN.Mm)        My(KkN.Mm)
 
21          45.84      -109.49          75.26            0.00               0.00
22          21.23       -15.09          44.85            0.00               0.00
23           0.00         0.00           0.00            0.00               0.00
24          29.35       -24.83          22.42            0.00               0.00
25           3.63         3.57           4.63            0.00               0.00
26         -27.47        15.85          26.91            0.00               0.00
27          -8.80        -1.52          16.04            0.00               0.00
28          -7.17        14.02          28.51            0.00               0.00
29        -137.74        23.73          76.92            0.00               0.00
30         -36.20       -38.23          46.30            0.00               0.00
15           0.01         0.11         -28.85            0.00               0.00
16          -0.53         0.87         -36.78            0.00               0.00
                   
0           87.44       -41.82        -139.48          -75.27             157.39
1           -0.84        -0.46         -99.47           -0.82              -1.51
 
2           90.25        95.58         -99.96          172.04             162.45
3           -0.23        -0.16         -94.46           -0.29              -0.42
4          -58.77        77.86        -157.86          140.16            -105.78

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                                圖7、  找形結(jié)果
                                三．設(shè)計及節(jié)點(diǎn)
對于膜結(jié)構(gòu)工程而言，有兩個方面是至關(guān)重要的。一是保證膜定位點(diǎn)的準(zhǔn)確性，一是要保證對膜施加預(yù)張力的空間并采取較美觀的方式。所謂的定位點(diǎn)，是指對膜施力的點(diǎn)。在設(shè)計階段，它確定膜的形狀，確定膜形是否合理．美觀；在施工階段，定位點(diǎn)的準(zhǔn)確與否直接影響膜的成形。定位點(diǎn)的處理表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的處理。節(jié)點(diǎn)應(yīng)保證定位點(diǎn)的準(zhǔn)確（即保證施工時膜受力點(diǎn)與理論膜的受力點(diǎn)座標(biāo)一致）,促證有足夠的空間對膜施加預(yù)應(yīng)力。由于節(jié)點(diǎn)外露，還應(yīng)保證節(jié)點(diǎn)的美觀。
    根據(jù)設(shè)計的膜形及膜邊界條件，該工程的膜節(jié)點(diǎn)采取五種形式（節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E）。節(jié)點(diǎn)A為膜邊一端為φ12鋼絲繩，另一端為φ6鋼絲繩固定于梁上；節(jié)點(diǎn)B為兩膜邊為φ6鋼絲繩，固定于梁上；節(jié)點(diǎn)C為膜角通過花藍(lán)螺栓連接于前后弧索，同時谷索錨頭也通過此節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)D同節(jié)點(diǎn)C，不過沒有谷索；節(jié)點(diǎn)E為膜角與邊柱的連接形式。
 

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                                四、工程施工
 
    該工程結(jié)構(gòu)是一個柔性體系，只有把5根柱子全部立起，互相牽拉并施加預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)才能自我平衡保持穩(wěn)定。所以在安裝時，我們準(zhǔn)備了充分的手搬葫蘆。在第一根柱的上柱及橫梁通過上拉索及拉地索橫向穩(wěn)定時，縱向分別用手搬葫蘆臨時穩(wěn)定，然后開始安裝第二根柱的上柱及橫梁，拉上斜拉索及頂索，依次將全部鋼索及桿件就位并預(yù)張拉后，再把手搬葫蘆松開。
    這里還有一個矛盾：膜在上拉索和橫梁之間，鋼索不上則無法使體系穩(wěn)定，鋼索先掛上了，膜又如何進(jìn)去呢？在實(shí)際工程施工中，我們的施工順序是這樣的：
1  安裝下柱；
2  將膜帽分別套上5根上柱，并將膜展開；
3  安裝膜輔件；
4  吊裝上柱及橫梁把全部鋼索掛上、張緊；
5  把全部膜邊角掛上，保持松弛狀態(tài)；
6  同時起吊五個膜帽至帽環(huán)位置，并固定；
7  調(diào)節(jié)膜邊角的調(diào)節(jié)裝置，保證膜定位點(diǎn)的準(zhǔn)確性；
8  對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，處理局部區(qū)域。
安裝完成的膜結(jié)構(gòu)如圖9所示。      

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圖9、工程實(shí)物照片
                                   五、經(jīng)濟(jì)性
    索膜結(jié)構(gòu)作為一種柔性輕型結(jié)構(gòu)具有很好的經(jīng)濟(jì)性。安徽紀(jì)念園看臺膜結(jié)構(gòu)工程總平面面積為1000m2
 (兩個單體)，耗鋼量為 12.3t(（不包括鋼索)，），僅為12.3kg/m2。實(shí)際現(xiàn)場安裝工期僅20天，小于普
 通的屋蓋結(jié)構(gòu)。
    這里還有兩個問題，一是目前結(jié)構(gòu)用膜材尚需從國外進(jìn)口，造價相對昴貴；一是索膜結(jié)構(gòu)在索及索
 具上費(fèi)用較大，甚至達(dá)到工程造價的20%。隨著市場的推廣，有許多廠家正在著手解決這兩個問題，屆時
 索膜結(jié)構(gòu)將會有更廣泛的應(yīng)用。
                                    六、結(jié)語
    索膜結(jié)構(gòu)以其良好的經(jīng)濟(jì)性、合理的受力性及優(yōu)美的造型越來越受到世人的矚目。它作為一種柔性
 張拉結(jié)構(gòu)，無論從方案的選定還是設(shè)計和施工均有其特殊性。隨著本工程的介紹和其它工程的開展，索
 膜結(jié)構(gòu)的技術(shù)會越來越成熟，市場也會越來越廣闊。
 參考文獻(xiàn)
    [1] 向陽：薄膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)設(shè)計、風(fēng)振響應(yīng)分析及風(fēng)洞試驗研究，哈爾濱建筑大學(xué)博士學(xué)位論
 文,1998.11。
    [2] 藍(lán)天：膜結(jié)構(gòu)－成就、問題與展望,第九屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集，2000.9。
    [3] 王起、張相庭：大跨度索膜屋蓋結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向非線性共振響應(yīng)分析，第九屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論
 文集，2000.9