张拉索膜结构体系及其施工技术
张拉索膜结构体系及其施工技术
摘自《工程主体施工采购》第8期来的大唐膜结构https://www.360docs.net/doc/0813664211.html,整理
摘要: 利用动力松弛法对预应力张拉膜进行初始平衡形状的确定以及静载分析。选择平面投影形状作为初始试形状，引入动力松弛法并对其参数进行分析，得出了薄膜结构在预应力态下的平衡形状分析方法，从而对薄膜结构进行静载分析。本文建立的方法对薄膜结构进行找形与静载分析时，无需形成整体刚度矩阵，不会造成误差累积，并且编程简单、迭代速度快，适用范围广，与动力分析具有统一性，十分适用于几何非线性程度较高的张拉柔性结构体系。通过算例分析表明本文方法简便、实用，精度较高，适用于大跨度张拉索网、索膜结构的几何非线性分析
【内容简介】
本书对张拉索－膜结构的分析与设计进行了介绍。在第一章绪论中介绍了工程结构的演化进程和薄－膜结构的发展历程。第二章以薄壳理论为基础介绍了张拉索－膜结构的受力特点及其与结构形式间的关系。第三章和第四章为张拉索－膜结构分析所需的基础知识和理论，包括钢索及膜材的物理、力学性能，固体力学的大位移理论和有限元分析方法。第五章到第八章分别介绍张拉索－膜结构的形态分析、裁剪分析、荷载分析和节点设计。第九章介绍张拉索－膜结构分析设计软件CAFA的基本功能和使用方法。以张拉索－膜结构设计中的建筑构思作为本书的第十章，以体现索－膜结构设计中建筑设计与结构设计间异常紧密的结合。
本书可供土木工程专业的结构工程师、建筑师、施工技术员和相关专业的大专院校师生以及结构工程专业的研究生参考。
【图书目录】
序
前言
第一章 绪论
1·1工程结构的演化
1·2薄膜结构的发展历程
第二章 张拉索－膜结构的选型与设计
2·1柔性壳体的基本力学性能
2·2张拉索－膜结构的基本单元及组合
2·3结构的支承体系
2·4膜材的剪裁与连接
第三章 钢索、膜材的物理、力学性能
3·1钢索的产品规格及性能指标
3·2建筑膜材
3·3膜材的本构模型
3·4弹性主轴方向上的本构关系
3·5非弹性主轴上的本构关系
3·6建筑膜材的力学性能参数
3·7膜材强度指标
第四章 张拉索－膜结构分析的理论基础和有限元方法
4·1几何非线性分析
4·2有限元方法
第五章 张拉索－膜结构的形态分析
5·1形态分析的程序实现
5·2数值分析的精确性检验
5·3形态分析示例
5·4工程算例
第六章 膜曲面的裁剪分析
6·1裁剪线的确定
6·2膜片的展开
6·3裁剪条元的下料尺寸
6·4精确性验证
6·5裁剪分析示例
6·6工程算例
第七章 张拉索－膜结构的
受力分析
7·1单元应力及局部松弛和破坏
7·2受力分析程序的有效性检验
7·3张拉索－膜结构的受力性能分析
7·4工程结构荷载验算
第八章 张拉索－膜结构的连接与节点
8·1膜材与膜材的连接
8·2索与膜的连接
8·3膜材与刚性边界的连接
8·4索节点
8·5柱节点
8·6索膜节点
第九章 张拉索－膜结构分析设计软件CAFA
9·1CAFA的组成
9·2模型建立
9·3形态分析
9·4裁剪分析
9·5荷载分析
9·6数据查询
第十章 张拉索－膜结构设计的建筑构思
10·1环境因素与总体构思
10·2空间要素与结构选型
10·3形式要素与视觉造型
附录Ⅰ 曲面理论的基本概念
附录Ⅱ 测地曲率与测地线
附录Ⅲ 悬链面的表面积公式
参考文献
大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本文就空间网格结构和张力结构两大类介绍了国内外（但主要是国外）空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个重要理论问题，包括空间结构的形态分析理论、大跨柔性属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震性能等问题的研究提出了看法。
一、概 述
在这实际的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的目的，人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时，无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上，当跨度达到一定程度后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。
近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。例如 1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”（Superdome），直径207m，长期被认为是世界上最大的球面网壳；现在这一地位已被1993年建成夏径为222m的***福冈体育馆所取代，但后者更著名的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、开启1／3或开启2
／3等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径135m，它是为1988年冬季奥运会修建的，外形极为美观，迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来，由于结构使用织物材料的改进，膜结构或索-膜结构（用索加强的膜结构）获得了发展，美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构；1988年东京建成的“后乐园”棒球馆，也采用这种结构技术尤为先进，其近似圆形平面的直径为204m；美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”（Geogia Dome，1992年建成）采用新颖的整体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。
由于经济和文化发展的需要，人们还在不断追求覆盖更大的空间，例如有人设想将整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖起来形成一个可人工控制气候的人聚环境或休闲环境；为了发掘和保护古代陵墓和重要古迹，也有人设想采用超大跨度结构物将其覆盖起来形成封闭的环境。目前某些发达国家正在进行尺度为300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。
可以这样说，大跨空间结构是最近三十多年来发展最快的结构形式。国际《空间结构》杂志主编马考夫斯基（Z.S.Makowski）说：在60年代“空间结构还被认为是一种兴趣但仍属陌生的非传统结构，然而今天已被全世界广泛接受。”从今天来看，大跨度和超大跨度建筑物及作为其核心的空间结构技术的发展状况已成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。
世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究经费。例如，早在20年前美国土木工程学会曾组织了为期 10年的空间结构研究计划，投入经费 1550万美元。同一时期，西德由斯图加特大学主持组织了一个“大跨度空间结构综合研究计划”，每年研究经费100万马克以上。这些研究工作为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。国际壳体和空间结构学会（IASS）每年定期举行年会和各种学术交流活动，是目前最受欢迎的著名学术团体之一。
我国大跨度空间结构的基础原来比较薄弱，但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要，近十余年来也取得了比较迅猛的发展。工程实践的数量较多，空间结构的类型和形式逐渐趋向多样化，相应的理论研究和设计技术也逐步完善。以北京亚运会（1990）、哈尔滨冬季亚运会（1996）、上海八运会（1997）的许多体育建筑为代表的一系列大跨空间结构——作为我国建筑科技进步的某种象征在国内外都取得了一定影
响。
种种迹象说明，我国虽然尚是一个发展中国家，但由于国大人多，随着国力的不断增强，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛，而且这种需求量在一定程度上可能超过许多发达国家。这是我国空间结构领域面临的巨大机遇。
但与国际先进水平相比，我国大跨空间结构的发展仍存在一定差距。主要表现在结构形式还比较拘谨，较少大胆创新之作，说明新颖的建筑构思与先进的结构创造之间尚缺乏理想的有机结合，尤其是150m以上的超大跨度空间结构的工程实践还比较少；结构类型相对地集中于网架和网壳结构，悬索结构用得比较少，而一些有巨大前景的新颖结构形式如膜结构和索-膜结构、整体张拉结构、可开合结构等在国外已有不少成功的工程实践，在我国则还处于空白或艰难起步阶段。情况看来是，我国空间结构的发展经过十余年来在较为平坦的草原上的驰骋之后，似乎遇上了一个需要努力跃上的新台阶。这一新台阶包含材料和生产条件等技术问题，也包含尚未很好解决的一些理论问题。为促进我国空间结构进一步的更高层次的发展，有待科技工作者和企业家努力创造条件，以求得这些技术问题和理论问题较快较好地解决。
大跨空间结构的类型和形式十分丰富多彩，习惯上分为如下这些类型：钢筋混凝土薄壳结构；平板网架结构；网壳结构；悬索结构；膜结构和索－膜结构；近年来国外用的较多的“索穹顶”（Cable Dome)实际上也是一种特殊形式的索－膜结构；混合结构(Hybrid Structure)，通常是柔性构件和刚性构件的联合应用。
在上述各种空间结构类型中，钢筋混凝土薄壁结构在50年代后期及60年代前期在我国有所发展，当时建造过一些中等跨度的球面壳、柱面壳、双曲扁壳和扭壳，在理论研究方面还投入过许多力量，制定了相应的设计规程。但这种结构类型日前应用较少，主要原因可能是施工比较费时费事。平板网架和网壳结构，还包括一些未能单独归类的特殊形式，如折板式网架结构、多平面型网架结构、多层多跨框架式网架结构等，总起来可称为空间网格结构。这类结构在我国发展很快，且持续不衰。悬索结构、膜结构和索-膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用，可总称为张力结构。这类结构富有发展前景。下面按这两个大类简要介绍我国空间结构的发展状况。
大跨度钢结构和索膜结构作为大型公共建筑的主要受力部分和新型屋面系统，其质量直接影响到建筑物的安全和使用功能。本文仅结合上海体育场、浦东国际机场、虹口
足球场、上海新国际博览中心等工程的监理实践，对大跨度钢结构和索膜结构施工质量控制的几个主要方面进行一些讨论。
⑴ 对桁架钢构件制作质量的控制
① 对于钢构件制作的胎架划线和搭设尺寸、钢构件拼装时的基准线和定位方式等进行严格检查控制。
② 钢构件拼装检查应在制作焊接完成后自由状态下进行。应按每榀构件拼装胎架中每一支点的三维空间位置验收结构尺寸。
⑵ 钢结构焊接
① 对于施工单位首次焊接的钢种，一定要进行焊接工艺评定，并制定相应的焊接工艺。
② 监理一定要抓住对焊工合格证的检查。检查内容应包括：母材及焊材种类、焊接位置、焊工合格证的有效期。
③ 严格把住接头装配质量关。接头的装配质量包括：坡口质量，根部间隙，对口错边量等几个方面。
④ 当焊接表面潮湿、有油污，焊接环境温度过大或焊接部位受风、雨、雪直接侵袭时，都无法保证焊出高质量的焊缝，特别是焊低氢焊条时更容易出现问题，施工单位应在工艺方案及对焊工进行施工交底时明确。
⑤ 焊接过程中为减少焊接应力，防止产生焊接裂纹，应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热，在整个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度并一次焊完一条焊缝，在焊接完成后应及时按标准要求进行后热。
⑥ 对设计及国家规范要求探伤的焊缝，应对每条焊缝按比例要求进行无损探伤。检验位置及长度由质检人员指定并书面通知NDT人员。检验后NDT人员应出具探伤报告，探伤报告应标明探伤的具体部位。
焊缝完成后质检人员及时按设计和GB50205等标准要求进行外观检查和无损检验，不合格部分及时通知焊工返修(返修焊缝工艺也必须是评定合格的)。
⑶ 钢结构安装质量控制
① 安装前，施工单位应对构件的产品合格证、设计文件与预拼装记录进行检查，并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、缺陷超出允许偏差时，应进行处理。
钢结构安装前，应编制详细的测量和矫正工艺，厚钢板的焊接应在焊接安装前心Ｄ獠方峁沟墓ひ帐匝椋嘀葡嘤Φ氖┕すひ铡６云醋昂玫奈菁苡υど枰欢ǖ钠鸸岸取?/DIV>
② 钢结构吊装就位后，应对构件定位轴线、标高等设计要求控制点进行测量做好标记，对吊装对接接头质量进行焊前检查。安装好临时支撑及钢浪索以使钢屋架在施工过程中安全稳定。
③ 钢结构安装时，施工单位应提交每榀构件吊装后的标高尺寸、焊接、涂装等分别向监理提交验收。
⑷ 高强螺栓施工质量控制
① 对于通过高强螺栓进行连接的钢结构，制作时必须首先注意高强螺栓摩擦面的加工质量及安装前的保护，并
应按标准要求对每两千吨、每种规格、每种加工工艺的高强螺栓摩擦面进行抗滑移系数试验。
② 钢构件角度偏差将严重影响构件组装时的高强螺栓穿孔率。构件的扭曲会影响连接面间的间隙。因此在钢结构制作时应准备一定的胎架模具以控制其变形，并在构件运输时采取切实可行的固定措施以保证其尺寸稳定性。
③ 钢结构安装单位在安装高强螺栓摩擦面前，必须将摩擦面保护好，防止污染、锈蚀。并在安装前进行高强螺栓摩擦面的抗滑移系数试验、检查高强螺栓出厂证明、批号，对不同批号的高强螺栓定期抽做轴力试验。
④ 对高强螺栓安装工艺、包括操作顺序、安装方法、紧固顺序、初拧、终拧进行严格控制检查，拧螺栓的扭力扳手应进行标定等。
⑸ 钢结构的涂装工程：
① 表面预处理的清洁度和粗糙度、涂装环境温度和湿度、两次涂装的时间间隔、涂层的厚度等。其中清洁度和粗糙度可按照标准图谱进行检查，涂层的厚度通过测厚仪测得。
② 涂层表面不得误涂、漏涂，无脱皮和返锈，对涂层表面质量进行观察检查，干漆膜厚度的检验方法和验收标准应符合设计及GB50205等国家规范的有关规定。
③ 防火涂料涂装工程应由经消防部位批准的施工单位负责施工。防火涂料的选择应是施工地消防部门认可的产品，并经国家权威防火产品检测机构检测符合设计对厚度和时间的要求。质检人员应随时检查涂装的基层质量。防火涂料不得漏涂、误涂，涂层应无脱层和空鼓。涂层厚度应按CECS24—90要求检查，并符合设计要求。质检人员对防火涂料的外观及表面质量按设计要求及有关国标进行认真检查，并填写记录表。
⑹ 膜面屋盖工程
① 膜面材料质量：工程膜面采用的主要有是聚四氟乙烯涂面PVC聚酯纤维类薄膜和玻纤特富隆薄膜，该材料国际上仅有少数几家公司生产。材料主要指标应包括单位重量、厚度、力学性能、光学性能、防火性能及耐久性等。
② 膜面的制作质量：包括1）几何尺寸：膜面的几何尺寸检查必须在拼接厂完成，拼接厂完工后按安装要求对膜面进行折叠、装箱，运到现场后直到吊装到安装位置才能展开。因此，在施工现场是无法对膜面尺寸进行测量的。2）膜面和接缝质量：安装过程中监理必须检查膜面上是否有划伤或破洞。如发现问题，应分清责任，要求膜面供货单位或膜面安装单位进行赔偿或修补。
③ 膜结构支架制作安装：1）膜结构支架制作质量与钢结构类似，其最大的要求是所有钢构件的表面必须打磨光滑，不得有尖角毛刺，以防划伤膜面。2）膜结构支架安装质量主要是几何尺寸和焊缝表面质量。为防
止膜面安装后起皱，并保证设计所需的张力，要求膜结构的安装尺寸误差尽可能的小，特别是要控制支架的平行度、对角线等相关尺寸的误差。安装焊缝必须打磨平整，以防划破膜面。
④ 膜面安装：1）特别要安排好和主体钢结构安装单位的关系，协调相互间的进度。2）膜面安装施工时应注意天气预报，保证在整个安装过程中无四级以上大风和大雨。3）当膜面安装过程当中发生膜面破损，必须立即进行修补。膜面张拉应力控制；膜面应力张拉不可一次到位，以防主体钢结构侧向失稳。应分块逐步张拉到位。4）膜面张拉到位后，监理将会同安装单位质检人员对膜面张力按照膜结构设计提供的膜面应力值、测试部位和测试工具对膜面应力进行全面检查验收。同时检查压板螺栓有无漏装漏拧。5）；防水密封：在膜面与天沟、膜面与膜结构的结合部位较易发生漏水，应及时检查发现泄露点，配合设计对泄露部位提出整改方案，督促施工单位进行防水施工。
⑺ 钢结构预应力索或预应力拉杆的施工质量
① 拉索或拉杆的质量：钢丝或拉杆的材质控制、锚头的质量控制、锚头浇铸敦头、典型拉杆或拉索的一比一张拉试验、拉索或拉杆长度。
② 拉索或拉杆张拉力的控制。
③ 拉索或拉杆张拉对主体钢结构的影响。索张力或主体钢结构尺寸的控制关系。
膜结构简介--张拉膜结构
张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。在阳光的照射下，由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光，无强反差的着光面与阴影的区分，室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚，建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空，建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶，如体育与娱乐性场馆，需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑，使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年，这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的使用寿命为25年以上。在使用期间，在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于1973年的美国加州La Verne大学的学生活动中心是已有23年历史的张拉膜结构建筑．跟踪测试与材料的加载与加速气候变化的试验，证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了20％至30％，但仍可正常使用。膜的表层光滑，具有弹性，大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透，经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。
张拉式膜结构
张拉整体结构（Tensegrity）是由一组连续的拉杆和连续的或
不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构，其中“不连续的压杆”的含义是压杆的端部互不接触，即一个节点上只连接一个压杆。 Tensegrity是美国建筑师 R.B.Fuller首先提出的一种结构思想，他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网，各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力，独立的受压杆件 相当于宇宙中的星球。
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。
膜结构,膜结构,景观膜结构,张拉膜结构设计加工安装
徐州景观膜结构工程有限公司是一家专业从事膜结构的研究、设计、开发、制作和 安装的高科技企业，公司拥有先进的模加工设备及检验，测试设备，并拥有国际先 进的膜结构设计软件，是国内最具规模的专业性膜结构公司之一。 景观膜结构、张拉膜结构，钢结构设计，制作，加工。 公司有现代化标准厂房,拥有欧洲最先进的 膜结构计算软件:Forten32，美国钢结构计算软件： AD2000、Sap2000等先进的专业技术人才组成的设计、施工队伍， 充分保证了产品的质量及客户对造型的要求。公司 下属有膜结构开发设计中心、钢件车间、膜布车间、 施工安装部、市场部、综合管理部等部门，拥有数台 套膜结构专用焊接机械，年生产能力为10万平方米， 公司成立以来工程业绩遍布于上海、江苏、浙江、湖北 安徽、广东、云南、宁夏及贵州等地，受到了全国各地广大 用户的一致好评，建立了良好的声誉。公司开发的膜结构建筑有张拉类、悬吊类、 桁架结构类、折叠整合类等，造型丰富多样，风格各异，艺术性强，具有浓厚的现代气息。